科技城|電化學儲能安全建議:補齊安全標準,拒絕低價中標

原標題:科技城|電化學儲能安全建議:補齊安全標準,拒絕低價中標 來源:澎湃新聞

儲能電站建設運營不規範、安全管理機制不健全、安全預警和處理能力較弱,以及鋰電池的火災處置難等問題,已經嚴重阻礙了行業發展。如何解決這些問題關係到未來電化學儲能行業和能源體系綠色安全的發展。 

一、電化學儲能行業在快速發展的同時安全問題凸顯

電化學儲能市場呈現快速發展趨勢。電化學儲能是主流且技術相對成熟的新型儲能(除抽水蓄能外的新型電儲能技術)技術。2020年全球電化學儲能項目的裝機規模逆勢上漲,刷新了單年新增規模紀錄,達到4.7GW,是2019年的1.6倍;中國新增投運的電化學儲能達1559.6MW,首次突破吉瓦大關,是2019年同期的2.4倍,目前中國已成為全球最大的電化學儲能應用市場。據CNESA預測,在保守場景下,2021年中國電化學儲能累計裝機規模將達到5790.8MW;在理想場景下可達到6614.8MW。「十四五」期間是儲能探索和實現「剛需」應用、系統產品化和獲取穩定商業利益的重要時期,電化學儲能市場有望實現快速增長。

中國電化學儲能正處於從商業化初期向規模化發展轉變的關鍵期。近年來,儲能已在電網調峰調頻、分散式發電及微電網領域展現出廣闊的應用前景,同時它也是支撐新型電力系統的重要技術和基礎裝備,對推動能源綠色轉型、應對極端事件、保障能源安全、促進能源高質量發展、實現碳達峰碳中和具有重要意義。為推動新型儲能快速發展,4月21日,國家發改委、國家能源局下發的《關於加快推動新型儲能發展的指導意見(徵求意見稿)》提出,到2025年,實現新型儲能從商業化初期向規模化發展轉變,裝機規模達到30GW以上;到2030年,實現新型儲能全面市場化發展,成為能源領域碳達峰碳中和的關鍵支撐之一。在此期間,電化學儲能行業將加速向規範化、標準化發展,行業格局有望重塑。

數十起安全事故為電化學儲能行業發展蒙上陰影。據統計,近十 年來,全球共發生了32起電化學儲能電站安全事故,其中30起發生於最近五年,電化學儲能電站安全事故呈高發態勢。由於安全事故原因複雜,很多詳情未能公開披露,但有限的公開資料表明,從事故類型看,三元鋰離子電池安全事故率最高,採用三元鋰離子電池發生事故25起;磷酸鐵鋰目前已知的兩起事故都發生在中國。從發生地域看,韓國儲能電站起火爆炸事故佔24起,這與韓國各大電池企業以三元鋰電池為主流產品有關;從事故發生環節看,儲能電站起火爆炸大多發生在充電中或充電後休止中,佔21起。

二、電化學儲能電站事故原因分析

目前已披露的事故報告主要有:美國亞利桑那州公用事業服務公司(APS) McMicken Battery Energy Storage System Event Technical Analysis and Recommendations(McMicken電池儲能系統事件技術分析與建議)、韓國2017年8月後發生的23起ESS火災事故分析報告,以及北京集美大紅門25MWh直流光儲充一體化電站項目事故分析。據分析,引發電化學儲能電站安全事故的原因主要涉及電池自身、安全標準、安全管理等五個方面,這些問題在中國較為普遍,且目前仍未得到很好解決。

電池產品本身存在安全風險。受技術水平限制,發生事故的電化學電池構造和材料無法阻止電池發生熱失控及其在電池模組內的傳播,且電池會隨著使用時間的增加而老化,導致枝晶生長、產熱增加等火災風險升高,安全性退化。電池能量密度隨著技術進步逐步提高,相同體積的電池產品設備將聚集更多能量,儲能系統部署規模越大,安全風險就愈發集中;新技術和拓撲結構設計不斷湧現,項目建設前對採用新技術和新結構的儲能電池安全性驗證時間難以保證,可能導致有瑕疵的電池並入系統。

電池儲能電站建設安全相關要求有待規範。儲能電站建設標準化是科學安全處置的前提,2015年開始實施的《電化學儲能電站設計規範》(以下簡稱《規範》)中,關於儲能系統標準部分的電池性能指標模糊、應急處置和救援措施要求偏低,風險評估相關要求不明確,易導致監管疏漏出現,存在低價競爭、系統容量虛標虛報,以及已有標準得不到遵循的情況。2020年初發佈的《關於加強儲能標準化工作的實施方案》缺少對安全標準的相關要求,儲能電站的重要性未能得到應有的重視。此外,梯次利用動力電池的安全使用標準缺失,相關儲能電站質量難以保證;部分儲能系統服役時間增加,充放次數逐漸接近設計極限,其安全風險也相應增大。

安全管理體系不健全,各方責任落實不到位。儲能系統安全是一個多因素交織的複雜問題,項目承包部門、實際建設部門、項目運營者、項目所有者、行業主管部門各方的安全管理應形成閉環,且均按照制度規範管理才能最大限度地避免事故的發生。從已披露的信息看,國內儲能電站建設運營方安全意識普遍淡薄,安全管理制度缺失,安全管理體系不健全,各方職責不明或履行不到位,已成為電站安全管理的主要風險。

