当前,在国家“双碳”战略下,以光伏、风电为代表的新能源蓬勃发展。随着光伏、风电大量的接入,电网的调频、调峰资源需求急剧上升,储能系统在解决新能源消纳、增强电网稳定性、提高配电系统利用效率等方面发挥的作用日益重要。电化学储能(锂离子)系统,由于部署环境要求低,适用场景多,其应用规模正在快速增长。
电化学储能虽然前景广阔,但也面临不少困难。首当其冲的就是安全问题。锂离子电池在制造工艺上正负极之间只有一层很薄的隔膜绝缘。在长期数千次的充放电循环中,尤其是过充过放状态下,电化学反应中负极会有锂晶体析出现象发生,若持续累积则可能最终将刺破隔膜,造成电芯短路故障,局部热失控。基于锂离子的电化学储能系统将数千个电芯进行串/并联放在集装箱有限空间内,其中任何一个电芯出现安全问题,如果没有严密的安全防护措施提前应对,都可能引起系统的连锁反映,造成爆炸事故。
近年国内外已经出现过数十起储能电站安全事故问题。以韩国为例,自2018年以来已经累计发生24起电化学储能电站起火爆炸事故。
欧美等电化学储能应用较早的区域,已经明确将储能电站电池热失控风险评估(如:北美UL9540A)做为强制入网标准。当前国内尚未出台针对储能电站电池系统的安全规范及技术标准要求,仅有部分团标提及储能集装箱安全间距、防火要求。
为此,姜希猛建议:
(一)尽快出台储能电站建设运维安全指引标准,完善电化学储能电池系统热失控发生前预警、事故时保护机制、事故后防扩散技术要求,指导国内储能电站安全体系建立,降低储能电站失火风险,为储能安全、有序、高质量发展打好基础。
(二)出台储能产品设计和生产安全架构指引标准。在系统设备的技术层面,要求储能系统制造商具备从电芯、模块、电池簇、到集装箱系统的多级安全保障设计,用先进的技术架构提供安全、可靠的储能产品整机方案。
1、电芯级——通过相应的技术手段对电芯的内短路情况进行检测,识别内短路问题,并提前预警,防患于未然。
2、模组级——电池模块发生故障后应及时切除故障模块避免故障扩散。电池模块在安装、维护等非开机工作状态时接线端子应处于保护状态,即使误短路、触摸也不会造成安全风险。
3、电池簇级——两个以上电池簇直接并联时,由于电池不一致性,不可避免会出现簇间充放电电流不均衡以及簇间环流问题,这些问题会导致电池发热以及安全隐患,应采用技术手段进行簇级充放电均流控制及防簇间环流措施。同时,在紧急状况出现时,电池簇应具备主动关断功能,实现从部分短路到完全短路的全范围保护。
4、集装箱级——储能系统热失控后,集装箱内将聚集大量可燃气体。因此集装箱系统应具备可燃气体探测器、火灾探测器、清洁气体灭火装置、可燃气体排放装置。实现消防前智能检测、主动排气,储能集装箱的排气通风量必须满足《爆炸危险环境电力装置设计规范》GB50058-2014要求,避免可燃气体聚集、爆燃。在结构设计上,电池舱应与环控、配电和消防等应分仓设计,保障监控及消防系统在电池舱出现事故异常时不受影响,能够独立持续正常运行。
(三)从国家层面建立锂离子电池全生命周期可追溯机制。锂离子电池作为电化学储能关键部件,应将其生产制造、系统组装、运行、维护、退役等环节纳入数字化平台监测,做到事故可追溯,产品质量可溯源。从源头上提升电池质量,杜绝储能安全事故,为电化学储能的长期发展铺好基石。
(四)建立健全储能系统权威、透明、统一的国家(或省级)安全管理实时监控平台,以信息化手段提升储能系统安全监管实效。通过大数据、信息化手段对中大规模的储能系统运行实时监控,实现全国各地区储能信息有效共享,提升安全检查及上网设备运行状态评估能力,助力以新能源为主体的电力结构转型。