公開披露的儲(chǔ)能電站起火事故中，2020年前絕大部分為三元鋰電池，約占80%以上，主要發(fā)生在韓國(guó)、美國(guó)等。近幾年，隨著磷酸鐵鋰電池被廣泛采用，磷酸鐵鋰儲(chǔ)能系統(tǒng)起火事故的比例在不斷增加。
2022年以來，國(guó)內(nèi)新增投運(yùn)新型儲(chǔ)能項(xiàng)目中百兆瓦級(jí)成為常態(tài)，甚至吉瓦級(jí)項(xiàng)目也有規(guī)劃，裝機(jī)量高速增長(zhǎng)的同時(shí)，儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)正面臨前所未有的安全與消防壓力。
形勢(shì)嚴(yán)峻
在海外，韓國(guó)曾在2018年電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模躍居全球榜首，但2017.08~2019.05期間，韓國(guó)1000余座電化學(xué)儲(chǔ)能電站發(fā)生火災(zāi)23起，每座年發(fā)生火災(zāi)概率約達(dá)1.5%。LG化學(xué)公司、三星SDI公司和LS工業(yè)系統(tǒng)公司等儲(chǔ)能企業(yè)由于政府多次推遲公布火災(zāi)原因而陷入經(jīng)營(yíng)危機(jī)，產(chǎn)業(yè)受到了致命的打擊。
美國(guó)近幾年電化學(xué)儲(chǔ)能電站火災(zāi)頻繁發(fā)生，2022年4月亞利桑那州總?cè)萘?0MW/40MWh儲(chǔ)能電站發(fā)生火災(zāi)，持續(xù)悶燒5天無法滅火。2021年7月，澳大利亞最大儲(chǔ)能電站發(fā)生火災(zāi).....
在國(guó)內(nèi)，2017年山西某火力發(fā)電廠儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)生大火持續(xù)7小時(shí)(發(fā)電側(cè));2018年8月，總投資約1.9億元的鎮(zhèn)江揚(yáng)中某儲(chǔ)能電站的電池集裝箱起火并燒毀(電網(wǎng)側(cè));2019年5月，北京某酒店的用戶側(cè)儲(chǔ)能項(xiàng)目發(fā)生火災(zāi);2021年4月，北京集美大紅門25MWh電站火災(zāi)導(dǎo)致2名消防員犧牲，1名員工失聯(lián)，1名消防員受傷(光儲(chǔ)充一體綜合);2022年，江西、海南等儲(chǔ)能電站相繼火災(zāi).....
可以看到，消防安全問題已成為儲(chǔ)能規(guī)模化發(fā)展“掣肘”，只有解決安全問題，儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)才能走向健康發(fā)展。
據(jù)了解，火災(zāi)多數(shù)發(fā)生在調(diào)試階段、充電中或充電后休止中，此時(shí)電池電壓高，活性大串并聯(lián)電池簇間形成環(huán)流，加上鋰離子電池?zé)崾Э剡^程中產(chǎn)生大量的氫氣、一氧化碳、甲烷等易燃易爆氣體，除火災(zāi)外，儲(chǔ)能電池?zé)崾Э剡€伴隨產(chǎn)氣及燃爆危害。
LFP電池隨著SOC(荷電狀態(tài))的增加，熱失控H2、CH4、C2H4、CO的產(chǎn)量逐漸增加、CO2的產(chǎn)量減少。在0%-50% S0C階段，H2和CO2的變化趨勢(shì)明顯，CH4、C2H4、CO變化不是很顯著;500%-100% S0C階段，產(chǎn)氣成分差距不大。LFP電池在50% S0C時(shí)就已經(jīng)產(chǎn)生很多可燃?xì)怏w。
本征時(shí)序決定最高溫度，小電芯正負(fù)極反應(yīng)分開，熱失控最高溫度在400~500°C，大電芯傳熱效應(yīng)疊加提高溫度，正極釋氧分解參與反應(yīng)，熱失控最高溫度達(dá)700~900°C。針對(duì)320Ah LFP電池單體的側(cè)向加熱實(shí)驗(yàn)顯示，電池內(nèi)部溫度超過823.5°C時(shí)，超過磷酸鐵鋰正極分解溫度，產(chǎn)生大量可燃電解液蒸汽。
在儲(chǔ)能電站向大容量方向發(fā)展的同時(shí)，儲(chǔ)能安全與消防方面也將面臨更為嚴(yán)峻的考驗(yàn)，行業(yè)呼喚“儲(chǔ)能級(jí)”、“核電級(jí)”安全標(biāo)準(zhǔn)。
新標(biāo)準(zhǔn)呼之欲出
儲(chǔ)能電站安全面臨的首要問題是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范嚴(yán)重滯后于產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在儲(chǔ)能行業(yè)日新月異的今天，市場(chǎng)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在了政策的前面。
