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电池储能电站安全问题分析与对策

作者:中国储能网新闻中心 来源:电动学堂 发布时间:2020-11-17 浏览:
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引言

随着电池储能电站的不断投运,其安全问题逐渐突显。自2018年以来,韩国储能行业发生了23起严重火灾,我国储能行业也在2017年以后发生了多起火灾,例如山西某电厂自动发电控制(automaticgenerationcontrol,AGC)调频项目和江苏扬中某用户侧储能项目中所发生的火灾。因此,开展电池储能电站安全问题研究对于促进电池储能电站的持续、健康发展具有重要现实意义。

1、电池储能发展现状

电池储能由众多电化学单元经串并联构成,各单元通过正负极的氧化还原反应充放电,实现电能和化学能的相互转化。电池储能电站的特点为:可根据不同应用需求灵活配置功率和容量,充放电迅速,选址受地理条件限制少,适宜大规模应用和批量化生产。

目前,电池储能技术类型多样,主要包括锂电池、液流电池、钠硫电池、铅酸电池等。上述类型电池的技术指标各异,对比分析可参见文献。

电池储能电站可灵活配置在电力系统的电源侧、电网侧、负荷侧,满足差异化储能应用需求,不同配置位置电池储能的典型应用场景见表1。            

电池储能虽然应用场景多样,但均主要包含电池、变电、土建三部分。电池部分包括单体电池经串并联构成电池模块、热管理系统、电池管理系统、双向变流器、能量管理系统等。变电部分包括电气一次部分(变压器、出线等)和二次部分(中央控制系统、消防系统等)。土建部分包括电气电池室或室外电池组基础及厂区相关工程。火灾事故是电池储能电站的一类极端且有代表性的安全事故,具有破坏性强、经济损失大、社会关注度高等特点。表2给出了近年来已公布的电池储能电站火灾事故统计信息。

由表2可知,从火灾地点来看,电池储能电站火灾事故主要集中在韩国,而美国、日本和中国也均已发生电站火灾事故。从储能类型来看,电池储能技术类型主要为锂电池。这一方面是由于锂电池在各类型电池中装机容量占比最大;另一方面,是因为锂电池内部存在较多放热反应,在一定条件下易发生热失控。

2、电池储能电站安全风险因素

电池储能电站安全风险因素主要包括火灾、爆炸、中毒、触电、灼烫等。其中,火灾风险尤为突出。

2.1、火灾

火灾风险不仅包括传统的变压器火灾、电缆火灾等,还包括电池火灾。相较液流电池、铅酸电池等水系电池,有机系锂电池的火灾风险较为突出。锂电池在过充过放、短路、挤压等滥用条件下,内部发生正负极与电解液反应、电解液分解等一系列放热反应,引起电池热失控,从而导致火灾的发生。锂电池火灾具有起火速度快、热分解产物毒性强、灭火困难等特点。

除锂电池外,钠硫电池的火灾风险也较大。当钠硫电池运行时,一旦陶瓷电解质破损形成短路,高温下的液态钠和硫就会直接接触,发生剧烈的放热反应。这种放热会在瞬间产生2000℃的高温,相当危险。

2.2、爆炸

爆炸风险主要包括电池本体爆炸和变电设备爆炸两类。

(1)电池本体爆炸:锂电池发生热失控后,会生成大量烷烃类可燃气体。若储能装置布置在室内,当可燃气体达到一定浓度时,遇明火就会发生爆炸。此外,液流电池、铅酸电池的水溶液会在过压电解后析氢爆炸。

(2)变电设备爆炸:储能系统升压变压器若为带油设备,变压器内部故障会引起电弧升温,有燃烧和爆炸的可能。

2.3、中毒

中毒风险主要体现在电池燃烧产生的有毒烟气以及溶析产生的晶体。

锂电池燃烧时会产生大量气体,主要有氢气、甲烷等可燃气体以及氯化氢、氟化氢等有毒气体。有毒气体会对眼和呼吸道粘膜产生强烈的刺激作用,可引起呼吸道炎症、肺水肿、溃疡等。

