儲能電站

編者按

“安全”是儲能發展繞不開的話題。近年來，大到儲能電站，小到新能源車，起火事故時有發生。這些事故，除了電池本身缺陷外，還存在著很多亟待解決的系統問題。圍繞近期發生的多起電池起火事故，本版將從基礎研究、技術開發、設計制造等多個維度，對保障儲能安全展開思考。

鋰離子電池“短命”的潛在因素被發現、借助新型電極材料并通過界面設計可提升電極性能、利用納米系統工程理念可提升材料儲鋰性能……近期，關于儲能電池尤其是鋰離子電池的研究越來越多。雖然研究方法和路徑可能有所不同，但研究成果都有一個共同宣傳點，即高安全性。

儲能安全是儲能發展繞不開的話題，目前儲能安全問題主要來自于電化學儲能，而電池組(堆)又是其最大的安全隱患之一。

根據《2020儲能產業應用研究報告》(以下簡稱《報告》)，僅在2019年，中國儲能項目新增裝機共計1228.4兆瓦，其中電化學儲能項目新增裝機678.4兆瓦，占比第一，高達54.5%。截至2019年底，鋰離子電池裝機占電化學儲能裝機規模的82.4%。

然而，儲能安全問題不僅僅是電池帶來的?！吨袊茖W報》采訪時了解到，儲能安全是一個系統問題，某一環節出現問題，均有可能導致起火。

火災事故后的思考

自2017年8月韓國23個儲能電站起火事故發生以來，儲能安全問題就一直困擾著行業。《報告》認為，這與韓國各大企業以三元鋰電池為主流產品有關。

中國化學與物理電源協會儲能應用分會教授級高工江衛良介紹，目前全球主要儲能企業以傳統電池企業為主，技術類型上基本以兩大派系為主，即日韓三元鋰電池體系和中美磷酸鐵鋰電池體系。

但也并不是說磷酸鐵鋰電池絕對安全。2018年8月初，我國江蘇一儲能項目中磷酸鐵鋰電池集裝箱起火并燒毀，但起火原因目前還未公布。

據中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室副教授段強領介紹，鋰電池在使用過程中，通過鋰離子嵌入和拖出釋放能量。如果使用不當，如過充、高溫、碰撞等條件下可能會誘發電池內部的熱化學反應，導致熱失控發生。“如果熱失控在電池模組內發生傳播，會導致系統的火災事故的發生。”

值得注意的是，熱失控會產生有毒和可燃氣體，而鋰離子電池的火災撲救更困難，給消防帶來挑戰。

近年來，電化學儲能技術應用提速，產品投運周期越來越短，在安全標準體系尚不完善、監管機制尚未建立的情況下，各國儲能安全事故時有發生。“必須正視這些關鍵問題。”江衛良認為，儲能系統要通過自身保護措施，及時對儲能電站異常情況進行處理，將儲能系統的安全風險降到最低。

電池本體因素成為安全核心

針對儲能電站火災事故，韓國成立專家調查組將成因總結為電池系統缺陷、應對電氣故障的保護系統不完善、運營環境管理不到位、儲能系統綜合管理體系欠缺。其中，電池系統缺陷可能是引起火災的主要因素之一。

借鑒韓國儲能事故調查報告對安全誘因的分類，中科院廣州能源研究所曹文炅等人將儲能安全事故成因劃分為電池本體、外部激源、運行環境及管理系統四類。而電池本體因素仍是儲能安全的核心，其誘發安全事故的來源主要包括電池制造過程的瑕疵及電池老化帶來的儲能系統安全性退化兩方面。

曹文炅等人撰文解釋道，電池在非常規的運行環境及管理系統因素影響下，內部老化過程更加復雜多變，并逐漸演變成安全問題。

鑒于電池本體因素長周期演化特征，研究如何通過電池內部老化機理、電池間不一致性演化及對應的外部參數變化，實現對儲能系統安全性演化趨勢的預測和早期預警，成為當前鋰電池儲能安全管理的重點。

“受現階段管理系統的監測管控可靠性限制，對電池本體的充放電的電池荷電狀態(SOC)區間有必要適當收緊。”曹文炅表示，“一般而言，鋰電池在20%～80%的SOC區間工作時充放電內阻較小，發熱量也相應較小，并且該區間工作不容易造成電池的過充過放問題，有利于規避因此產生的風險。”

風險防控與處置相結合

但儲能安全是系統問題，不能將安全問題全部歸于電池，事故往往是多因素交互作用引發的。

在江衛良看來，儲能安全技術問題的核心分為安全風險和安全處置，前者包括儲能系統及部件的電氣安全風險、機械安全風險、化學安全風險、火災安全風險、爆炸安全風險等多個維度。

“風險分析和風險評估是認知風險的核心內容。”江衛良表示，已經發布或正在制定的電力儲能系統標準首先就是論述風險分析和風險評估。

接下來就是安全處置，包括參數量化準入限制設定、產品防護設計、消防環節設計、感知預警、緊急處理、運維等。

平高集團儲能科技有限公司市場支持部部長李占軍以江蘇昆山儲能電站消防設計為例介紹，他們通過與國網江蘇省電力公司合作，在磷酸鐵鋰電池預制艙首次配置自動滅火系統、火災報警及聯動控制系統，其中自動滅火系統創新性集成應用了七氟丙烷氣體滅火系統和高壓細水霧滅火系統，設置了自動控制、遠程手動控制等4種控制模式，實現了系統效用最大化，將電池運行的安全系數提到最高。

據悉，昆山儲能電站是世界單體容量最大的電網側電化學儲能電站，建設規模為110.88兆瓦/193.6兆瓦時，總占地面積31.4畝，共配置88組預制艙式儲能電池，電池采用磷酸鐵鋰電池方案。

平高集團在近期儲能項目并網測試時發現，國內并網標準差異較大，給工作推進帶來了阻力。因此，李占軍建議，我國在加快儲能技術標準落地的同時，也要加強儲能標準化建設，尤其是并網調試、產品檢測、消防安全、運維管理等，助力儲能行業安全穩步發展。