中国储能网欢迎您!     主管/主办:中国化学与物理电源行业协会储能应用分会
让你掌握储能产业最新动态!
当前位置: 首页  > 首屏 > 储能安全与消防  返回

国内外储能项目事故分析及对安全标准的需求

作者:中国储能网新闻中心 来源:储能科学与技术 发布时间:2022-08-14 浏览:

中国储能网讯:

作者:唐亮1, 尹小波2, 吴候福3, 刘鹏杰4, 王青松4

1.中关村储能产业技术联盟,北京 100190

2.中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司,北京 100120

3.广州鹏辉能源科技股份有限公司,广东 广州 511483

4.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,安徽 合肥 230026

摘要:储能作为新型电力系统的关键组成,市场规模取得了快速增长。在储能产业发展的同时,国内外储能项目事故也在不断发生,大多数是锂离子电池储能事故,引起了社会对储能安全的关切。储能产业亟需明确储能安全标准要求,提升储能产品和项目建设的准入门槛,避免恶性事故再度发生。

本工作回顾了近两年国内外储能项目事故情况,统计了事故发生时储能项目所处的状态和储能技术类型,从事故角度分析了相应阶段对储能安全标准的需求。对电力储能系统安全相关标准,本工作重点梳理了主要的IEC标准、美国标准和国内现有的国家标准、地方标准,简要分析了相关标准的要求和特点,最后从储能项目全生命周期的角度总结了设计建设、运输、运维、消防安全、应急救援和退役回收等各阶段储能安全标准有待进一步解决的问题,并对下一步相关工作的开展给出建议,以期推动国内相关标准的完善,为储能产业安全健康发展奠定基础。

随着双碳目标成为全球共识,新能源将迎来跨越式发展,装机规模在电力系统中的比重也将不断增大。储能作为保障新能源消纳、提升电力系统灵活性、支撑新型电力系统安全稳定运行的关键技术之一,也将迎来爆发式增长。根据中关村储能产业技术联盟(CNESA)不完全统计,2021年全球新型储能新增投运规模达10.2 GW,同比增长117%,新型储能市场依然保持高速增长态势。

电化学储能技术由于能量密度、效率、成本、建设周期等优势,在新型储能市场中取得了绝对优势地位。相对钠电池、铅蓄电池、液流电池等其他电化学储能技术而言,锂离子电池在储能行业中的应用最为广泛,一方面因为其能量密度高、循环寿命长和成本低等优势,另一方面电动汽车的快速发展带动了锂离子电池规模化生产。根据CNESA不完全统计,截至2021年底,全球新型储能累计装机规模达25.4 GW,锂离子电池技术占比超过90%,占据绝对主导地位。

目前储能电站中采用的锂离子电池主要包括三元、磷酸铁锂两种材料体系,三元锂离子电池热稳定性较差,在热失控情况下会发生析氧,与电解液发生反应,具有更大的火灾危险性。基于国内外锂离子电池事故经验和安全考虑,根据CNESA的不完全统计,目前国内投运的锂离子电池储能项目中,磷酸铁锂电池占据了98%以上的份额。锂离子电池热失控时会释放H2、CO、CH4等多种易燃易爆气体,安全隐患较大。特别是在储能系统中,电池单体按特定要求经串并联连接后组成模组集中使用。一旦单个电池发生热失控,所释放的热量可能会造成整个模组热失控传播。同时释放的可燃气体在储能箱体封闭空间内聚集,甚至可能导致整个储能电站发生火灾、爆炸事故。

在储能产业快速发展的同时,国内外的储能事故也屡见不鲜,安全已成为制约储能产业发展的瓶颈之一。明确储能安全标准要求,提升储能准入门槛,避免恶性储能事故,已成为储能产业发展的基本需求。基于此,本工作通过对主要的储能安全标准对比研究,指出国内现行储能安全标准亟待解决的问题,并对储能安全标准的完善提出参考建议,旨在促使储能系统安全建设运行。