全钒液流电池会在室内温度控制不良时发生溶析现象,产生五氧化二钒、三氧化二钒等盐,其中析出的晶体有剧毒。析出晶体对呼吸系统和皮肤有损害作用,可引起呼吸道炎症、皮肤剧烈瘙痒、肾损害等。

2.4、触电

电池储能系统是一种含高能物质的物件。在它未接通电源或系统关闭时,部分部件仍可能处在带电状态。在接触系统时,若没有穿戴好相应的防护工器具,极可能发生触电。

2.5、灼烫

灼烫风险主要来源于具有腐蚀性的电池电解液或电极材料。若电解液输送管道、储液罐、电池外壳的材料工艺耐腐蚀性能达不到要求,将导致设备腐蚀;若长期严重腐蚀,会使电解液或电极材料发生泄漏事故,例如液流电池的电解液输送管道、储液罐等因长期严重腐蚀而出现漏液,钠硫电池的正极活性物质为液态硫和多硫化钠熔盐,由于硫具有腐蚀性,电池外壳易发生泄漏。若电站运维人员在正常检修或事故情况下未穿防护服、未戴防护手套,就可能造成人员灼烫受伤。

3、防范对策

电池储能电站的安全风险因素多样,而火灾、爆炸等极端事故的发生,会带来严重的财产损失与人员伤亡。科研人员已针对电池储能安全性问题开展了若干有价值的研究,取得了众多成果,但仍存在许多不足。后续,仍应做好以下几方面的工作。

3.1、开展锂电池火灾多维防控技术研究

为降低锂电池火灾风险,需从“源头-预警-扑灭”多维度,开展一系列的火灾防控技术研究。源头方面,围绕火灾发生需满足的点火源、燃料、氧化剂三要素,提炼对电池火灾风险影响大的基本事件(电极材料易分解、电解液易燃等),开展有针对性的高熔点SEI膜、难燃电解液等研究,提高电池的本质安全。预警方面,收集电池火灾发生前的烟气,电池表面温度、电压、电流等数据,采用大数据技术,提取电池火灾的关联特征量,力求早发现、早处理,避免事故发生或扩大。扑灭方面,现有实验虽已证明七氟丙烷对单体电池和电池簇具有灭火效果,但在已发生的锂电池预制舱火灾事故中,七氟丙烷并未扑灭火灾,最终采用大量水扑灭。开展大容量锂电池火灾灭火剂的有效性及边界条件研究,可缩短火灾时间,降低火灾损失。

3.2、建立电池储能电站分层联动应急机制

为减少电池储能电站事故损失,需制定储能电站分层联动应急机制。分层方面,针对各类型安全事故,依据事故特性,划分事故等级,有针对性地制定各等级事故应急预案,提高预案的准确性和科学性,降低事故损失。联动方面,火灾爆炸等极端事故一旦发生,会造成严重的经济损失,并会在一定程度上影响社会秩序和污染自然环境,因此有必要针对极端事故,制定涉及电力、公安、消防、环保、医院、宣传等多部门联动的事故应急预案,降低事故社会影响,减少环境污染。此外,需建立事故追查制度,查明事故原因,厘清事故责任,及时开展事故追责和财产损失赔偿工作。

3.3、制定电池储能电站安全技术标准

为更好地引导电池储能行业持续健康发展,及时总结储能发展领先地区的先进经验,需尽快制定电池储能电站安全技术标准,明确设备要求、消防配置、运维检修规程等。鉴于电池储能运行特性与储能技术类型、应用场景等因素密切相关,在安全技术标准中,宜既有共性储能标准,也有不同技术类型和应用场景下的个性储能标准。

4、结论

首先,从主要技术类型、典型应用场景、储能系统组成、储能电站火灾事故统计等方面综述了电池储能电站发展现状;然后,对电池储能电站的五大安全风险因素(包含火灾、爆炸、中毒、触电、灼烫等)进行分析;最后,提出了开展锂电池火灾多维防控技术研究、建立电池储能电站分层联动应急机制、制定电池储能电站安全技术标准等建议,以期为电池储能电站的持续健康发展提供有益参考。

关键字:储能电站

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