隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)的全面推開，“十四五”期間，我國新能源裝機容量將迎來新一輪的高速增長，但其波動性、間歇性和隨機性等特點，也給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定帶來一定挑戰(zhàn)。因此，近年來，可以在電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、配、用各個環(huán)節(jié)都發(fā)揮巨大作用的儲能電池開始嶄露頭角，并逐漸成為新型電力系統(tǒng)的標配，我國也迎來了一波儲能行業(yè)發(fā)展的高潮。
據(jù)中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計，截至2020年年底，我國已投運的新型電力儲能累計裝機容量達到3.28吉瓦。今年7月23日，國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布的《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)意見》中提出，計劃到2025年，實現(xiàn)新型儲能從商業(yè)化初期向規(guī)模化發(fā)展轉(zhuǎn)變，新型儲能裝機容量達3000萬千瓦以上。
然而，儲能行業(yè)蓬勃發(fā)展的背后，儲能安全問題頻頻見諸報端。
今年4月16日，北京國軒福威斯“光儲充”一體電站發(fā)生爆炸事故，導(dǎo)致2名消防員犧牲。7月30日，位于澳大利亞維多利亞州，特斯拉旗下最大的儲能電站發(fā)生火災(zāi)，這座擁有13噸鋰電池組的儲能電站整整燃燒了三天，火勢才被控制下來。
據(jù)不完全統(tǒng)計，近五年內(nèi)，全球僅儲能電站的火災(zāi)事故就有40余起。在用戶側(cè)，移動儲能電池也是自燃事件頻發(fā)。
今年5月，成都市成華區(qū)一小區(qū)電梯內(nèi)，一輛電動自行車突然起火燃爆，電梯內(nèi)多人受傷，包括一名嬰兒。隨后，多個小區(qū)貼出電動自行車禁止“上樓”的通知。汽車方面，近年來，通用、奧迪、現(xiàn)代等品牌旗下的電動汽車，因潛在電池起火風(fēng)險而被召回的案例也不在少數(shù)。安全，成為儲能行業(yè)發(fā)展的“生命不能承受之痛”。
中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會秘書長劉彥龍曾表示，安全是發(fā)展的前提，儲能行業(yè)必須牢牢守住安全發(fā)展這條底線。
那么，儲能如何邁過“安全”這道坎兒？
誰點燃了導(dǎo)火索？
儲能安全是一個系統(tǒng)性問題，盡管導(dǎo)致儲能安全事故的誘因眾多，如電池管理系統(tǒng)、電纜線束、系統(tǒng)電氣拓撲結(jié)構(gòu)、預(yù)警監(jiān)控消防系統(tǒng)、運行環(huán)境、安全管理等因素，但業(yè)內(nèi)專家普遍認為，引發(fā)儲能安全事故的首要原因還是電池自身的問題。
目前，我國商業(yè)運營的電化學(xué)儲能電站中，電池種類以三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池和鉛酸電池為主。三者相比，鋰離子電池中鈷酸鋰能量密度高、價格貴、安全性差；錳酸鋰、磷酸鐵鋰能量密度較低、安全性高；鉛酸電池性能穩(wěn)定、安全耐用、價格便宜、易回收，但循環(huán)壽命短；三元鋰電池能量密度高、但安全性弱。綜合各項數(shù)據(jù)來看，磷酸鐵鋰電池相對更優(yōu)，是當前我國儲能電池推廣應(yīng)用的主流技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計，目前國內(nèi)投運的電化學(xué)儲能電站中，88.8%的電池為鋰離子電池，其中95%以上為磷酸鐵鋰電池。
不過，即使是安全性能最好的磷酸鐵鋰電池，也無法完全避免短路的風(fēng)險。
