今年以來，已相繼發(fā)生多起儲能電站失火事件，且多發(fā)生在海外地區(qū)，所涉及的儲能產(chǎn)品多來自海外頭部儲能集成商，這對全球范圍內(nèi)的儲能企業(yè)都具有警示意義，同時也倒逼儲能行業(yè)對安全技術(shù)更極致的探索與研發(fā)。
10月2日，美國愛達(dá)荷州梅爾巴附近的Idaho Power變電站儲能設(shè)施發(fā)生了燃燒。
9月26日晚，澳大利亞昆士蘭博爾德科姆電池項(xiàng)目的一個特斯拉Megapack 2.0模塊發(fā)生火災(zāi)。據(jù)悉，該項(xiàng)目規(guī)模達(dá)50MW/100MWh，發(fā)生火災(zāi)的Megapack當(dāng)時處于調(diào)試階段。
8月26日，法國Barban地區(qū)發(fā)生了一起鋰電池儲能集裝箱起火事故，火災(zāi)發(fā)生前該儲能電站正在接受調(diào)試。
7月27日，紐約州Chaumont村萊姆小鎮(zhèn)附近的一個太陽能+儲能項(xiàng)目中的電池儲能系統(tǒng)設(shè)備起火。
6月，美國紐約州Warwick項(xiàng)目不到24小時接連發(fā)生兩起儲能系統(tǒng)火災(zāi)，該項(xiàng)目采用的是Powin Energy公司生產(chǎn)的Centipede模塊化電池儲能解決方案。
5月，紐約長島的東漢普頓儲能中心5MW/40MWh儲能系統(tǒng)起火。
值得關(guān)注的是，儲能電站火災(zāi)頻發(fā)的同時，海內(nèi)外儲能產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)也在緊跟儲能安全技術(shù)的最新風(fēng)向，包括但不限于在電池、溫控、消防等核心安全環(huán)節(jié)的持續(xù)探索，以及BMS、EMS等數(shù)字技術(shù)方面的研究。
1、儲能電池的安全進(jìn)階：材料、工藝、結(jié)構(gòu)多方優(yōu)化
電化學(xué)儲能電站起火的內(nèi)因主要包括電池、系統(tǒng)設(shè)備制造瑕疵引起的。從電池層面來看，影響安全的因素包括對材料的選擇、電芯極片毛刺、極片含雜質(zhì)、極耳過長等。
從源頭看，電池材料的選擇十分重要。目前Powin、Fluence、特斯拉等海外儲能系統(tǒng)商正對加碼對國產(chǎn)磷酸鐵鋰材料體系儲能電池的采購。其中，特斯拉Megapack從2022年開始將電芯正極材料從三元鋰變?yōu)榱姿徼F鋰，以降低此前使用日韓系三元材料儲能電池在系統(tǒng)集成中的安全風(fēng)險(xiǎn)。
具體來看，Powin、Fluence、特斯拉已向?qū)幍聲r代、瑞浦蘭鈞、遠(yuǎn)景動力、海辰儲能、億緯鋰能等多家中國電池企業(yè)采購磷酸鐵鋰儲能電池，單筆最大訂單已達(dá)10GWh。
除改用更為安全的材料體系外，在電池形態(tài)方面，馬斯克曾表示未來可能將磷酸鐵鋰4680大圓柱投入到儲能產(chǎn)品中，但目前特斯拉4680量產(chǎn)未達(dá)預(yù)期，且首批電池會率先投入到動力領(lǐng)域，大規(guī)模應(yīng)用到儲能中還需等待一些時日。
電池工藝的選擇對安全同樣十分重要。具體來看，卷繞工藝下的儲能電芯循環(huán)過程中隨膨脹鋰增大拐角處內(nèi)應(yīng)力受束縛無法釋放導(dǎo)致拐角處發(fā)生斷裂，進(jìn)而導(dǎo)致脫粉、毛刺等問題，嚴(yán)重時造成內(nèi)部短路，引起熱失控；而疊片工藝循環(huán)過程中內(nèi)應(yīng)力均勻，安全性較高。
不僅如此，為降低電池溫升帶來的熱失控隱患，儲能電池刀片化亦是一大趨勢。其中，蜂巢能源、益佳通、比亞迪等企業(yè)都率先推出了相關(guān)儲能電芯。
