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中國電科院首席專家惠東:電力儲能中的安全問題及應對技術
日期:2019-05-20   [復制鏈接]
責任編輯:chengling 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]
 編者按:中國電科院首席專家 惠東表示:恰恰出現大量的儲能電站事故基本都是三元電池,某國1000多個儲能電站,從去年到今年發生26起還是28起,其中10兆瓦以上儲能電站有20個,毫無例外的都是三元型電池。是不是磷酸鐵鋰很安全?這些指標磷酸鐵鋰比三元指標性能優得多,正極材料是一部分,理論上磷酸鐵鋰也不是絕對安全,只能是相對安全。

東西還沒有徹底出來,實際上我們安全相關的檢測性工作開展得不是特別足,我今天想發言的題目是:電力儲能中的安全問題及應對技術。

四方面,一是電力儲能的安全問題。

電力儲能安全問題有很多,今天會把話題變得更窄一些,儲能安全可能有電氣安全、化學安全、機械安全,說得更窄一些,跟火災或失火相關的安全。大家看一張圖,美國早期應用比較多,也出了很多問題。美國特別在2013年以后,當然美國的標準等一會兒樂首席會講,安全這塊美國比較重視,專門做了美國標準的技術路線圖。到2017年,有關開發、設計、安裝、運維、事故升級,甚至到教育擴展,美國都開始有相關的有條理的、有體系的對安全問題的布局。

我們對安全問題,儲能電站的安全事故,往往都是在預警缺失或滯后的情況下,電池,重點說是鋰離子電池本身失控引發出來的,包括蔓延。現有消防措施并非對火災配置,陸續出現一些火災。包括最終演變為大火災,整個事情的發生。

說起來電池風險的根源,鋰離子比較多,電激源、熱激源、機械激源,還有電池自身、系統內其他部件、環境原因。

從安全原因來講,內因肯定鋰離子自身的問題。無論如何,現有的鋰離子怎么改變,由于鋰離子電池是有機電解液體系這件事情發生,這是它的根源。存在溫度過高或過充電時,電解液表現分解是核心原因。

如果是電池內部出現某種,由于內短路或制劑各方面引起,如硫酸鋰發生反應,進一步發熱,其他電化學反應可能發熱量更大,更大時,會在一定溫度上釋放氧氣。我們點汽油,汽油一定會著。但把汽油的氧隔絕一定會滅,電池一旦著起來,還要自吸氧。這是鋰離子電池的原因。

可能因為過充過熱產生一系列的原因,不僅帶來熱量,可能后期過程中還會釋放氧氣,使鼓掌放大產生爆炸,這是放熱副反應,有工藝問題、材料體系問題,也有應用問題,包括低溫充電、大電流充電、負極性能衰減過快,振動、跌落等。

圍繞這樣一些東西,有安全性整體對應的東西。一是從電池那塊去解決,我不是做電池的,那塊的事進不太清楚。對儲能本體應用,一般有四種措施:一是通過檢測技術,去甄別這個東西能不能使?另外有預警技術、防護技術、消防技術。

事實上,在2018年發布的《電力儲能鋰離子電池》國標來看,有一條非常重要的內容,就是關于熱失控的檢測,這是目前來講,關于電力儲能應用中間,對于電池安全的。第一,我們是有標準的,第二,是有檢測機構來做這件事。這是第一關,比較重要的熱失控是有嚴格步驟和規定做這件事。除了單體還有??橄嚶Φ牟饈苑椒ê筒街杌褂幸?。

這種要求我們做了相當多的試驗,也有人到相關部門到相關質檢中心做了相關檢測,真有相當多的電池沒有過,出現熱失控,沒有過這條標準。最近發生了幾起事故,我們知道最近發生一到兩起磷酸鐵鋰小范圍的事故,后來調研,這些東西都是在我們這做檢測沒有過的。不能說過了一定怎么樣,確實我們聽說的是沒有過的這些東西。而這個標準,現在來看,對很多三元的電池是很難過去的,現有三元型電池做儲能很難過去,不是有歧視性,這個標準是做大量試驗做出來的。

