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北京储能电站爆炸事故凸显全钒液流电池安全

北京储能电站爆炸事故凸显全钒液流电池安全

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4月17日凌晨,北京消防官方微博通报,4月16日12时17分,北京市119指挥中心接报丰台区南四环永外大红门西马厂甲14号院内储能电站起火的警情,调派15个消防站47辆消防车235名指战员到场处置。14时15分许,在对电站南区进行处置过程中,电站北区在毫无征兆的情况下突发爆炸,导致2名消防员牺牲,1名消防员受伤(伤情稳定),电站内1名员工失联。经初步调查了解,起火现场为北京国轩福威斯光储充技术新萄京娱乐网址2492777储能电站。事发前,该电站正在进行施工调试。

 

 

公开资料显示,位于丰台区大红门集美家具城的储能项目,分为两期:一期项目建设屋顶光伏1.4MW,储能12.7MWh,充电车位24个,直流双枪充电桩12套;二期扩建工程包括屋顶光伏1.73MW,室外8MWh储能及35套充电桩均已安装就位,室内20MWh储能电池及相关直流控制及配电设备。项目一期日售电能力超过4万度,相当于在城市中心建设完成全新的小型能效电厂。

该项目是北京城市中心最大规模的商业用户侧储能电站、最大规模的社会公共大功率充电站、第一个万度级光储充电站、第一个用户侧新能源直流增量配电网,是北京市最大的光储充示范项目工程。

事故对储能行业的影响

北京丰台这次涉事的储能电站建设有25MWh的磷酸铁锂电池储能。通常来看磷酸铁锂电安全性相对更高。不过从丰台储能电站事故来看,这一一向被视为安全性较好的技术路线处置不当也可能产生安全问题。这次事故正在给业内对于这一赛道的乐观判断在一定程度上“泼了冷水”。

据了解,事故发生后,北京已召开紧急会议,连夜展开涉及全市的储能电站安全性排查。此次事故对于国内储能行业的负面影响有多大尚有待观察。

一是事故将使用户侧储能的步伐短期会有所放慢。尤其是跟工商业分布式光伏配套的大型储能,“光伏+储能+电动车”的商业模式会受到阶段性挑战。北京市已经做出了“全市要对类似储能电站连夜排查,在建的要停下来”的指示,相信其他地区很快会跟进。

二是储能的标准化工作会加快并强化。2021年,政府引导、多方参与的储能标准化工作机制,系统的储能标准体系,储能关键技术标准制修订和储能标准国际化等工作将加快推进。

三是相关方更加重视储能的系统方案设计。储能电站的安全性,不仅仅是电池本体的安全,应用方案更为重要。现有电动汽车的锂电池管理,致力于避免出现人员伤亡,比如从冒烟到起火要有足够预警时间让人员撤离。盲目好大喜功,就忽略了这一点,一旦出现风险,就失控了。

四是劣质供应商会出清,不能仅仅依靠价格竞争获得市场。储能电站作为生产线资料,要测算经济回报率,通常会倾向选择价格更低的供应商。如果安全性要求提高,就会像电动汽车行业一样,低端锂电池及系统集成商逐渐退出市场。

五是国有企业的投资运营热情会有所降低。储能电站前期投入资金较大,回收周期较长,收益率并不丰厚,民营企业在此方面没有优势,如今风险问题凸显,势必会打击国有企业甚至金融机构的投资积极性。

去年相关部门已经发布了《关于加强储能标准化工作的实施方案》,以期发挥标准的规范和引领作用,促进储能产业高质量发展。其中提出,到2021年,要形成政府引导、多方参与的储能标准化工作机制,推进建立较为系统的储能标准体系,加强储能关键技术标准制修订和储能标准国际化。

储能安全问题不容忽视

“安全”是储能发展绕不开的话题。近年来,大到储能电站,小到新能源车,起火事故时有发生。这些事故,除了电池本身缺陷外,还存在着很多亟待解决的系统问题。

2017年8月韩国23个储能电站起火事故发生以来,储能安全问题就一直困扰着行业。近几年储能安全也是储能发展绕不开的话题,目前储能安全问题主要来自于电化学储能。(根据《2020储能产业应用研究报告》,仅在2019年,中国储能项目新增装机共计1228.4兆瓦,其中电化学储能项目新增装机678.4兆瓦,占比第一,高达54.5%)

