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中國電科院楊凱:電力儲能中的安全問題及應對技術
日期:2019-09-01   [復制鏈接]
責任編輯:sy_zhangxiaoxiao 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]
編者按:關于儲能電站的安全事故問題,在第一屆中國儲能學術論壇暨風光儲創新技術大會上被特別研討,中國電科院楊凱就此發表電力儲能中的安全問題及應對技術的主題報告,表示是電池起火引起的安全事故,并指明電池安全問題中應對措施和防護技術的不足。

儲能系統/電站的安全事故,往往都是由于在預警缺失或滯后的情況下,電池自身熱失控或是其他外部因素導致電池起火而引發的,由于缺乏有效的安全防護措施,電池的初期火災迅速蔓延,而現有的消防措施并非是針對電池火災而配置的,因此,電池初期火災無法得到有效抑制,最終演變為大規?;鷦?,導致整個儲能集裝箱或儲能電站燒毀。
 
——中國電力科學研究院儲能與電工新技術研究所儲能電池本體技術研究室主任楊凱
 
8月7日-8日由華北電力大學、中國可再生能源學會主辦的“第一屆中國儲能學術論壇暨風光儲創新技術大會”在北京召開,北極星儲能網對論壇進行全程直播。
 
在8日“儲能材料和安全”分論壇上,中國電力科學研究院儲能與電工新技術研究所儲能電池本體技術研究室主任楊凱作了題為《電力儲能中的安全問題及應對技術》的主題報告。
 
 
以下為發言實錄:
 
中國電力科學研究院儲能與電工新技術研究所儲能電池本體技術研究室主任楊凱:大家好!我今天跟大家報告的題目是《電力儲能中的安全問題及應對技術》。我分四部分和大家交流,先看電力儲能的安全問題。目前對電力儲能來說,可以說電力儲能的載體有很多,形式有很多。在這些形式當中,電化學儲能目前占了比較大的比重。在電化學儲能當中,鋰離子電池的比重逐年增加,到2018年年底的時候已經達到了86%。
 
近兩年,隨著各地鋰離子電池儲能電站的大量建設,儲能電站的安全問題開始逐漸地凸現出來。從現在來看,2017年至今,韓國發生23起事故,我們國家公開報道3起。儲能系統電池串并聯數量多、規模大, 安全風險和影響比電動汽車動力電池更加嚴重。
 
2017年3月7號,山西某火力發電廠儲能系統輔助機組AGC 調頻項目發生火災,2017年12月22日,山西某電廠9MW調頻項目2號儲能集裝箱柜發生火災。兩次事故以后,山西省公安消防總隊向全省發出通報消防,加強儲能電站火災防范工作,同時,也對火災進行了調查與認定。2018年8月3日,江蘇揚中某用戶側磷酸鐵鋰儲能電站發生火災,一個儲能集裝箱整體燒毀。
 
韓國近兩年發生了23起儲能電站火災事故,今年6月11號,韓國政府公布了23起儲能電站火災事故調查結果,認為是四方面的原因,分別是:電擊?;は低巢渙?;運營操作環境管理不善;安裝疏忽;儲能系統集成控制(EMS,PCS)?;は低徹芾聿簧?。
 
今年4月,美國亞利桑那州McMicken變電站的電網側鋰離子電池儲能設備發生火災,4名消防人員受到化學物質傷害、外傷以及燙傷等傷害。
 
通過上面這些國內外近兩年發生的儲能電站火災事故,可以看出,儲能系統/電站的安全事故,往往都是由于在預警缺失或滯后的情況下,電池自身熱失控或是其他外部因素導致電池起火而引發的,由于缺乏有效的安全防護措施,電池的初期火災迅速蔓延,而現有的消防措施并非是針對電池火災而配置的,因此,電池初期火災無法得到有效抑制,最終演變為大規?;鷦?,導致整個儲能集裝箱或儲能電站燒毀。
 
下面我們來看一下電池安全問題的風險來源,主要來源有三方面,一是電激源,包括過充、過放等濫用情況。二是熱激源,包括在高溫下使用,或其他組件燃燒將電池烤爆等當,再有溫度比較高的情況下還在使用或者說其它的一些部件燃燒把電池弄著了。三是機械激源,包括振動、擠壓等等,機械激源在電動汽車上較為常見,在儲能電站中幾乎沒有。
 
