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電池儲能電站安全問題分析與對策

作者:中國儲能網新聞中心 來源:電動學堂 發布時間:2020-11-17 瀏覽:
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引言

隨著電池儲能電站的不斷投運,其安全問題逐漸突顯。自2018年以來,韓國儲能行業發生了23起嚴重火災,我國儲能行業也在2017年以后發生了多起火災,例如山西某電廠自動發電控制(automaticgenerationcontrol,AGC)調頻項目和江蘇揚中某用戶側儲能項目中所發生的火災。因此,開展電池儲能電站安全問題研究對于促進電池儲能電站的持續、健康發展具有重要現實意義。

1、電池儲能發展現狀

電池儲能由眾多電化學單元經串并聯構成,各單元通過正負極的氧化還原反應充放電,實現電能和化學能的相互轉化。電池儲能電站的特點為:可根據不同應用需求靈活配置功率和容量,充放電迅速,選址受地理條件限制少,適宜大規模應用和批量化生產。

目前,電池儲能技術類型多樣,主要包括鋰電池、液流電池、鈉硫電池、鉛酸電池等。上述類型電池的技術指標各異,對比分析可參見文獻。

電池儲能電站可靈活配置在電力系統的電源側、電網側、負荷側,滿足差異化儲能應用需求,不同配置位置電池儲能的典型應用場景見表1。            

電池儲能雖然應用場景多樣,但均主要包含電池、變電、土建三部分。電池部分包括單體電池經串并聯構成電池模塊、熱管理系統、電池管理系統、雙向變流器、能量管理系統等。變電部分包括電氣一次部分(變壓器、出線等)和二次部分(中央控制系統、消防系統等)。土建部分包括電氣電池室或室外電池組基礎及廠區相關工程。火災事故是電池儲能電站的一類極端且有代表性的安全事故,具有破壞性強、經濟損失大、社會關注度高等特點。表2給出了近年來已公布的電池儲能電站火災事故統計信息。

由表2可知,從火災地點來看,電池儲能電站火災事故主要集中在韓國,而美國、日本和中國也均已發生電站火災事故。從儲能類型來看,電池儲能技術類型主要為鋰電池。這一方面是由于鋰電池在各類型電池中裝機容量占比最大;另一方面,是因為鋰電池內部存在較多放熱反應,在一定條件下易發生熱失控。

2、電池儲能電站安全風險因素

電池儲能電站安全風險因素主要包括火災、爆炸、中毒、觸電、灼燙等。其中,火災風險尤為突出。

2.1、火災

火災風險不僅包括傳統的變壓器火災、電纜火災等,還包括電池火災。相較液流電池、鉛酸電池等水系電池,有機系鋰電池的火災風險較為突出。鋰電池在過充過放、短路、擠壓等濫用條件下,內部發生正負極與電解液反應、電解液分解等一系列放熱反應,引起電池熱失控,從而導致火災的發生。鋰電池火災具有起火速度快、熱分解產物毒性強、滅火困難等特點。

除鋰電池外,鈉硫電池的火災風險也較大。當鈉硫電池運行時,一旦陶瓷電解質破損形成短路,高溫下的液態鈉和硫就會直接接觸,發生劇烈的放熱反應。這種放熱會在瞬間產生2000℃的高溫,相當危險。

2.2、爆炸

爆炸風險主要包括電池本體爆炸和變電設備爆炸兩類。

(1)電池本體爆炸:鋰電池發生熱失控后,會生成大量烷烴類可燃氣體。若儲能裝置布置在室內,當可燃氣體達到一定濃度時,遇明火就會發生爆炸。此外,液流電池、鉛酸電池的水溶液會在過壓電解后析氫爆炸。

(2)變電設備爆炸:儲能系統升壓變壓器若為帶油設備,變壓器內部故障會引起電弧升溫,有燃燒和爆炸的可能。

2.3、中毒

中毒風險主要體現在電池燃燒產生的有毒煙氣以及溶析產生的晶體。

鋰電池燃燒時會產生大量氣體,主要有氫氣、甲烷等可燃氣體以及氯化氫、氟化氫等有毒氣體。有毒氣體會對眼和呼吸道粘膜產生強烈的刺激作用,可引起呼吸道炎癥、肺水腫、潰瘍等。