當(dāng)下儲(chǔ)能電站的設(shè)計(jì)建設(shè)工作主要由國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)《電化學(xué)儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB51048-2014)進(jìn)行相關(guān)技術(shù)指標(biāo)指導(dǎo)，該標(biāo)準(zhǔn)制定于2014年，當(dāng)時(shí)把儲(chǔ)能電站當(dāng)作建筑來看待。但眾所周知，儲(chǔ)能電站的火災(zāi)與建筑火災(zāi)的危害等級(jí)、防治措施等完全不同。
值得慶幸的是，產(chǎn)業(yè)界與學(xué)術(shù)界已經(jīng)意識(shí)到制定儲(chǔ)能行業(yè)新標(biāo)準(zhǔn)的緊迫性。
對(duì)于儲(chǔ)能安全風(fēng)險(xiǎn)，《“十四五”國(guó)家安全生產(chǎn)規(guī)劃》中強(qiáng)調(diào)，要嚴(yán)密防控電化學(xué)儲(chǔ)能電站等新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)?！秶?guó)家能源局綜合司關(guān)于加強(qiáng)電化學(xué)儲(chǔ)能電站安全管理的通知》中將項(xiàng)目法人列為安全運(yùn)行責(zé)任主體，從規(guī)劃設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、施工驗(yàn)收、并網(wǎng)驗(yàn)收、運(yùn)行維護(hù)、應(yīng)急消防處置能力提出安全管理要求。
2022年12月30日，《電化學(xué)儲(chǔ)能電站安全規(guī)程》發(fā)布，將于2023年7月1日起實(shí)施，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電化學(xué)儲(chǔ)能電站設(shè)備設(shè)施安全技術(shù)要求運(yùn)行、維護(hù)、檢修、試驗(yàn)等方面的安全要求，涉及儲(chǔ)能電池、BMS、PCS監(jiān)控、消防等各類設(shè)備的檢修規(guī)定。
2023年2月22日，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)、國(guó)家能源局發(fā)布《新型儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》的通知，共出臺(tái)205項(xiàng)新型儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)。通知提到，2023年將制修訂100項(xiàng)以上新型儲(chǔ)能重點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)，加快制修訂設(shè)計(jì)規(guī)范、安全規(guī)程、施工及驗(yàn)收等儲(chǔ)能電站標(biāo)準(zhǔn)，開展儲(chǔ)能電站安全標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)急管理、消防等標(biāo)準(zhǔn)預(yù)研，盡快建立完善安全標(biāo)準(zhǔn)體系。
2023年3月17日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、歐盟科學(xué)院院士孫金華表示，“《電化學(xué)儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)規(guī)范》已修訂了很長(zhǎng)時(shí)間，去年也反復(fù)多輪征求大家意見。最近，這個(gè)新規(guī)范將會(huì)發(fā)布。”
新技術(shù)百舸爭(zhēng)流
儲(chǔ)能電站事故頻發(fā)催生儲(chǔ)能消防需求，據(jù)預(yù)計(jì)，國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能消防市場(chǎng)空間正邁向百億級(jí)。
消防方面，以前投運(yùn)的三元儲(chǔ)能電站、梯次儲(chǔ)能電站、多年運(yùn)行老化儲(chǔ)能電站消防安全有待加強(qiáng)，新建儲(chǔ)能電站向大容量演進(jìn)也對(duì)安全要求大幅提升。隨著新標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，業(yè)內(nèi)對(duì)儲(chǔ)能電站的安全要求只會(huì)越來越嚴(yán)，重價(jià)不重質(zhì)的企業(yè)將會(huì)被無情淘汰。