恰恰出現大量的儲能電站事故基本都是三元電池,某國1000多個儲能電站,從去年到今年發生26起還是28起,其中10兆瓦以上儲能電站有20個,毫無例外的都是三元型電池。

是不是磷酸鐵鋰很安全?這些指標磷酸鐵鋰比三元指標性能優得多,正極材料是一部分,理論上磷酸鐵鋰也不是絕對安全,只能是相對安全。

剛才講了,通過安全檢測并不一定代表使用過程中間就非常安全,就不需要安全防護,其實安全只是一個概率問題。而且現有的我們檢測的方法,是現在有逐步的檢測方法,但第一個檢測方法,是不是目前一定是終極的檢測方法,我們還要探討,因為電池在不斷改進。第二,即使檢測方法發布了,相關的東西在入網條件或組成條件上,是不是采用一定相關標準測試,這個也有待于加強考核。

電池一旦局部開始著了,如果未能得到及時的抑制,顯然會不斷蔓延。蔓延有幾種方法,一是整體的去滅火,還有一個針對性的滅火,在它初期造成對它補救比較大。

從防止蔓延角度來講,電池的安全到底有沒有那么恐慌?回頭還要談論這個問題,單純從工藝上能不能解決?剩下還有這些防護:第一,預防。前一段檢測入網是更高層面的預防,那些東西不讓它進來,一旦進來以后,從安全預警、安全防護、消防滅火這三方面形成整個安全問題的應對措施。

從安全預警角度來講,現有的,電池內部電化學這件事,從已有的東西來看,判斷電池異常,包括這幾個層次來看,來進行分級,我們想這樣去做。另外,希望預防能達到對熱失控的預判,這是我們從對預防的情況來看。第二,能對故障電池位置有效識別。

從防護來看,我們希望能夠防止電池的電濫用、熱濫用和機械濫用。最后機械濫用在儲能電站發生概率比較低一些,更多是電濫用、熱濫用較多。防止絕緣性降低造成閃弧短路等,這是從防護需求來看。

從滅火需求來看,其中比較重要的,與電池、火災相匹配的滅火技術,另外良好的滅火效果,快速滅火還有長時間抑制這件事。與電池相匹配的技術來看,像電化學、電池這種滅火,帶有自吸氧反應的活動。滅火的介質,一是快速降溫能夠帶走熱量,二是能抑制相應的自吸氧反應的方式。

我們也有相關工作,對于電池的預警做過,如對電池過充、過放、過熱、內短路、破損、絕緣性降低都有相應辦法。有很多預警系統做在相關的里面,這里面可能有很多,對電池預警還是帶有經驗性的,我感覺對于電池能夠做成預警,現在來看,這是火災前的現場,這個預警帶有一定的發生。事實上氣體感,現在來看對氣體感可能的手段,對電池發生事故現在的預判技術不是特別成熟。

關于防護,主要考慮幾方面:防爆的設計,電池本身這塊。熱失控的阻斷,電池的結構設計,從這里面做預防。這就要求我們采用吸熱材料,或定向散熱方式,一方面形成熱隔離,另一方面形成熱疏導,這兩個看似矛盾的事情。

另外,消防技術。消防技術針對滅火,現有比較多的,對于電化學系統六氟丙烷、七氟丙烷等。最近做了很多實踐,七氟丙烷還是有抑制作用的,初期抑制能針對性做了,還真是有一定技術。現在七氟丙烷使用方式問題比較大,漫灌式,通過阻隔箱里氧氣含量滅火。這是不對的,如果七氟丙烷管道式的噴灑,短期帶走一部分熱量,七氟丙烷畢竟是氣體。如這件事認為七氟丙烷對滅火效果不太好,這實際上是使用方式的問題。