具體來看，蜂巢能源飛疊短刀325Ah儲能電芯厚度薄、層數(shù)少、表面積大，從而更利于散熱，溫升小，1C電流下升溫在5℃以內(nèi)；益佳通280Ah全極耳短刀片電池?zé)峋鶆蛐院?、正?fù)極距離遠(yuǎn)、熱管理難度低，在0.5C工況下，短刀電池的溫差在2℃，在1C工況下，溫差在4℃。
值得一提的是，儲能電池大容量趨勢下，300Ah+電池正受到行業(yè)關(guān)注，已有遠(yuǎn)景動力、海辰儲能、瑞浦蘭鈞、億緯鋰能、蘭鈞新能源、中創(chuàng)新航、鵬輝能源、天合儲能、遠(yuǎn)東電池、楚能新能源等多家電池企業(yè)布局。
然而，隨著電芯容量增大，電芯散熱更加困難，熱量分布不均問題也更加明顯，容易引起電芯熱失控問題。
高工儲能認(rèn)為，電池企業(yè)通過工藝優(yōu)化、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新等方面的研究，可以很好地應(yīng)對大容量儲能電池的安全問題。
具體來看，蜂巢能源將飛疊技術(shù)、L型短刀結(jié)構(gòu)應(yīng)用到325Ah電池中，高效的飛疊技術(shù)使電池的一致性得到保障，L型短刀結(jié)構(gòu)還可以進(jìn)一步控制溫升，抑制熱失控；瑞浦蘭鈞320Ah則通過問頂技術(shù)，將極耳長度由傳統(tǒng)電芯的30mm縮短至13mm，使得電子傳輸電阻更低，能量效率更高，發(fā)熱也更低。
2、消防技術(shù)的進(jìn)階：消防介質(zhì)的革新與PACK級的細(xì)化
目前針對儲能領(lǐng)域所制定的消防安全標(biāo)準(zhǔn)中，不得不提到UL9540A標(biāo)準(zhǔn)，其不僅是全球第一本儲能系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)，目前也已更新至第四個版本（2019），且是專注于消防領(lǐng)域的安全標(biāo)準(zhǔn)。
不僅如此，UL9540A在安全層級的設(shè)計(jì)上也較為全面，包括電芯、模塊、機(jī)柜、安裝四大方面，主要通過評估不同層級熱失控的特性和傳播傾向，使儲能系統(tǒng)在循環(huán)壽命中的潛在風(fēng)險(xiǎn)因素變得更加清晰。
而儲能安全問題的難點(diǎn)就在于對熱失控的控制，最嚴(yán)重的莫過于火勢的大規(guī)模傳遞。
在UL9540A的強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)下，目前海外儲能電站熱失控范圍多集中在單個集裝箱內(nèi)，但其配置的消防裝置、排風(fēng)裝置并沒有很好地起到撲滅火勢以及遏制復(fù)燃的作用，這對系統(tǒng)集成商來說是必須改進(jìn)的部分。
在滅火方面，儲能集裝箱滅火系統(tǒng)常用的滅火介質(zhì)主要包括干粉、氣體和液體，應(yīng)用的主要有水、全氟已酮、七氟丙烷等介質(zhì)，可以撲滅火災(zāi)并阻止復(fù)燃。
其中水降溫效果最好，但存在電氣故障的風(fēng)險(xiǎn)，七氟丙烷滅火響應(yīng)時間最短。一直以來，國外儲能消防都是以七氟丙烷滅火系統(tǒng)為主，但隨著聯(lián)合國《蒙特利爾國際公約》的制定與實(shí)施，七氟丙烷已在2018年已經(jīng)退出了國外儲能消防市場。
而全氟已酮目前憑借不導(dǎo)電、無毒害、對設(shè)備二次損害小等特點(diǎn)，正逐漸獲得海內(nèi)外儲能消防市場的認(rèn)可。
此外，儲能電池發(fā)生熱失控后，會產(chǎn)生氫氣、一氧化碳、甲烷等可燃?xì)怏w，當(dāng)達(dá)到一定濃度后，與空氣中的氧氣結(jié)合，在達(dá)到一定的溫度時就會觸發(fā)火災(zāi)甚至爆炸。而針對可燃?xì)怏w聚集問題，目前較為主流的泄爆方案包括在箱體頂部、兩側(cè)安裝。
現(xiàn)階段，儲能系統(tǒng)消防分為艙級、簇級和PACK級別。其中，艙級消防得益于較高的性價(jià)比，目前是行業(yè)內(nèi)的主流方案。