1 近两年储能安全事故

根据CNESA不完全统计,近十年全球储能安全事故发生60余起。2021年全球储能市场爆发,大规模储能项目越来越多,单个储能项目规模越来越大,储能安全隐患也随之增大。截至目前,2021年、2022年全球共发生18起储能项目事故(表1),其中北京丰台大红门储能项目事故发生起火爆炸,澳大利亚维多利亚特斯拉大电池储能项目持续燃烧4天,美国亚利桑那Chandler电池储能项目事故持续喷淋12天才控制住,消防救援时除采用水控制火势之外,没有其他更有效的措施。

表1   2021—2022全球储能事故

注:不包括户用储能事故;项目信息来源:CNESA全球储能数据库。

从项目状态来看,投运1年及以上的事故10起,投运不足1年的2起,运输中1起,建设调试中的3起,其余2起状态未知;从电池类型来看,其中三元锂离子电池事故最多,共11起,磷酸铁锂5起,其余2起电池类型未知。

很多事故的直接起因并不一定是电池,但锂离子电池是导致事故发展难以控制的关键因素。目前相关的电池标准仅针对新电池,而安全事故往往是在运行过程中发生。电池随着运行发生老化,性能衰减,电池间不一致性不断加大,安全风险也在不断增大。此外近两年事故还包括建设中、调试中、运输中的储能项目,这些都对相关的安全要求提出了需求。

公开的事故调查报告也表明,当前为有效预防储能事故、控制事故危害,需要进一步规范储能的选址布局,明确储能设计、施工、验收等要求。针对储能系统安全,除了关注电池安全之外,还需要从电气安全、系统集成、监控、事故预警、灭火和应急措施等不同层面加以改进。

2 储能安全标准现状

国际电工委员会(IEC)成立了TC120负责制定储能相关标准。美国和中国储能市场大、应用场景复杂和需求多样,储能相关标准研发推进较快,欧洲、日本、韩国等更多直接等同或修订采用IEC标准。

2.1 IEC储能安全标准

IEC TC120成立于2012年,主要关注所有能够储存、释放电能的储能技术,以及储能系统与电力系统之间的互联。TC120下设5个工作组分别负责术语、性能参数、规划建设、环境和安全相关标准。表2为目前TC120制定的储能安全相关标准。

表2   IEC TC120制定的电力储能系统安全相关标准

IEC 62933-5明确了接入电网的储能系统全生命周期过程中的安全注意事项,提供了储能系统的危险因素、风险评估和降低危害的必要措施以及相应的测试验证。

除TC120外,IEC碱性和非酸性蓄电池分技术委员会TC21/SC21A是制定锂离子电池相关国际标准最主要的组织。表3为SC21A制定的储能相关的锂离子电池安全标准。

表3   IEC SC21A制定的锂离子电池安全相关标准

IEC 62619涵盖了各种工业设备用锂离子电池和电池组的基本安全要求,通过外部短路、撞击、跌落、热滥用、过充电、强迫放电、内部短路、热失控蔓延等试验来对电池安全进行评估,并需要通过功能安全测试来验证电池系统的过充电流保护、过充电压保护、过温保护功能可靠性。此外在最终的应用时需要满足相应的电气安全、电磁兼容要求。

IEC 63056在IEC 62619的基础上,规定了最大直流电压不超过1500 V的电能存储系统的附加要求和特殊要求,增加了异常高温、反接保护、过放保护、运输安装时的电气绝缘和短路保护以及安装运维时的跌落等测试要求。图1为IEC 63056适用范围示意图。

图1   IEC 63056标准适用范围

2.2 美国储能安全标准

为解决储能安全问题,美国能源部(DOE)2014年发布储能安全战略规划,并于2015年成立储能安全工作组。标准工作组是储能安全工作组下设的三个工作组之一,主要推动和协调相关的标准制定机构(SDO)制修订储能安全相关的标准。DOE通过项目支持储能相关研发,并与SDO合作,填补储能标准空白[9]。