中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會秘書長劉勇表示，短路是儲能電池安全的“頭號殺手”，電化學(xué)儲能電站電池具有串并聯(lián)數(shù)量多、規(guī)模大、運行功率大等特點，一旦發(fā)生短路，將會導(dǎo)致發(fā)生熱失控，從而引起火災(zāi)。
“一般而言，短路可由內(nèi)外兩種因素引起。從內(nèi)部來看，電池在制造過程中，電芯內(nèi)部在生產(chǎn)制造上可能存在缺陷或隱患，或者電池在長期使用過程中，由于充放電制度和環(huán)境等因素造成電池老化，電芯內(nèi)部產(chǎn)生了枝晶鋰，觸發(fā)電池內(nèi)短路。從外部來看，電池的外部撞擊和泡水等因素也可導(dǎo)致電池受損，進而導(dǎo)致短路。”劉勇告訴記者。
國網(wǎng)江蘇經(jīng)研院儲能安防研究員吳靜云同樣認為，儲能電站火災(zāi)事故的源頭大概率源于短路。“總體來看，電池?zé)崾Э氐恼T因可分為機械濫用、電濫用及熱濫用。機械濫用在移動汽車上較為常見；熱濫用往往發(fā)生在連鎖熱失控階段；對儲能電站而言，大規(guī)模電池的充放為主要工況，使用頻率最高，最容易引起電濫用。”
以北京國軒福威斯“光儲充”一體電站爆炸事故為例，中國電力科學(xué)研究院有限公司儲能與電工新技術(shù)研究所的分析報告顯示：傳統(tǒng)電動汽車充電站中，充電樁輸入的是交流電，而新能源車的大功率充電使用直流電，需配備一圈交流轉(zhuǎn)換直流的設(shè)備。但該儲能電站考慮電池級聯(lián)輸出本身為直流電的特性，去除了相應(yīng)的“交轉(zhuǎn)直”“直轉(zhuǎn)交” 的變電設(shè)備，電池直接串聯(lián)至750伏，經(jīng)過多機并聯(lián)，使得每個充電樁都可以達到150千瓦功率、250安電流和750伏電壓，相應(yīng)參數(shù)對應(yīng)國標充電樁輸出標準最高值。該設(shè)計雖然突破了現(xiàn)有設(shè)備的尺寸及性能限制，但對電池簇間的均流能力及直流開關(guān)設(shè)備的開斷能力提出了更高的要求。
報告顯示，“電站北區(qū)在毫無征兆的情況下突發(fā)爆炸”，是因電池在內(nèi)外部激源的影響下，超出其安全技術(shù)承受能力，電池遭遇極端濫用條件，誘發(fā)了熱失控。
吳靜云指出，目前，用于避免電池濫用的電池管理系統(tǒng)等電氣保護裝置尚存在一些問題有待改進。
“一是監(jiān)測大規(guī)模串并聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)的電池時，系統(tǒng)監(jiān)測的管理精度無法到達每個電池電芯，相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)只是節(jié)點和等效電路的參數(shù)。也就是說，電芯可能異常，但監(jiān)測數(shù)據(jù)正常；二是電芯溫度監(jiān)測深度不足。目前電池模組通常由12～96個電芯組成，普通配置2～4個溫度監(jiān)測點，無法覆蓋全部電芯，難以及時發(fā)現(xiàn)溫度異常。三是電池管理系統(tǒng)存在信號干擾、遺失、誤差等場景。
如何有效防范？
如果說儲能電池自身的瑕疵和老化所引起的安全事故在當下很難避免，那么在電化學(xué)儲能電站事故發(fā)生前的前期設(shè)計、現(xiàn)場施工、監(jiān)控預(yù)警，以及火災(zāi)發(fā)生時的消防和應(yīng)急管理方面如何做，才能及時止損并避免二次傷害發(fā)生？劉勇認為，目前我國已建和在建的大部分電化學(xué)儲能電站仍沿用傳統(tǒng)的報警和防護技術(shù)，缺乏針對性保護技術(shù)方案。他指出應(yīng)從本體安全、主動安全、被動防御安全三個層面做好儲能電站安全體系維護。
