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(jī)容量將迎來新一輪的高速增長，但其波動(dòng)性、間歇性和隨機(jī)性等特點(diǎn)，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(gè)環(huán)節(jié)都發(fā)揮巨大作用的儲(chǔ)能電池開始嶄露頭角，并逐漸成為新型電力系統(tǒng)的標(biāo)配，我國也迎來了一波儲(chǔ)能行業(yè)發(fā)展的高潮。
據(jù)中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)，截至2020年年底，我國已投運(yùn)的新型電力儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)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(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見》中提出，計(jì)劃到2025年，實(shí)現(xiàn)新型儲(chǔ)能從商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展轉(zhuǎn)變，新型儲(chǔ)能裝機(jī)容量達(dá)3000萬千瓦以上。
然而，儲(chǔ)能行業(yè)蓬勃發(fā)展的背后，儲(chǔ)能安全問題頻頻見諸報(bào)端。
今年4月16日，北京國軒福威斯“光儲(chǔ)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(chǔ)能電站發(fā)生火災(zāi)，這座擁有13噸鋰電池組的儲(chǔ)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(jì)，近五年內(nèi)，全球僅儲(chǔ)能電站的火災(zāi)事故就有40余起。在用戶側(cè)，移動(dòng)儲(chǔ)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(dòng)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(gè)小區(qū)貼出電動(dòng)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(dòng)汽車，因潛在電池起火風(fēng)險(xiǎn)而被召回的案例也不在少數(shù)。安全，成為儲(chǔ)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(huì)秘書長劉彥龍?jiān)硎?，安全是發(fā)展的前提，儲(chǔ)能行業(yè)必須牢牢守住安全發(fā)展這條底線。
那么，儲(chǔ)能如何邁過“安全”這道坎兒？
誰點(diǎn)燃了導(dǎo)火索？
儲(chǔ)能安全是一個(gè)系統(tǒng)性問題，盡管導(dǎo)致儲(chǔ)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)、預(yù)警監(jiān)控消防系統(tǒng)、運(yùn)行環(huán)境、安全管理等因素，但業(yè)內(nèi)專家普遍認(rèn)為，引發(fā)儲(chǔ)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(yùn)營的電化學(xué)儲(chǔ)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(jià)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(jià)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(xiàng)數(shù)據(jù)來看，磷酸鐵鋰電池相對(duì)更優(yōu)，是當(dāng)前我國儲(chǔ)能電池推廣應(yīng)用的主流技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國內(nèi)投運(yùn)的電化學(xué)儲(chǔ)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(xiǎn)。
中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)秘書長劉勇表示，短路是儲(chǔ)能電池安全的“頭號(hào)殺手”，電化學(xué)儲(chǔ)能電站電池具有串并聯(lián)數(shù)量多、規(guī)模大、運(yùn)行功率大等特點(diǎn)，一旦發(fā)生短路，將會(huì)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(jìn)而導(dǎo)致短路。”劉勇告訴記者。
國網(wǎng)江蘇經(jīng)研院儲(chǔ)能安防研究員吳靜云同樣認(rèn)為，儲(chǔ)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(jī)械濫用、電濫用及熱濫用。機(jī)械濫用在移動(dòng)汽車上較為常見；熱濫用往往發(fā)生在連鎖熱失控階段；對(duì)儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能與電工新技術(shù)研究所的分析報(bào)告顯示：傳統(tǒng)電動(dòng)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(chǔ)能電站考慮電池級(jí)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(jī)并聯(lián)，使得每個(gè)充電樁都可以達(dá)到150千瓦功率、250安電流和750伏電壓，相應(yīng)參數(shù)對(duì)應(yīng)國標(biāo)充電樁輸出標(biāo)準(zhǔn)最高值。該設(shè)計(jì)雖然突破了現(xiàn)有設(shè)備的尺寸及性能限制，但對(duì)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(bào)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(hù)裝置尚存在一些問題有待改進(jìn)。