對于鋰離子電池安全問題的觸發機制,這方面的文獻非常多了,在這里就不詳述了,簡單說,就是在鋰離子電池中,除了正常的充電-放電反應外,還存在許多潛在的放熱副反應,當異常情況發生時,這些放熱副反應易被引發,最終導致電池熱失控。
 
下面我們來看一下電池安全問題的應對措施。從電力儲能的整體安全來講,包括三個大的方面,一是電池生產制造環節的安全,包括電池材料和生產工藝控制,二是電池應用環節的安全,包括預警、防護和消防,這個話題一會我會詳細再說。三是配套設施的安全設計,包括電站設計等方面。今天我重點講電池應用環節的安全。在講這個之前,我們先看幾點對于鋰離子電池安全性的共識。第一點共識,磷酸鐵鋰電池理論上并不絕對安全,從剛才我們分析的電池安全問題的觸發機制,我們可以看出,磷酸鐵鋰電池的安全性較三元電池相比,確實會好一些,但只是相對安全,不是絕對安全的。第二點共識,通過安全性檢測的產品并不代表使用過程中不需要安全防護,因為電池安全性是一個幾率問題,電池檢測是抽檢,不是全檢,電池檢測的數量不足以暴露安全性問題,一個儲能電站有幾萬甚至十幾萬個單體電池,其中肯定會有存在安全隱患的電池,而僅僅依靠電池檢測,是不足以發現這些電池的。另外,現有的電池檢測都是針對新電池的,而電池發生安全問題又往往是在使用過一定時間以后,因此,對于應用過程中出現的安全問題,電池檢測是無法發現的。第三點共識,電池的初期火災一旦蔓延并形成大規?;鷦?,現有消防措施均無法有效撲滅,對于初期火災必須采用快速感知,定向精準滅火的策略,迅速滅火,并采取措施長時間抑制電池復燃。另外,消防設施應該在儲能裝置安裝的同時同步配置,后期采取消防補救措施,不僅難度大,應用效果也大打折扣!第四點共識,就是電池安全性問題“可治可防”,但單純的電池生產工藝控制無法解決,必須發展電池應用過程的多級安全防控體系,保障電池使用過程中的安全性!多級安全防控體系,包括三級,預警、防護、消防。預警,就是提前足夠長的時間告警存在安全隱患的電池,給運維部門留出妥善處置的時間;防護,就是將單個電池的熱失控及燃燒限制在一個有限的空間內,不要造成火災的蔓延;消防,就是能夠快速的撲滅電池的初期火災,并采取措施長時間抑制復燃。
 
對于電池預警的技術要求,主要包括能夠判斷電池異常狀態,并根據電池異常狀態的嚴重性進行分級報警,同時,要減少誤報。對于電池安全防護的技術要求,主要包括抑制故障電池對被動電池的熱沖擊,并引導電池燃燒爆炸釋放能量快速排出,降低電池燃燒爆炸對??榛到峁溝奈錮沓寤?。對于電池消防安全技術主要是要開發電池火災專用滅火技術,要研發具備良好吸熱特性和絕緣性能的電池火災專用滅火介質,開發與電池火災特性匹配的滅火技術,滅火技術必須具有良好的滅火效果,快速滅火,長時間(24h)抑制復燃,減少對其它未起火電池和電氣設備的損害,減少經濟損失,同時,滅火劑要成本低,無二次污染,環境友好。下面我重點講一下目前針對電池火災常用的滅火技術和滅火劑,首先來看用水來滅電池火災,對于這一點,我只講一條,就是國家電網公司制定的企業標準《電化學儲能電站技術導則》(Q/GDW10769-2017)中9.4.5條明確規定“當鋰離子電池電站發生火災時,嚴禁使用水噴淋方式滅火。”下面來看七氟丙烷,七氟丙烷對于撲滅電池火災的明火具有較好的效果,因此被廣泛應用于儲能集裝箱/儲能電站中。但目前采用的七氟丙烷浸沒式滅火設計方式對于撲滅電池火災效果有限,同時,七氟丙烷也不具備抑制電池復燃的作用。我們再回顧一下報告剛開始時我們說的山西省消防總隊針對山西電站事故的調查和認定報告,報告的結論中寫了:該系統設置了七氟丙烷滅火系統,設計滅火濃度為9%,經現場勘驗發現,發生火災的儲能單元內七氟丙烷滅火系統已動作,通風口處的防火閥已關閉,但未能將火災撲滅。七氟丙烷對于此類火災的滅火效能未得到有效檢驗!我在這再解釋一下,七氟丙烷對于滅電池的明火是有效的,只是目前集裝箱內的這種布置方式造成七氟丙烷沒有效果,因為目前的這種布置方式,當某個電池組發生火災時,消防接到信號,七氟丙烷就從噴頭處向外噴射,當七氟丙烷蔓延到著火的電池模組周圍,達到滅火濃度時,電池的火災已經擴大了,也就是說,目前的這種七氟丙烷布置的方式,無法有效撲滅電池的初期火災,當火災擴大后,七氟丙烷也就無效了。另外,七氟丙烷對于抑制電池復燃是沒有效果的。下面再來看看Novec 1230,這是3M公司開發的一種滅火劑,1230 具有良好的吸熱特性,可以通過對發生火災的電池進行降溫達到滅火的效果。但是,1230 沸點為49.2℃,容易氣化,短時間內即揮發完畢,無法對發生火災的電池持續降溫,因此,對于電池復燃的抑制效果有限。
 