“在本體安全方面要做好儲能電池內(nèi)部的安全設(shè)計和新材料體系應(yīng)用；在主動安全方面要結(jié)合人工智能與系統(tǒng)軟件技術(shù)，通過對儲能電池從電芯到PACK演化過程進行分析、監(jiān)測和評估，做好系統(tǒng)安全狀態(tài)的早期預(yù)警，避免發(fā)展到熱失控階段；在被動防御安全方面要通過消防報警控制主機、火災(zāi)探測控制器、滅火裝置、消防管道器材、聲光報 警器、防爆全自動開關(guān)、UPS后備電源、應(yīng)急外部接口等自動化設(shè)備，有效干預(yù)熱失控蔓延。”劉勇說。
除上述問題，目前的電化學(xué)儲能電站在運維管理方面也存在不少隱患。
吳靜云指出，儲能運維檢修人員專業(yè)技能不足，現(xiàn)場作業(yè)安全管理措施不到位，應(yīng)急處置能力欠缺，都極易造成事故隱患，加大電站安全風(fēng)險。
為此，自20 1 8年以來，國網(wǎng)江蘇省電力有限公司從規(guī)劃、設(shè)計、設(shè)備、運行等方面對電化學(xué)儲能開展了系統(tǒng)性研究，形成了儲能電站全過程建設(shè)運維管理的“江蘇經(jīng)驗”。
吳靜云告訴記者，“江蘇經(jīng)驗” 的運維管理邏輯分為三層：第一層從正常運行狀態(tài)預(yù)測，提前發(fā)現(xiàn)異常電池，排除發(fā)生事故隱患；第二層是電池故障異常時通過氣體探測技術(shù)及時發(fā)現(xiàn)，較煙感、溫感提前10分鐘以上發(fā)現(xiàn)故障，采用聯(lián)動技術(shù)及時切斷電源，阻斷電池?zé)崾Э丶捌滏準椒磻?yīng)；第三層是采用防爆泄壓設(shè)計防范爆燃爆炸事故發(fā)生及次生災(zāi)害，上下設(shè)計防爆風(fēng)機2個，通風(fēng)量每分鐘1個艙體容積，最大限度避免爆燃爆炸事故發(fā)生、減少財產(chǎn)損失，降低社會影響。
一直以來，儲能產(chǎn)業(yè)的相關(guān)安全標準的缺位，也是儲能安全事件頻發(fā)的原因之一。
堵不如疏。近期，有關(guān)部委先后出臺了多項關(guān)于儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術(shù)應(yīng)用的支持政策，特別是涉及安全方面的相關(guān)政策正在抓緊完善。
2021年8月，國家發(fā)展改革委、國家能源局組織起草了《電化學(xué)儲能電站安全管理暫行辦法(征求意見稿)》，其中明確要求，建設(shè)單位在項目設(shè)計時應(yīng)綜合研判儲能系統(tǒng)和儲能場所安全風(fēng)險，禁止在人員密集場所、高層建筑內(nèi)、地下建筑、易燃易爆場所部署儲能電站。合理進行防火設(shè)計，明確電池室等部位的最大容量、防火分隔、防爆泄壓、防火封堵等要求，配置可靠消防設(shè)施，最大限度降低風(fēng)險。能源管理部門應(yīng)加強電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)儲能電站運行維護安全管理，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)主管部門應(yīng)加強用戶側(cè)儲能電站運行維護安全管理，組織制定儲能電站的運行安全監(jiān)管制度，完善儲能電站運行檢修標準和安全操作規(guī)程。
劉勇強調(diào)，儲能電站的安全必須進行全生命周期內(nèi)各環(huán)節(jié)過程管理， 保證對儲能電站電池電解液泄漏、熱失控工作狀態(tài)等進行全方位監(jiān)控，并實現(xiàn)本地和遠端后臺系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲， 為電站運行狀態(tài)和事故隱患分析提供大數(shù)據(jù)支撐。
安全無小事，儲能電池的安全， 不僅關(guān)乎儲能行業(yè)的健康發(fā)展，未來，其更是以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的保障。