1230是無色無味殘留氣體,1230具有極好吸熱性,降溫到滅火效果做實驗,也是在初期。1230沸點只有49度,很容易揮發。即使當時起到滅火作用,是不是還有復燃問題?氣溶膠,確實有電化學氣象抑制作用,但降溫不太好,所以附帶抑制也有一定的作用。

因為我是中國電力科學研究院的首席技術專家,我所在的團隊近年來做了很多電池安全相應的工作,不是今年應景把我們的成果拿出來給大家講。在電化學安全上,國網真是不差錢,從2011年、2012年起,每年國網至少布局300萬到500萬的課題,每年都有這個課題,從各個方面,從最簡單的東西起。我們這些人是不是特別專業不好講,但我們做的工作承擔得多。我在西山炸掉的電池有500萬元,至少我們努力做了相關工作。

首先我們做了很多對于燃燒爆炸過程和現象的分析,這里涵蓋易燃性、釋熱性等。包括相關的結論,安全性的定點熱失控臨界點判定,這個項目是國家重點研發機構,大容量鋰離子這件事工作中的一部分相關工作。

對于整個過程的燃燒,電池的熱特性這件事,我們做了很大的相關工作。剛才說溫感、氣感、煙感等混合式開發了一些相關裝置。

此外,針對儲能關于防護的問題上,利用EPDM為主的材料,加入功能添加劑,做了防治工作,這種防治對熱失控蔓延有比較好的作用。另外對組熱仿真平臺建設,而且仿真過程中實施驗證性工作。

在這個基礎上,設計電管理、熱管理和安全防護的樣機,開展相關試驗,如樣機過程包含比較好的,一是把熱過程進行仿真,包括對防護進行相關設計。從開展實驗來看,沒有發生有意地觸發電池。周邊來看,以這個技術,熱失控效果比較好。并不是一個圖片代表技術解決了,確實做了大量相關工作,對里面技術、參數配置這些問題已經摸得很清楚。

另外,滅火技術。剛才講有幾種滅火劑,剛才講六氟丙烷、七氟丙烷、1230等。最近結合煙感報警裝置集合到一起,最近找到一種氟系列液態滅火方式,采用氣液復合滅火劑,六氟丙烷、七氟丙烷、1230都是氟系列產品,因為氟比較穩定,氟系列帶走熱量比較大。氟系列液體性的東西帶走熱量是六氟丙烷700倍以上,使表面溫度獲得大大降低。另外氟系列對阻止吸氧反應效果比較明顯?;詿?,做了相關東西,這是我們做的消防滅火的裝置系統。

這是氣液滅火負荷當年的容量。這在西山做了N次實驗,國家消防質量檢測中心進行檢測。檢測的結果是裝置自動響應時間為0.5s,滅火用3.5s,可以抑制24h不復燃,這真等了24h做相關滅火工作。

如2兆瓦甚至以上規模,如一個集裝箱可能配置80到150L的東西,事實上80L可以對付這個東西,為什么配150L,為防止復燃還有東西噴過去。有中型的、小型的。

針對不同的東西,它的布局結構都有要做的內容性的工作。目前看,下一步會有相當多的地方,示范項目中間開始率先得到使用。目前來看,滅火這件事可能最終,如果我們能形成這種閉環,當然能把問題解決是最好的,真正說到火災擴展到爆炸燃燒中,顯然采取外部措施。一個大型水電站還是要和消防進水結合起來,那是最后一步,防止次生災害外一步來看。從現在做的實驗來看,能夠越在早期控制燃燒,針對性地控制燃燒,所需要的劑量比較小、控制成本比較高。最大問題對現有電池吸氧影響做了改變,直接把管道噴到??槔?,當時滅了就完了,需要的液比較少,這和傳統目前已經有的標準結構發生了比較大的變化。

我看到有別的國家在做局部性這種方式,它這種方式只是用六氟丙烷、七氟丙烷這樣做效果比較好,初期得到抑制,確實燃燒了。

我的報告就到這。

原標題:電力儲能中的安全問題及應對技術
 
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來源:中國儲能網
 
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