最后,我介紹一下中國電科院在電力儲能電池安全方面的研究工作,中國電科院電池安全技術研究團隊依托新能源與儲能運行控制國家重點實驗室和全國電力儲能標委會,對接IEC/TC120參與電池安全國際標準編制,牽頭承擔電池安全領域的國家重點研發計劃課題1項、國家電網公司科技項目10項,掌握電池安全機理、電池燃燒與火災蔓延特性、安全風險評估方法、安全防護技術,申請國家發明專利40余項。在電池預警技術方面,我們根據鋰離子電池燃燒爆炸過程及現象分析,建立了涵蓋易燃性、釋熱性、煙氣毒性的綜合評估指標體系,系統反映電池火災造成的可能安全風險,制定了電池危險等級分級表。我們同時研究了以溫度作為預警值的預警策略,研究了以溫感、煙感和火感相結合的火災報警策略。
 
在電池安全防護技術方面,我們開發了一種阻燃隔熱材料,以EPDM為主體,加入功能添加劑,提高隔熱性能,基于此隔熱材料,我們進行了電池組結構設計,因為加入阻燃隔熱材料,會對電池組的散熱造成影響,因此,如何平衡隔熱和散熱之間的關系是非常重要的。我們研制了計及電管理、熱管理和安全防護功能的10kW電池組樣機,并對電池組進行燃燒實驗,實驗結果顯示,最小儲能單元的燃燒沒有影響其他相鄰電池。
 
在電池消防安全技術方面,我們開展了專用消防滅火技術攻關,自主研制了鋰離子電池自動滅火裝置,采用自主研制的鋰離子電池專用氣液復合滅火劑,根據不同類型電池采取不同的滅火策略,具有智能判定、自動啟動功能,能夠在5s內快速撲滅明火,且24小時無復燃,同時還具有成本低、對其它設施無損害和環境影響小的優點。目前我們研制的鋰離子電池自動滅火裝置已經順利通過了國家消防裝備質量監督檢驗中心組織的產品檢驗。在產品檢驗中,滅火裝置的自動響應時間僅為0.5秒,在3.5秒內就能撲滅電池明火,且24小時內電池沒有復燃,表明該裝置具備了優良的滅火和抑制復燃的性能。針對預制艙儲能系統,我們還開發了預制艙儲能消防系統,預制艙儲能消防系統將火災監測范圍確定在電池模組級別,對于初期火災采取快速感知,定向精準滅火的策略,迅速滅火,并采取措施長時間抑制電池復燃。我們開發的預制艙儲能消防系統即將應用到浙江省電力公司杭州江虹變儲能電站中,在8個40尺預制艙中進行應用。
 
最后,我想再明確一點,就是目前所采用的滅火技術主要是針對電池火災發生初期撲滅火災的措施。如果火災擴大到大規模爆炸燃燒時,必須及時采取外部消防措施,因此,儲能電站及儲能集裝箱應該設計預留外部消防進水通道。

原標題:中國電科院楊凱:電力儲能中的安全問題及應對技術

 
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來源:北極星儲能網
 
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