安全管理系統預警及處理能力不強。從已披露的儲能電站事故報告看,電池管理系統(BMS)大多因早期未監測到電池內部故障發出預警或作出處理,從而引發熱失控;或者是電站缺少氣體監測裝置和通訊系統,未能對易燃易爆氣體集聚做出通風處理,未能及時讓消防救援人員了解到內部環境的危險性。此外,還有一個重要因素就是,BMS、PMS(電源管理系統)、EMS(能量管理系統)之間的信息不能共享,數據沒有發揮其最大價值,BMS與PCS(功率變換系統)控制器的信息交互程度較弱,協同控制能力不足。

消防手段存在局限性,無法有效阻止事態擴大。在消防方面,《規範》只是對電氣安全、消防配置等一般性內容進行了規定,缺少針對性強的消防設計要求,消防安全裝備仍以傳統的消防煙霧報警器、溫度報警器為主,均屬事後報警,無法對電池前期故障進行消防安全處理。與其他類型火災場景相比,電化學儲能電站事故發生頻率偏低,消防部門和消防人員的應對經驗相對不足,技術、裝備較為欠缺,現有消防滅火措施只能處理鋰離子電池儲能系統早期的火勢,難以有效抑制電池熱失控和控制初期火災蔓延, 同時產生的有毒可燃氣體也給火災撲救帶來挑戰, 還可能進一步引發爆炸事故。比如,北京丰台「4.16」事故,就是在對儲能電站南區進行處置過程中,電站北區在毫無徵兆的情況下突發爆炸而導致人員傷亡。

三、幾點建議

加強電池技術研究和安全性強制要求。

一是鼓勵持續改進儲能電芯安全控制技術/安全結構,並實現安全性方面的突破,降低電池出現連鎖熱失控風險。二是借鑒《電動汽車用動力蓄電池安全要求》,適時出台更加嚴格的儲能電池強制性國家標準,並建立監督管理機制,確保強制標準得到切實實施。

完善安全標準體系,引導規範化發展。

一是嚴格准入,提升儲能項目的安全相關門檻。就建設而言,對於儲能電站項目的建設承擔單位,可強化其項目經驗、系統集成能力和已有項目運維效果等方面的要求;以儲能電池型式試驗報告等認定的容量額定值代替普遍存在的依據自行設定的儲能電池容量標稱值核算儲能系統容量,拒絕低價中標,倡導質優安全,促進電化學儲能行業由成本導向向質量導向轉變。就運營而言,電站應加強工作人員識別危險和排除隱患的能力,確保其能正確維護和保養儲能電站設置的安全設施和設備。二是完善原有標準中有關安全的內容,加快補充缺失的安全性標準。比如,將《規範》第13.0.5條有關爆炸危險的條款設置為強制性條款,增加電站選址對人員密集場所和關鍵基礎設施的限制條件或規定不同的安全防範措施,要求與周圍建築留有一定的安全距離,增加防火、滅火、冷卻、抑爆設計要求等。

完善電化學儲能電站的安全管理體系。

一是明確新型儲能產業鏈各環節安全責任主體及安全管理職責劃分,尤其要重視事故報告制度建設,事故發生後應由官方及時公開,且明確對相關責任主體的處理意見,即明確項目相關各方的責任,以保障項目建設運營過程中各項安全職責的切實履行,為之後的建設項目提供有效的風險管控指導,避免類似事故發生。二是完善基於儲能項目技術升級和安全性的檢測認證和監督體系,對核心部件和充放次數接近上限的、梯次利用的儲能系統等進行嚴格管理,確保儲能系統安全可靠地運行,電站工作人員操作安全規程、維護檢修制度等也應納入其中。三是按風險等級對電化學儲能電站進行分類分級管控,對危險等級高的儲能電站進行模擬建模、可行性論證、設備製造、建設安裝、測試運行等,建立全周期安全監管制度和規範。比如,依據中國建築滅火器配置設計規範GB50140,電化學儲能電站的電池室與危險化學品庫房同屬嚴重危險級,可借鑒相關危險化學品安全管理制度,制定電池室的安全管理制度、應急方案、事故報告制度等。

提升安全預防管理的智能化水平。

一是搭建儲能電站大數據平台,將實時參數上傳至統一管理平台作為儲能電站大數據分析和事故預測的依據,研判風險,提前準備,確保及時響應。二是建設智能化程度高、集成水平好的安全管理系統,重點是加強組件和系統的運行狀態在線監測、電池系統和周邊環境的調節措施,以及與消防部門的聯動,比如電池溫度監控、易燃氣體檢測、自動通風系統、各部門聯動通訊系統等,確保能夠在風險達到一定閾值時能夠自動斷電或作出相應處理,以避免事故發生或擴大,為各部門提供信息依據,便於其做出應對措施。

強化針對電化學儲能的消防能力建設。

一是進一步深化儲能電站系統安全研究、儲能系統火災演化機制及防控技術研究, 針對火災防控、早期預警、事故處置等方面的重點攻關,多部門聯合研究制定電化學儲能電站專門的消防安全產品和應對方案。比如,加強消防系統和BMS等系統的信息交互,提高系統整體消防安全等級;認真總結事故教訓,舉一反三,提高消防部門對電化學儲能電站爆炸風險的認識和應對能力,開展儲能電站消防技能培訓和演練。二是支持研發和應用專用特種消防材料和設備應對電化學儲能電站事故,做好防爆準備,進一步研究科學處置流程,避免和減少人員傷亡。

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