截至2019年底,锂离子电池装机占电化学储能装机规模的82.4%。锂电池在使用过程中,通过锂离子嵌入和拖出释放能量。如果使用不当,如过充、高温、碰撞等条件下可能会诱发电池内部的热化学反应,导致热失控发生。“如果热失控在电池模组内发生传播,会导致系统的火灾事故的发生。”值得注意的是,热失控会产生有毒和可燃气体,而锂离子电池的火灾扑救更困难,给消防带来挑战。

电池组(堆)是最大的安全隐患之一。目前全球主要储能企业以传统电池企业为主,技术类型上基本以两大派系为主,即日韩三元锂电池体系和中美磷酸铁锂电池体系。但也并不是说磷酸铁锂电池绝对安全。2018年8月初,新萄京娱乐网址2492777国江苏一储能项目中磷酸铁锂电池集装箱起火并烧毁,但起火原因目前还未公布。

电池本体因素成为安全核心。储能安全事故成因可划分为电池本体、外部激源、运行环境及管理系统四类。而电池本体因素仍是储能安全的核心,其诱发安全事故的来源主要包括电池制造过程的瑕疵及电池老化带来的储能系统安全性退化两方面。电池在非常规的运行环境及管理系统因素影响下,内部老化过程更加复杂多变,并逐渐演变成安全问题。鉴于电池本体因素长周期演化特征,研究如何通过电池内部老化机理、电池间不一致性演化及对应的外部参数变化,实现对储能系统安全性演化趋势的预测和早期预警,成为当前锂电池储能安全管理的重点。有关专家表示,“受现阶段管理系统的监测管控可靠性限制,对电池本体的充放电的电池荷电状态(SOC)区间有必要适当收紧。一般而言,锂电池在20%~80%的SOC区间工作时充放电内阻较小,发热量也相应较小,并且该区间工作不容易造成电池的过充过放问题,有利于规避因此产生的风险。”

据中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室副教授段强领先容,锂电池在使用过程中,通过锂离子嵌入和拖出释放能量。如果使用不当,如过充、高温、碰撞等条件下可能会诱发电池内部的热化学反应,导致热失控发生。“如果热失控在电池模组内发生传播,会导致系统的火灾事故的发生。”值得注意的是,热失控会产生有毒和可燃气体,而锂离子电池的火灾扑救更困难,给消防带来挑战。近年来,电化学储能技术应用提速,产品投运周期越来越短,在安全标准体系尚不完善、监管机制尚未建立的情况下,各国储能安全事故时有发生。“必须正视这些关键问题。”以江苏昆山储能电站消防设计为例先容,他们通过与国网江苏省电力企业合作,在磷酸铁锂电池预制舱首次配置自动灭火系统、火灾报警及联动控制系统,其中自动灭火系统创新性集成应用了七氟丙烷气体灭火系统和高压细水雾灭火系统,设置了自动控制、远程手动控制等4种控制模式,实现了系统效用最大化,将电池运行的安全系数提到最高。据悉,昆山储能电站是世界单体容量最大的电网侧电化学储能电站,建设规模为110.88兆瓦/193.6兆瓦时,总占地面积31.4亩,共配置88组预制舱式储能电池,电池采用磷酸铁锂电池方案。风险防控与处置相结合。储能安全技术问题的核心分为安全风险和安全处置,前者包括储能系统及部件的电气安全风险、机械安全风险、化学安全风险、火灾安全风险、爆炸安全风险等多个维度。风险分析和风险评估是认知风险的核心内容。接下来就是安全处置,包括参数量化准入限制设定、产品防护设计、消防环节设计、感知预警、紧急处理、运维等。

如何解决储能安全问题

 

一不要恐慌。从理论上来说,储能项目的安全性都能通过工程技术手段去解决,因此没必要引起恐慌。目前遇到的储能事故,主要是有些技术门槛及安全措施没有严格到位。

二不要将事故简单的归结到电池选择上。目前来看,发生储能安全事故的主要原因是锂电易燃,伴随有热失控发生,但引发的事故点往往不是电池,新萄京娱乐网址2492777看到更多的起因是由于电气事故引发。安全是一个复杂的体系,不能简单归结到电池选择上,配套系统同样重要。

