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快速增长的背景下,电化学储能的产品及设计规范不容忽视

作者:中国储能网新闻中心 来源:智见能源 发布时间:2021-04-19 浏览:次
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一、前言:北京国轩福威斯光储充爆炸事故

2021年4月16日12时17分,北京市119指挥中心接报丰台区南四环永外大红门西马厂甲14号院内储能电站起火的警情,调派15个消防站47辆消防车235名指战员到场处置。14时15分许,在对电站南区进行处置过程中,电站北区在毫无征兆的情况下突发爆炸,导致2名消防员牺牲,1名消防员受伤(伤情稳定),电站内1名员工失联。经调查了解,起火现场为北京国轩福威斯光储充技术有限公司的储能电站。事发前,该电站正在进行施工调试。

参阅之前有关本工程项目的报道,该项目采用了福威斯自主研发的“直流光储充一体化电站”和“直流四象限模块”等全新专利产品技术,依托业内顶级产品研发团队,和北京国轩福威斯光储充技术有限公司的工程技术团队,对储能充电产品的绝缘、散热、产品保温等方面进行了高标准的设计、制造和施工,并在光储充微电网调度、负荷需求管理等方面做了科学合理的规划,使整个电站具备无人值守、智能化运行管理模式,所有设备均可云端远程诊断与维护。

项目于2018年4月份在丰台区发改委备案,包括25MWh的国轩高科磷酸铁锂电池储能,一期1.4MW的屋顶光伏,和94个车位的单枪150KW大功率直流快速充电桩。本项目有效延缓了北京城市电力配网增容10MW,能够满足更多大功率充电桩的建设需求。

该项目在全球范围内创造了四个应用技术第一:用户侧最大规模储能电站、城市中心最大规模充电站、第一个直流光储充一体化项目、第一个区域直流增量配网项目。项目一期日售电能力超过4万度,相当于在城市中心建设完成全新的小型能效电厂,既可以参与绿电消纳和电力需求侧调节,又可以快速推广社会公共产所大功率充电基础设施建设,且不依赖新能源政策补贴具有较好的项目盈利模式,非常适合在城市任何角落进行商业模式推广与复制。

二、中国的新型电力系统需要大量的储能设施

随着全球能源格局正在发生由依赖传统化石能源向追求清洁高效能源的深刻转变,包括中国在内的国家,其能源结构也正经历前所未有的深刻调整。无论是从电力能源总量结构,还是从装机增量结构,以及单位发电成本构成看,清洁能源发展势头迅猛,已成为世界加快能源领域供给侧结构性改革的重要力量。

储能产业和储能技术作为新能源发展的核心支撑,覆盖电源侧、电网侧、用户侧、居民侧以及社会化功能性储能设施等多方面需求。

在落实碳中和目标、保障能源安全、加快推进能源转型的背景下,“十四五”我国可再生能源将快速发展,“双高”(高比例可再生能源、高比例电力电子装备)电力系统特征日趋显著。同时,存量调节资源呈现枯竭化,转动惯量、电力和调峰平衡、频率调节、电压支撑等问题将逐渐凸显,电网安全稳定运行面临重大挑战。为提高电力系统的灵活性,在电源侧和电网侧调节手段均难以满足大规模新能源并网消纳需求的情况下,储能将极具吸引力。

“源、网、荷、储各侧将共同构建未来电力系统灵活调节资源体系,储能作为性能优异的灵活调节资源,将具有广泛的应用前景。”国网能源院新能源研究所专家胡静对记者分析,从发挥作用层面来看,储能可以更有效地满足因新能源大规模接入和用能方式升级带来的系统平衡新需求;从发展前景方面来看,传统的电力系统灵活调节电源具有一定局限性,储能是我国未来提升系统灵活性较为重要和可靠的手段;从发展优先级层面来看,储能属于提升系统灵活性的增量资源,要在充分挖掘存量资源的基础上,进行统筹开发;从发展平台层面来看,需要发挥电网的平台作用,引导电源侧、电网侧、用户侧各侧储能共同发挥作用。

前两年,麦肯锡发布过《电池储存:电力行业的下一个颠覆性技术》的报告,在这篇报告中讨论了随着趋势的发展,储能技术将如何改变电力市场的运营、客户消费和生产电力的方式,以及公用事业和第三方的作用。报告主要针对欧洲和美国的储能发展进行分析,其他国家地区的市场可能会存在更多可能性。