為追求更細(xì)致、精準(zhǔn)的消防效果，中國儲能消防安全目前已從艙級進(jìn)階到PACK級別，其要求“鋰離子電池室/艙自動滅火系統(tǒng)的最小保護(hù)單元宜為電池模塊，每個電池模塊可單獨(dú)配置滅火介質(zhì)噴頭或探火管”。
PACK浸沒式消防則是將火災(zāi)抑制劑通道連接至系統(tǒng)內(nèi)部每一個PACK中，當(dāng)告警型號被觸發(fā)時，會根據(jù)每個PACK內(nèi)部的監(jiān)測模塊提供的定位信息，開啟消防主機(jī)以及對應(yīng)電池簇的消防電池閥，向發(fā)生明火的電池PACK注入滅火劑，實(shí)現(xiàn)秒級別滅火，小時級別不復(fù)燃的效果。
3、溫控技術(shù)的進(jìn)階：風(fēng)冷、液冷、浸沒式、無空調(diào)冷卻
溫控技術(shù)方面，目前儲能溫控技術(shù)主要包括風(fēng)冷、液冷兩大技術(shù)路線，為尋求市場差異化，目前部分企業(yè)還推出了浸沒式液冷、無空調(diào)冷卻等新型溫控技術(shù)。
風(fēng)冷即利用空氣作為冷卻介質(zhì)對電池系統(tǒng)進(jìn)行冷卻；液冷系統(tǒng)一般采用乙二醇水溶液作為冷卻劑，冷卻液流經(jīng)集成在電池系統(tǒng)內(nèi)部的液冷板，以降低電池溫度。
海外市場此前以風(fēng)冷技術(shù)路線為主要方案，目前頭部企業(yè)已進(jìn)階到液冷方案。
其中，F(xiàn)luence在2020年以前的集成產(chǎn)品均為風(fēng)冷方案，2020 年后推出的新一代產(chǎn)品中，光伏配儲和工商業(yè)儲能產(chǎn)品提供風(fēng)冷和液冷兩種選擇，電網(wǎng)級儲能產(chǎn)品僅提供液冷配置。
而在特斯拉最新的大型儲能產(chǎn)品Megapack2 XL，采用了冷機(jī)組類似特斯拉車用的熱管理系統(tǒng)。液冷機(jī)組的水泵、儲液罐、進(jìn)出水管和電控等部件安裝在預(yù)制艙中間隔室內(nèi)，散熱器和風(fēng)扇安裝在預(yù)制艙頂部的隔室內(nèi)。
由此可見，海外市場對液冷接受度較高。對比國內(nèi)市場，當(dāng)前國內(nèi)儲能液冷滲透率較低，但根據(jù)GGII數(shù)據(jù)，國內(nèi)儲能領(lǐng)域液冷溫控滲透率預(yù)計(jì)到2025年有望迅速提升至45%。
且隨著液冷技術(shù)換熱系數(shù)高、比熱容大、冷卻效果好的特點(diǎn)正被國內(nèi)市場認(rèn)可，國內(nèi)頭部儲能企業(yè)也開始布局液冷產(chǎn)品。
國內(nèi)液冷儲能產(chǎn)品主要包括：寧德時代Ener One、比亞迪Cube、陽光電源PowerTitan、PowerStack、G2 Elementa、遠(yuǎn)景智慧液冷儲能系統(tǒng)、蜂巢能源鉅·一體化液冷儲能系統(tǒng)等。
更進(jìn)一步，儲能溫控技術(shù)與消防結(jié)合，還衍生出了浸沒式液冷技術(shù)，該技術(shù)區(qū)別于液冷板間接式冷卻方式，而浸沒式則把電芯浸泡在特定的冷卻液中，通過液體把熱量帶走，以此實(shí)現(xiàn)熱管理。與此同時，液體還可以起到消防的作用。
目前，楚能新能源、南瑞繼保、易事特、科創(chuàng)儲能等企業(yè)都布局了浸沒式液冷產(chǎn)品。其中，楚能新能源儲能“浸默”電池安全系統(tǒng)，以主動浸沒式液冷為亮點(diǎn)，可在3分鐘完成內(nèi)將熱失控電池包完全浸沒，抑制電池?zé)崧?，減少經(jīng)濟(jì)損失。
無空調(diào)溫控技術(shù)方面，目前寧德時代推出了零輔源光儲融合系統(tǒng)，天合儲能則公布了無空調(diào)系統(tǒng)的解決方案，兩大產(chǎn)品都主要與高溫儲能電芯搭配使用。