美国储能标准主要覆盖储能项目建设、储能系统、储能技术本体和关键设备等层级,与储能安全相关的标准主要有下列标准。

美国消防协会(NFPA)制定的NFPA 855“Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems”2019年正式发布,规定了电池储能系统部署要求,列出了各种储能项目设计和安装注意事项,包括不同场所中的间距、消防装置、通风以及相关的防火等要求。

美国保险商实验室(underwrites laboratories,UL)制定的UL 9540和UL 9540A目前已成为所有电池储能系统安全保证的基础测试标准。NFPA 1“Fire Code”、NFPA 70“National Electrical Code (NEC)”以及International Code Council (ICC)制定的“International Fire Code”等要求储能系统必须通过UL 9540认证。UL 9540“Energy Storage Systems and Equipment”第一版2014年发布,2020年发布第二版,涵盖了电化学储能系统、机械储能系统和储热系统的建设要求,并要求电池满足UL 1973标准,逆变器等满足UL 1741标准。

UL 9540A“Test Method for Evaluating Thermal Runaway Fire Propagation in Battery Energy Storage Systems”是评估电池热失控特性的测试方法,通过测试热失控下产生的各种气体的浓度以及燃烧速率、爆炸压力等来评估火灾、爆炸的危害。NFPA 855等标准中要求电池容量、距离等超出限制时,需要向监管部门提供UL 9540A的测试结果。

UL 1973“Batteries for Use in Stationary,Vehicle Auxiliary Power and Light Electric Rail (LER) Applications”对电池的产品结构要求、电气试验、机械试验、环境试验、铭牌标识、用户手册、出厂测试要求等作出了规定,并在附录中给出了零部件应符合的标准以及高温钠电池、液流电池测试要求。

UL 1741“Inverters,Converters,Controllers and Interconnection System Equipment for Use With Distributed Energy Resources”覆盖了光伏并网逆变器、储能并网变流器、光储并网逆变器、DCDC变流器和快速关断设备等产品,对产品结构要求、人身危害风险防护、输出功率特性和电网适应性、安全性能、标识、出厂测试等作出了规定,并在附录中明确基于IEEE 1547、IEEE 1547.1的附加验证要求。

IEEE 1679“IEEE Recommended Practice for the Characterization and Evaluation of Energy Storage Technologies in Stationary Applications”为不同的储能技术提供了一个统一的性能、寿命和安全的评估方法,主要包括能量效率、自放电性能、存储性能、日历寿命等性能要求,老化和失效机制以及安全设计、标识要求、使用和滥用等安全考虑,有助于储能开发商、用户等来评估和比较不同的储能技术和产品。

2.3 国内储能安全标准

全国电力储能标准化技术委员会(SAC TC550)2014年正式成立,负责电力储能领域国家标准的管理,已形成覆盖规划设计、设备及试验、施工及验收、并网及检测、运行与维护、评价等方面的储能标准体系。

目前与储能安全相关的标准主要有:① GB 51048—2014《电化学储能电站设计规范(修订中)》;② GB/T 34120—2017《电化学储能系统储能变流器技术规范》;③ GB/T 34131—2017《电化学储能电站用锂离子电池管理系统技术规范》;④ GB/T 36276—2018《电力储能用锂离子电池》;⑤ GB/T 36558—2018《电力系统电化学储能系统通用技术条件》;⑥ GB/T 40090—2021《储能电站运行维护规程》;⑦ DB11/T 1893—2021《电力储能系统建设运行规范》;⑧ 《电能存储系统用锂蓄电池和电池组安全要求(在编)》。