三、高发的锂电池事故及其原因

与其快速增长和装机占比形成鲜明对比的则是接连发生的电动汽车和储能电站的火灾事故。

国外,特斯拉汽车起火事故屡见报道。国内,根据国家市场监督管理总局的数据,2018年至少发生了40起涉及新能源汽车火灾的事故,而这些新能源汽车大多都采用锂离子电池。工信部曾先后印发《关于开展新能源客车安全隐患专项排查工作的通知》、《关于开展新能源乘用车、载货汽车安全隐患专项排查工作的通知》、《关于开展新能源汽车安全隐患排查工作的通知》,要求新能源汽车生产企业开展安全隐患排查,降低事故风险。

2017年8月至2019年5月间,韩国接连发生了23起储能电站火灾事故。韩国政府一度暂停了所有在运的储能电站项目,并成立事故联合调查委员会全面深入调查事故原因。2019年6月,韩国通商产业资源部正式对外公布了事故调查报告,但就韩国媒体以及国内外专家反馈信息来看,该报告并未有足够的说服力,其中最受争议的部分莫过于对电池企业责任的认定。而就在韩国调查报告发布、实施安全防护措施之后的三个月内,韩国又新发生了两起储能电站火灾事故,使本就处于寒冬中的韩国储能行业更加雪上加霜,大型储能电站特别是锂离子电池储能系统安全性的问题再次引起社会关注。

2019年8月,有报道称江苏镇江的用户侧储能项目出现了大量的电池因冒烟而更换的现象。其中镇江扬中某用户侧储能项目,采用的磷酸铁锂电池集装箱安装方式,在8月初起火并烧毁,从图片上看,现场非常惨烈,着火原因目前尚未通报。

锂离子电池在过充过放、过热、机械碰撞等内外部因素的作用下,容易引起电池隔膜崩溃、内部短路,从而导致热失控的发生,这是锂离子电池发生安全问题的本质原因。此外,锂离子电池目前采用的电解液有机溶剂大多属于易燃或可燃液体,这又增加了其发生火灾的隐患。就目前传统的安全消防措施而言,并不能有效抑制锂离子电池的热失控,从而导致初期火灾迅速蔓延,进而演变为大规模火灾。

有储能资深专家表示:储能系统的安全性不在于到底是用磷酸铁锂还是三元或者其他体系,只要是能量,故障了都有起火的可能,关键在于电芯的工艺是否成熟稳定,系统集成的验证是否全面可靠,生产管理是否做到体系化和精细化。这样才能让客户放心,让企业自身安心。

杨裕生院士曾指出安全性是一个事故概率问题。储能系统事故概率与容量成正比,规模大的储能系统危险性大。如果安全因素控制得好,发生危险事故的概率就会降低。随着标准的不断完善,能够从不同层面,帮助储能系统不断降低安全风险,做到安全的相对可控。

四、行业快速发展与标准、规范缺失及不足的矛盾

电化学储能的行业发展太快,产品及工程的标准规范却是滞后。不仅是产品的标准制定滞后,指导储能工程设计的GB 51048-2014《电化学储能电站设计规范》也存在诸多不足,给设计造成了困惑,制约了行业的发展同时,也给工程留下了安全的隐患。

(一)美国的标准情况

为解决安全问题,美国DOE于2014年发布储能安全战略规划,并于2015年成立了储能安全工作组,下设三个工作组,标准工作组便是其中之一,旨在推动和协调NFPA、UL、CSA、ICC、IEEE、DNV GL、FM Global等机构制修订储能安全相关的标准,并提供相关研究基础数据。目前,面向储能系统本体和安装要求的相关标准主要有UL 9540、NFPA 855等,这两项标准已被批准为美国国家标准,UL 9540同时也被批准为加拿大国家标准。

(二)我国的标准制定情况

国内,中电联2014年主编了GB 51048-2014《电化学储能电站设计规范》。全国电力储能标委会成立后,陆续制定发布了GB/T 36558-2018《电力系统电化学储能系统通用技术条件》、GB/T 36276-2018《电力储能用锂离子电池》等国家标准。

(三)电化学储能工程设计规范存在的疑惑与问题

1、《电化学储能电站设计规范》对储能系统的配置未能作详细的要求与规定;

储能系统是由电池,PCS,升压变,网环柜,保护监控,柜体及辅助系统构成的复杂电化学转换系统,在GB51048-2014《电化学储能电站设计规范》中对系统的各个组成部分的配置、选择与校验未作出明确的要求与规定,要求过于原则。把这一块系统性的工作全部甩给电池的集成厂商去做,有些不合适宜,这样可能会给系统的冗余与安全会造成影响,也给设计人员对储能系统的配置上是否合符要求而造成了较大的困惑。