三不要以牺牲安全措施为代价压低成本。目前国内储能项目招标价格逼近成本价,同时要求项目短期内必须上马,一方面低成本限制了系统安全措施的投入,另一方面仓促交付会导致系统测试与验证期过短,无法充分论证安全性的问题。因此,在保证安全的前提下实现可接受的技术经济性是储能产业发展需要克服的挑战。 

四要尽快推进安全标准及相关规范的制定。发生事故之后必须把起火的真实原因摸清,针对问题制定解决方案和整改措施。而滞后或空白的相关标准规范,有关部门也要抓紧研究制定和出台。中关村储能产业技术联盟(CNESA)针对储能安全需要也相继开展了联盟标准规范、检测认证等方面的研究制定工作,目前正在制定储能系统的综合评价指标并拟开展相关评价工作,推动行业的健康有序发展。 

五要在储能项目正式运行之前经过充分论证和安全评估。近一年来,中国、韩国、比利时的锂电项目均出现了起火事故,但锂电的主流厂商在欧美市场保持比较低的事故率,部分项目的安全使用时间已经超过8年,国外很多有价值的经验已经转化成为规范和标准。这充分说明虽然锂电存在易燃、热失控的风险,但通过严格有效的管控、从安全角度提高准入门槛,并经过充分的安全测试与权威认证是可以保障锂电池储能系统安全性的。 

六要重视新型水电解液电池发展。大规模蓄电的储能电站,务必将安全放在一切需要考虑的问题之首。储能电站作为经营单位,经济效益也很重要,应该使用能量转换效率高、寿命长、造价和运行成本低、适当兼顾比能量的电池。因此,当前应高度重视新型水电解液电池的发展与应用: 

1.大力发展能量转换效率高于80%、造价低于2元/瓦时、循环寿命达10000次的新型液流电池;现有液流电池也应提高到这个水平。

2.在持续治理铅污染的同时,积极支撑研制比能量大于50瓦时/千克、循环寿命达3000次、价格低于0.6元/瓦时的新技术铅酸电池。

3.鼓励发展比能量大于50瓦时/千克、循环寿命达4000次、价格低于0.8元/瓦时、生产-回收全过程环境友好的新型水电解液储能电池。

在合适的进、出电价条件下,使用上述电池的蓄电站均有可能取得YCC(规模蓄电技术经济效益的判据)指数达1.0的运行效果,且有较高的安全保障。

专家观点

新能源行业专家们认为,“锂离子电池不容易点燃,但是一旦变成火灾时,其火焰强度无法使用水灭火,还会出现如烟花一般的连环爆炸。虽然ESS储能系统普及是值得赞扬的,但需要政府或安全监管机构对此保持重视,至少要具备最小限度的安全概念,需要对已安装储能系统设备进行全方位检查”。

中国科学院电工所储能技术组组长陈永翀教授认为,现有结构设计的锂离子电池应用于规模储能,尚存在较大的安全风险,需要创新突破。尤其是三元锂电池,即使是电池系统的外部电压在正常的范围内,经过一段时间的使用后,也很难保证电池内部材料电化学性能的均一性,局部活性区域容易出现过充或过放,造成锂枝晶短路或电解液分解,继而引发电池的热失控,发生燃烧甚至爆炸。

陈永翀指出,目前的储能锂电池系统缺乏内部可控的安全设计,一旦某个电池出现热失控,很容易导致电池系统的整体失控。因此,锂电池应用于电力储能,还需要较大的技术突破,以解决安全和寿命问题。另外,储能电池的应用安全标准也需要建立起来,避免安全事故的发生。

 中国化学与物理电源行业协会储能应用分会秘书长刘勇表示,截至目前,业界主要目光集中在储能应用的商业模式创新上,而随着储能项目在新能源发电、电网侧、工商业用户侧、电力辅助服务、微电网、光储充电站、能源互联网、智慧能源、数据中心、节能改造、岸电改造等众多领域的广泛应用,以及储能电站规模逐步向兆瓦级、几十兆瓦级甚至百兆瓦级大力推进,如何做好储能系统优化与安全风险预防措施将显得尤为重要。刘勇指出,希翼目前暴露出来的安全风险要引起相关主管部门重视,项目业主要积极做好相关风险安全评估和预案措施,同时,要从目前全球储能项目中暴露出来的安全风险中不断总结经验,优化储能系统整体结构设计,并着力构建产品安全标准体系建设,共同推动储能产业健康稳定发展。