电池安全标准方面,GB/T 36276—2018规定了储能用锂离子电池的技术要求,其中包括电池过充、过放、绝缘、耐压、短路、挤压、跌落以及热失控和热失控扩散等安全要求。2021年底强制性国家标准《电能存储系统用锂蓄电池和电池组安全要求》正式立项,由中国电子技术标准化研究院组织起草中。

储能设备标准方面,GB/T 36558—2018规定了储能系统的能量转换效率、充放电时间等性能要求以及保护、监控、通信、计量等要求,GB/T 34120—2017规定了储能变流器的功能和性能要求,GB/T 34131—2017规定了电池管理系统的功能和性能要求。

储能建设标准方面,最早的标准GB 51048—2014于2014年发布,规定了储能电站的站址选择、规划布置、电气、土建、通风、给排水、消防等要求,目前仍在修订中。储能电站运维方面,GB/T 40090—2021规定了储能电站的正常运行、异常运行及故障处理、维护等过程的技术要求。为满足北京市储能项目安全建设需求,2021年12月28日北京市地方标准DB11/T 1893—2021《电力储能系统建设运行规范》正式发布,以“事前预防为主、安全监控为辅”为原则,明确了储能系统设计、施工、验收、运行维护及退役和应急处置要求。

与IEC、美国等储能安全标准对比,国内储能建设标准GB 51048—2014制定已有8年,有待修订;针对储能应用的电池安全标准仍在制定中,储能系统相关的电气安全、功能安全、电池热失控蔓延、火灾试验等相关要求有待进一步明确。

3 储能安全标准亟待解决的问题

从2011年美国夏威夷发生储能事故以来,储能事故已伴随储能产业发展十多年。储能安全一直被行业所重视,但从未得到根本解决。要确保储能安全,首先要从设计建设之初详细考虑各种安全风险因素和应对措施,其次是在投运阶段做好运维监控,及时发现安全隐患并加以解决。

3.1 设计建设

GB 51048—2014《电化学储能电站设计规范》对锂离子电池火灾危险性客观认识不足[11],而大量研究表明锂离子电池的火灾危险性较高,同时由于热失控产生大量的易燃易爆气体,存在爆炸危险。储能的设计建设有待根据不同储能技术的安全风险,进一步明确相关的选址、布局、通风、排烟防爆和消防安全等要求以及相应的施工建设要求,以指导储能项目建设,以及监管部门、用户等对储能项目的评估。此外根据韩国储能火灾调查报告电气绝缘故障是造成事故的重要因素,有必要进一步明确储能系统电气安全要求以降低火灾隐患。

3.2 运输

在锂电池运输安全方面,UN 38.3作为国际通行标准,明确了锂电池运输状态条件的一系列测试要求,包括高度模拟、热测试、振动、冲击、55 ℃外短路、撞击试验、过充电试验、强制放电试验等。《国际海运危险货物规则》(IMDG Code)将储能电池集装箱等类似产品归类为UN3536,并执行SP389要求。目前针对成套储能系统的运输,还未有其他的明确要求。

3.3 运维

锂离子电池在使用过程中会发生衰减,为避免事故,需要对电池进行实时监测,准确计算电池健康状态。通过对电池的健康状态、容量、温度、释放气体以及储能系统的环境温度、告警信息等运行状态实时监测和评价,对各种潜在风险进行早期预警并及时处理,有望实现储能“零事故”。部分储能事故是在系统投运一段时间后发生,证实了有待进一步明确储能系统运维监测相关要求。

3.4 消防安全

储能相关电力设备可以参考DL 5027《电力设备典型消防规程》进行消防安全管理,确定防火灭火措施,但是针对锂离子电池的防火灭火,目前相关标准要求没有给出明确措施,可能导致实际项目难以执行。国家标准《电化学储能电站安全规程》征求意见稿中对于灭火介质要求绝缘、降温,能够扑灭火灾且防止复燃,但从国内外事故和相关研究来看,传统的干粉、七氟丙烷、全氟己酮、CO2等灭火剂难以满足该需求,3M公司在2017年8月对NFPA 855委员会表示其气体灭火剂Novec 1230无法有效预防、阻止锂离子电池热失控。此外针对储能模组、储能柜、储能集装箱等不同尺寸级别的火灾特性有待进一步研究,这些相应的相关要求都有待进一步明确以便于落地执行。