全釩液流電池會在室內溫度控制不良時發生溶析現象,產生五氧化二釩、三氧化二釩等鹽,其中析出的晶體有劇毒。析出晶體對呼吸系統和皮膚有損害作用,可引起呼吸道炎癥、皮膚劇烈瘙癢、腎損害等。

2.4、觸電

電池儲能系統是一種含高能物質的物件。在它未接通電源或系統關閉時,部分部件仍可能處在帶電狀態。在接觸系統時,若沒有穿戴好相應的防護工器具,極可能發生觸電。

2.5、灼燙

灼燙風險主要來源于具有腐蝕性的電池電解液或電極材料。若電解液輸送管道、儲液罐、電池外殼的材料工藝耐腐蝕性能達不到要求,將導致設備腐蝕;若長期嚴重腐蝕,會使電解液或電極材料發生泄漏事故,例如液流電池的電解液輸送管道、儲液罐等因長期嚴重腐蝕而出現漏液,鈉硫電池的正極活性物質為液態硫和多硫化鈉熔鹽,由于硫具有腐蝕性,電池外殼易發生泄漏。若電站運維人員在正常檢修或事故情況下未穿防護服、未戴防護手套,就可能造成人員灼燙受傷。

3、防范對策

電池儲能電站的安全風險因素多樣,而火災、爆炸等極端事故的發生,會帶來嚴重的財產損失與人員傷亡。科研人員已針對電池儲能安全性問題開展了若干有價值的研究,取得了眾多成果,但仍存在許多不足。后續,仍應做好以下幾方面的工作。

3.1、開展鋰電池火災多維防控技術研究

為降低鋰電池火災風險,需從“源頭-預警-撲滅”多維度,開展一系列的火災防控技術研究。源頭方面,圍繞火災發生需滿足的點火源、燃料、氧化劑三要素,提煉對電池火災風險影響大的基本事件(電極材料易分解、電解液易燃等),開展有針對性的高熔點SEI膜、難燃電解液等研究,提高電池的本質安全。預警方面,收集電池火災發生前的煙氣,電池表面溫度、電壓、電流等數據,采用大數據技術,提取電池火災的關聯特征量,力求早發現、早處理,避免事故發生或擴大。撲滅方面,現有實驗雖已證明七氟丙烷對單體電池和電池簇具有滅火效果,但在已發生的鋰電池預制艙火災事故中,七氟丙烷并未撲滅火災,最終采用大量水撲滅。開展大容量鋰電池火災滅火劑的有效性及邊界條件研究,可縮短火災時間,降低火災損失。

3.2、建立電池儲能電站分層聯動應急機制

為減少電池儲能電站事故損失,需制定儲能電站分層聯動應急機制。分層方面,針對各類型安全事故,依據事故特性,劃分事故等級,有針對性地制定各等級事故應急預案,提高預案的準確性和科學性,降低事故損失。聯動方面,火災爆炸等極端事故一旦發生,會造成嚴重的經濟損失,并會在一定程度上影響社會秩序和污染自然環境,因此有必要針對極端事故,制定涉及電力、公安、消防、環保、醫院、宣傳等多部門聯動的事故應急預案,降低事故社會影響,減少環境污染。此外,需建立事故追查制度,查明事故原因,厘清事故責任,及時開展事故追責和財產損失賠償工作。

3.3、制定電池儲能電站安全技術標準

為更好地引導電池儲能行業持續健康發展,及時總結儲能發展領先地區的先進經驗,需盡快制定電池儲能電站安全技術標準,明確設備要求、消防配置、運維檢修規程等。鑒于電池儲能運行特性與儲能技術類型、應用場景等因素密切相關,在安全技術標準中,宜既有共性儲能標準,也有不同技術類型和應用場景下的個性儲能標準。

4、結論

首先,從主要技術類型、典型應用場景、儲能系統組成、儲能電站火災事故統計等方面綜述了電池儲能電站發展現狀;然后,對電池儲能電站的五大安全風險因素(包含火災、爆炸、中毒、觸電、灼燙等)進行分析;最后,提出了開展鋰電池火災多維防控技術研究、建立電池儲能電站分層聯動應急機制、制定電池儲能電站安全技術標準等建議,以期為電池儲能電站的持續健康發展提供有益參考。

關鍵字:儲能電站

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