針對無空調(diào)冷卻技術(shù)的創(chuàng)新，寧德時代儲能方案總監(jiān)唐志堯介紹，零輔源光儲融合系統(tǒng)解決方案，使用高溫電芯技術(shù)，有效提高儲能高溫環(huán)境適應(yīng)性，無需冷卻。天合儲能產(chǎn)品研究院院長楊凱博士則表示，如果把電芯的最佳運(yùn)行溫度提高到45度，空調(diào)基本就無用武之地了。
4、數(shù)字化在儲能安全中的應(yīng)用
從儲能電站投運(yùn)的環(huán)境來看，大多處于戈壁荒漠地帶，且運(yùn)營時間長達(dá)10年以上，單純通過人力對電站進(jìn)行監(jiān)測、維護(hù)、追蹤的效果十分有限，更多的情況是無人值守。
因此，儲能電站對遠(yuǎn)程控制、BMS、EMS、AI等數(shù)字技術(shù)的投入可有效預(yù)警儲能電站事故的發(fā)生，起到及時止損的作用。不僅如此，儲能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，可進(jìn)一步滿足新型電力系統(tǒng)安全、高效、柔性、靈活、智慧等需求，發(fā)揮儲能的真正的價(jià)值。
采日能源董事長李峰也曾告訴高工儲能，經(jīng)驗(yàn)、數(shù)據(jù)、算法是儲能市場未來的核心。”通過算法深層次的不斷驗(yàn)證、不斷修復(fù)，才能最大效率地保障儲能安全。
具體來看，BMS 主要負(fù)責(zé)監(jiān)測電池的充電情況以及充電和放電階段的溫度，當(dāng)檢測到溫度超過安全范圍時，BMS會形成相關(guān)數(shù)據(jù)向上層管理系統(tǒng)上報(bào)，以及時關(guān)閉電源，防止內(nèi)部電池溫度繼續(xù)升高。
考慮到儲能電站向GWh邁進(jìn)，以及電站10年以上的運(yùn)營時間等因素，對BMS處理數(shù)據(jù)的可靠性、精確度、響應(yīng)速度、儲存時長提出了更高的要求。
EMS則負(fù)責(zé)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行中的故障異常，并基于大數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化故障預(yù)測，利用多種人工智能算法模型，對電池的生命周期進(jìn)行可視化分析，識別故障的早期征兆并做出安全預(yù)警設(shè)計(jì)，提升儲能安全性。
寧德時代零輔源光儲融合系統(tǒng)中，每一個組串式光儲變流器都搭載獨(dú)立的本地能量管理系統(tǒng)（Local EMS），其不僅可以實(shí)現(xiàn)毫秒級響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)輸出功率“零”偏差，運(yùn)用到安全方面，可及時進(jìn)行事故預(yù)警。
華為數(shù)字能源FusionSolar智能光儲解決方案，通過數(shù)字技術(shù)與電力電子技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化監(jiān)控與充放電管理，并通過數(shù)字孿生技術(shù)感知電站的每一個部件，保障更為細(xì)致的安全。
海外方面，F(xiàn)luence最新產(chǎn)品Gridstack Pro電池儲能系統(tǒng)，可處理更先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集和熱管理，對系統(tǒng)架構(gòu)的所有層進(jìn)行全面的軟件控制；特斯拉則開發(fā)了Powerhub實(shí)時監(jiān)控平臺，所有的Megapack都可連接到該平臺，用于管理儲能發(fā)電和微電網(wǎng)。
原標(biāo)題：儲能電站失火“頻發(fā)”：看儲能四大安全技術(shù)“進(jìn)階”
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