3.5 应急救援

2019年美国亚利桑那储能事故、2021年北京大红门储能事故发生人员伤亡、2021年澳大利亚储能事故连烧4天、2022年美国亚利桑那储能电站事故持续两周,这些事故引发了社会广泛关注。锂离子电池一旦发生热失控,灭火非常困难;此外储能项目中锂离子电池布置方式导致消防水很难直接作用于事故电池。有效的灭火手段和应对措施仍有待行业研究。

3.6 退役回收

锂离子电池储能退役如果处置不当可能会带来两大问题:一是环境污染;二是存在严重的安全隐患。工信部发布的《新能源汽车废旧动力蓄电池回收利用管理暂行办法》《新能源汽车废旧动力蓄电池回收利用溯源管理暂行规定》和《新能源汽车废旧动力蓄电池综合利用行业规范条件》,要求对动力蓄电池全生命周期过程实施监测,建立动力蓄电池回收渠道和溯源管理平台。未来储能电站的退役可借鉴动力电池退役相关要求,但回收过程中电池运输、贮存以及后期处理的安全风险仍有待研究。

4 结论

储能产业处于爆发式发展时期,储能技术更新迭代较快,储能应用不断创新,但储能安全问题依旧突出。为进一步支撑储能产业的安全发展,推进储能安全相关标准制修订,本工作归纳对比了IEC、美国和国内主要储能安全标准,系统地分析和比较了各标准特点。同时,通过对近两年典型储能事故进行统计梳理,分析了储能安全标准亟待解决的问题,总体有以下建议:

(1)监管部门应优先推动制定储能安全相关标准,在没有可靠解决方案的情况下,从做好安全监控、事故预防和危害控制等方向适当提高安全准入要求,减少事故发生,杜绝重大事故;

(2)尽快推动储能电站设计规范、锂离子电池安全标准出台,从源头为储能项目的安全建设提供指导,针对实际项目中难以落地的要求加快推进相关研究,支持标准未来进一步的更新完善;

(3)鼓励储能产业链相关企业从市场需求出发,从不同层面不断提升储能本质安全和防护安全水平,大力支持储能安全研究,为相关标准的制修订提供实际数据和经验,推动标准的落地应用;

(4)储能产业和监管部门应鼓励对储能事故公开讨论,分析研究事故原因,充分总结事故经验,并在相关标准制修订中充分考虑,避免重蹈覆辙,同时积极引入保险为储能产业未来的快速发展做好保障;

(5)鼓励出海企业积极参与相关的国际标准,做好国内外标准衔接,进一步推动国内储能产业安全、健康发展。

相信未来在产业链各方共同努力下,储能安全相关标准不断完善,储能将会迎来更为广阔的应用前景。

分享到:

关键字:储能安全

中国储能网版权说明:

1、凡注明来源为“中国储能网:xxx(署名)”,除与中国储能网签署内容授权协议的网站外,未经本网授权,任何单位及个人不得转载、摘编或以其它方式使用上述作品。

2、凡本网注明“来源:xxx(非中国储能网)”的作品,均转载与其他媒体,目的在于传播更多信息,但并不代表中国储能网赞同其观点、立场或证实其描述。其他媒体如需转载,请与稿件来源方联系,如产生任何版权问题与本网无关。

3、如因作品内容、版权以及引用的图片(或配图)内容仅供参考,如有涉及版权问题,可联系我们直接删除处理。请在30日内进行。

4、有关作品版权事宜请联系:13661266197、 邮箱:ly83518@126.com