2、《电化学储能电站设计规范》存在着与分布式储能电站不相适应的问题;

GB51048-2014《电化学储能电站设计规范》中对储能站址的选择,是基于新建选址、容量规模大的储能电站。对于城市负荷密度高,采用分布式储能、微电网应用、峰谷电价套利储能电站的选址没有适用性。

未来的双碳目标,储能电站是无处不在,也需要与城市合谐共存,城市寸土寸金,如果储能电站采用《规范》中选址要求显然是行不通的,比较现实的选址与布置方式就是采用现有建构筑物进行改造,或者采用集装箱布置在室外,离负荷较近的地方。

锂电池能否布置在城市的大型建筑物中,或者布置在地下?是需要规程规范采用一定的要求与标准去明确的问题。

3、锂电池是否易爆品?工程设计中应如何处理其与建筑及消防的问题;

锂电池,以磷酸铁锂电池为例,电池的产品说明中只是指出了锂电池可能的危险源提示,比如在密闭的空间中,可能会出现气体爆炸的风险。检测报告及试验报告明确,在各种工况与环境下,例如过充、挤压、短路、加热、海水浸泡等情况下,电池都不会发生爆炸与起火的情况。我们根据厂家提供的报告及生活常识可以判断,锂电池不是易爆品,但它在一定的外部环境或工况条件下,可能会诱发爆炸与起火的风险,具有一定的危险概率。

美国的储能安全专家、储能系统技术委员会主席James Biggins是这样定义的:所以在过去的几年,我们针对锂离子电池,尤其是在电信行业和储能系统的大规模应用就做了很多关于有害物质和气体的研究,其中还有一个问题,现在虽然有法规,但是不同辖区的消防人员都尽量的是把锂离子电池里面的物质当成是有害的、可燃烧的液体,而且大家都知道,在电池组里面可能有好几个电池的叠加,他们就会认为这里面有可以燃烧的有害液体,所以需要做监管。

4、消防部门针对储能工程是需要出具消防评审及验收的意见?

以我们团队做过的一个储能项目为例,当时应业主的要求,将储能电池布置在地下车库,在可行性研究评审时,请来了消防大队的消防专家。专家没有因为地下车库布置锂电池储能是新生事物而一票否决,提出了“对于本工程使用的磷酸铁锂电池的电解液成分尚不了解,储能电池厂家应该提供相关论述。”电池厂家充分说明论证并提交给消防大队相关文件予以说明情况,同时,消防专家也提出了对地下车库布置锂电池储能间是否需要参照引用汽车库、修车库、停车场的相关规范提出了自己的看法。

在完成上述技术与安全论证工作之后,根据《XXX市办理建设工程消防验收、竣工验收消防备案申报手续》的规定,“依法不需要取得施工许可证或建筑面积小于300平方米的改建建设工程,不再办理”,本工程在建筑面积及投资额度都依法可免予办理。

5、是否需要第三方安全评价?

锂电池,布置在地下车库的锂电储能电站,是否有较大的安全风险?根据《安全生产法》第二十五条:矿山建设项目和用于生产、储存危险物品的建设项目,应当分别按照国家有关规定进行安全条件论证和安全评价。

锂电池储能间是否属于储存危险物品的界定。《安全生产法》第七章《附则》第九十六条,“危险物品,是指易燃易爆物品、危险化学品、放射性物品等能够危及人身安全和财产安全的物品。”

如果锂电池不是危险物品,不需要进行安全评价。如果锂电池是危险品,则需要第三方进行安全评价。

五、结论语

目前,在基础研究没有取得更进一步的突破前,储能系统可以通过综合措施来降低风险概率,加强锂离子电池储能系统的安全。一方面,做好系统设计,采用符合电力储能特定要求的系统、零部件,以确保储能本体的安全。另一方面,要做好监控预警、建筑消防设计以及防护措施,搭建储能系统的另一道屏障。针对锂离子电池火灾特性,要能够做到分级预警和处理措施,建立相应的安全防线:首先,要能快速定位预警电池隐患;其次,在电池热失控初期能够及时介入,防止热失控蔓延;最后,在火灾无法控制之时,能有最后的外部消防措施,保证火灾不对外界产生影响。

作为新兴产业,储能在发展进程中肯定会遇到诸多问题。面对事故,我们需要做到的是,不要恐慌,也不要遮掩,而是要充分进行事故调查和原因分析,并从中总结经验教训。只有整个行业和产业链上下游通力合作,才有可能解决安全隐患问题,储能才能得到更广泛的应用和发展,储能行业才会拥有更加美好的未来。

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