“一是監(jiān)測大規(guī)模串并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電池時(shí)，系統(tǒng)監(jiān)測的管理精度無法到達(dá)每個(gè)電池電芯，相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)只是節(jié)點(diǎn)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(gè)電芯組成，普通配置2～4個(gè)溫度監(jiān)測點(diǎn)，無法覆蓋全部電芯，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度異常。三是電池管理系統(tǒng)存在信號(hào)干擾、遺失、誤差等場景。
如何有效防范？
如果說儲(chǔ)能電池自身的瑕疵和老化所引起的安全事故在當(dāng)下很難避免，那么在電化學(xué)儲(chǔ)能電站事故發(fā)生前的前期設(shè)計(jì)、現(xiàn)場施工、監(jiān)控預(yù)警，以及火災(zāi)發(fā)生時(shí)的消防和應(yīng)急管理方面如何做，才能及時(shí)止損并避免二次傷害發(fā)生？劉勇認(rèn)為，目前我國已建和在建的大部分電化學(xué)儲(chǔ)能電站仍沿用傳統(tǒng)的報(bào)警和防護(hù)技術(shù)，缺乏針對(duì)性保護(hù)技術(shù)方案。他指出應(yīng)從本體安全、主動(dòng)安全、被動(dòng)防御安全三個(gè)層面做好儲(chǔ)能電站安全體系維護(hù)。
“在本體安全方面要做好儲(chǔ)能電池內(nèi)部的安全設(shè)計(jì)和新材料體系應(yīng)用；在主動(dòng)安全方面要結(jié)合人工智能與系統(tǒng)軟件技術(shù)，通過對(duì)儲(chǔ)能電池從電芯到PACK演化過程進(jìn)行分析、監(jiān)測和評(píng)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(dòng)防御安全方面要通過消防報(bào)警控制主機(jī)、火災(zāi)探測控制器、滅火裝置、消防管道器材、聲光報(bào) 警器、防爆全自動(dòng)開關(guān)、UPS后備電源、應(yīng)急外部接口等自動(dòng)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(chǔ)能電站在運(yùn)維管理方面也存在不少隱患。
吳靜云指出，儲(chǔ)能運(yùn)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(xiǎn)。
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(jì)、設(shè)備、運(yùn)行等方面對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能開展了系統(tǒng)性研究，形成了儲(chǔ)能電站全過程建設(shè)運(yùn)維管理的“江蘇經(jīng)驗(yàn)”。
吳靜云告訴記者，“江蘇經(jīng)驗(yàn)” 的運(yùn)維管理邏輯分為三層：第一層從正常運(yùn)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(shí)通過氣體探測技術(shù)及時(shí)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(dòng)技術(shù)及時(shí)切斷電源，阻斷電池?zé)崾Э丶捌滏準(zhǔn)椒磻?yīng)；第三層是采用防爆泄壓設(shè)計(jì)防范爆燃爆炸事故發(fā)生及次生災(zāi)害，上下設(shè)計(jì)防爆風(fēng)機(jī)2個(gè)，通風(fēng)量每分鐘1個(gè)艙體容積，最大限度避免爆燃爆炸事故發(fā)生、減少財(cái)產(chǎn)損失，降低社會(huì)影響。
一直以來，儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)的缺位，也是儲(chǔ)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(tái)了多項(xiàng)關(guān)于儲(chǔ)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(chǔ)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(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合研判儲(chǔ)能系統(tǒng)和儲(chǔ)能場所安全風(fēng)險(xiǎn)，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(chǔ)能電站。合理進(jìn)行防火設(shè)計(jì)，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(xiǎn)。能源管理部門應(yīng)加強(qiáng)電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站運(yùn)行維護(hù)安全管理，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)主管部門應(yīng)加強(qiáng)用戶側(cè)儲(chǔ)能電站運(yùn)行維護(hù)安全管理，組織制定儲(chǔ)能電站的運(yùn)行安全監(jiān)管制度，完善儲(chǔ)能電站運(yùn)行檢修標(biāo)準(zhǔn)和安全操作規(guī)程。
劉勇強(qiáng)調(diào)，儲(chǔ)能電站的安全必須進(jìn)行全生命周期內(nèi)各環(huán)節(jié)過程管理， 保證對(duì)儲(chǔ)能電站電池電解液泄漏、熱失控工作狀態(tài)等進(jìn)行全方位監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)本地和遠(yuǎn)端后臺(tái)系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)， 為電站運(yùn)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(chǔ)能電池的安全， 不僅關(guān)乎儲(chǔ)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(yùn)行的保障。