全钒液流电池安全性优势凸显

作为储能领域里的新秀,全钒液流电池的安全性优势凸显。全钒液流电池利用不同价态钒离子之间的相互转化,通过储存、释放化学能从而实现充放电的过程。与目前储能电站的主流电池——使用非水电解液的锂电池不同,由于全钒液流电池电解质离子存在于水溶液中,发生过热、爆炸的可能性大大降低,液流电池的安全性能让其在电池领域脱颖而出。

“坦率地讲,锂电池仍面临着安全性问题的挑战。锂电池导致的爆炸事故不仅是经济损失的问题,也可能带来严重的人身伤害。”中科院大连化学物理研究所洁净能源国家实验室储能技术研究部部长张华民表示,“但全钒电池是稀硫酸和钒的水溶液,只要管理得当就不存在爆炸的危险。”

北京普能世纪科技新萄京娱乐网址2492777在全国多地建有全钒液流电池储能项目,该企业亚太区经理匡桢仁告诉记者,“与锂电池相比,全钒液流电池的特点很突出。最大的特点是安全,全钒液流电池可以做到兆瓦级、百兆瓦级,在电动汽车的规模上做锂电池比较适合,但是做大了就没那么安全。”

同时,张华民指出,全钒液流电池另一个优势在于,其电解液在废弃回收处理后,能够实现重复利用。近年来,随着电动汽车产业扩张,大量报废的锂电池由于含有重金属镍与钴,需要进行大规模的环保回收处理,这也成为了行业内亟需解决的问题。但全钒液流电池的充放电主要是钒离子价态变化,张华民指出,“电解液在充放电不会产生杂质,也不会产生环境污染物,回收经过处理后仍有利用价值,相当于是‘半永久’、可以保值的产品。”

值得一提的是,除安全、可回收等优势外,全钒液流电池生命周期相对更长,目前所建储能电站使用寿命均可达15年左右。“全钒液流电池储能电站建设成本更高,但度电成本可能比锂电池更低。”匡桢仁说。

《储能科学与技术》编委会副主任、中国化工学会储能工程专业委员会委员、清华大学教授王保国表示,在储能技术发展方面,从专业层面上应符合四项基本准则。第一是安全性,要优先选择具有安全特征的技术,比如水溶液就不容易着火、爆炸。在这里新萄京娱乐网址2492777并不是说钠硫电池不好,但钠硫电池需要的条件比较苛刻。另外,也要避免使用可燃性气体。第二,要坚持资源可持续原则。新萄京娱乐网址2492777需要考虑电池消耗的资源是不是可以再利用?如果不能再利用,将来的价格将会无法控制。第三是环境友好。现在环境法规越来越严格,新萄京娱乐网址2492777在使用过程中不能只看一个产品,还要从原材料生产、制造、使用等整个生命周期来考量,是否符合环境要求。第四个原则是社会经济效益原则。企业的目的是要赚钱,因此储能技术一定要能够创造价值。如果一种新研发的技术不能产生新的社会价值,就无法给社会创造新的财富。

全钒液流电池在安全性方面表现突出的同时,其成本近年来也在显著下降。有预测认为,到2025年度电成本有望降低至2000元。“全钒液流电池的研究开发时间相对比较短,目前国家对液流电池的支撑力度也相对较小,从科研经费、产业扶持角度来看,国家对全钒液流电池投入远小于对锂电池的投入。要形成像锂电池一样,从材料到应用完整的产业链仍需要时间。”张华民坦言。

另外,受限于钒在水中的溶解度,相较于锂电池和另一储能“热点”全固态电池,全钒液流电池始终存在能量密度低的劣势。电解质水溶液导致电池体积相对更大,需要配套复杂的管道系统,因此液流电池不适合电动汽车等移动装置,仅限于固定式储能,例如储能电站等。

尽管应用仍受到限制,多位业内专家均对其表示了信心。“如果加大投入,全钒液流电池从性能、成本控制上仍有很大的发展空间,远没有触到‘天花板’。”张华民说。在低温或者极高温的环境下,全钒液流电池比锂电池及铅酸电池将更加安全与可靠,仍旧有其专属的特定市场需求。

 

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