在此背景下，鋰電池本征安全提升、儲(chǔ)能場(chǎng)所安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、火災(zāi)防控與滅火技術(shù)研發(fā)等成為業(yè)內(nèi)研究熱點(diǎn)。
儲(chǔ)能電站火災(zāi)安全面臨標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范嚴(yán)重滯后于儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電池故障隱患與熱失控精準(zhǔn)預(yù)警技術(shù)缺乏，儲(chǔ)能電站的高效滅火技術(shù)尚不成熟，協(xié)同一體化安防技術(shù)與智能管理系統(tǒng)缺乏等問題。
較早期的儲(chǔ)能電站采用的滅火技術(shù)主要有七氟丙烷滅火系統(tǒng)、氣溶膠滅火系統(tǒng)、水系滅火系統(tǒng)等。近幾年，儲(chǔ)能電站火災(zāi)安全技術(shù)在包括電池?zé)崾Э仡A(yù)警技術(shù)、全氟己酮滅火系統(tǒng)、液氮滅火抑爆技術(shù)、電池模組熱管理與熱失控阻隔耦合技術(shù)、浸沒式液冷熱/安全管理技術(shù)等方面取得了進(jìn)展。
具體來看，干粉滅火劑及氣體滅火劑降溫效果較差，并不能阻止電池的熱失控。
水系統(tǒng)滅火對(duì)單體電芯、輸出電壓較低的模組而言，其滅火性能以及冷卻效果均較好，但對(duì)儲(chǔ)能電站等輸出電壓很高的情況，會(huì)造成系統(tǒng)短路誘發(fā)二次火災(zāi)，電池整體報(bào)廢。
七氟丙烷滅火技術(shù)雖然滅火效果好，但對(duì)電池降溫效果差。電池溫度會(huì)再次升高從而發(fā)生二次復(fù)燃。此外，根據(jù)《蒙特利爾議定書》要求，七氟丙烷將于2024年開始逐步被限制使用。
全氟己酮可快速撲滅明火，具有一定的冷卻效能，但若不能保持一定滅火劑濃度和足夠的浸漬時(shí)間，無法抑制磷酸鐵鋰電池的熱失控。
液氮滅火抑爆技術(shù)可在極端條件下快速響應(yīng)滅火。實(shí)驗(yàn)表明，液氮能夠在5S內(nèi)撲滅電池模組火災(zāi)，并在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)降溫，防止火災(zāi)擴(kuò)散。不過液氮滅火中注氮時(shí)機(jī)、注氮方式、注氮量、注氮管徑等抑滅效果影響較大，且需兼顧安全性與經(jīng)濟(jì)性。
電池?zé)崾Э仡A(yù)警技術(shù)主要針對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э仡A(yù)警問題，大量研究從電池溫度以及實(shí)時(shí)檢測(cè)電池產(chǎn)生的特征氣體(CO2、CO、H2、C2H4、CH4、C2H6等)等方面提出了不同的方案。通常項(xiàng)目中會(huì)配備氣體、煙感、溫感探測(cè)器實(shí)現(xiàn)熱失控和火災(zāi)預(yù)警，此外還配備攝像頭來輔助判斷安全狀況。不過，預(yù)警探測(cè)的及時(shí)性、準(zhǔn)確率仍有待提升。
浸沒式液冷熱/安全管理技術(shù)可提高散熱效率，防止電池溫升提升系統(tǒng)安全性均衡電池溫度，延長(zhǎng)壽命，但建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)成本、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行冷卻液更換頻率等方面仍有待研究。3月6日，全球首個(gè)浸沒式液冷儲(chǔ)能電站——南方電網(wǎng)梅州寶湖儲(chǔ)能電站在梅州五華已正式投入運(yùn)行。
模塊級(jí)滅火方案以電池模塊為單位，配置可燃?xì)怏w探測(cè)器和滅火介質(zhì)噴頭。通過可燃?xì)怏w探測(cè)器、溫度傳感器結(jié)合電池管理系統(tǒng)識(shí)別電池的早期熱失控狀態(tài)，在單體電池?zé)崾Э睾螅ㄟ^電池模塊配置的滅火介質(zhì)噴頭噴灑滅火介質(zhì)，阻止火災(zāi)的蔓延。
可以看到，在政策與技術(shù)以及大眾認(rèn)知層面，儲(chǔ)能安全與消防取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，為儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展保駕護(hù)航。
