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                        鋰電池儲能安全方案

                        文章來源:本站 人氣:10 次 發表時間:2023-06-16

                         

                        目前,儲能電站和電池充電器的安全事故時有發生。本文將討論電化學儲能電站的安全風險,發現并分析了已知和未知的問題,并將提出鋰電池儲能安全的解決方案。

                         

                        1.液冷產品的技術路線是什么,有什么區別?

                        目前,很多儲能系統集成商推出的液冷產品都不是簡單的系統散熱,而是高門檻的液冷儲能技術。它通過冷卻劑的對流直接將熱量輻射到電池中。難點還包括如何降低冷卻液泄漏的風險,它通過考慮多維度的設計、環境條件、散熱要求和可靠性要求,完全可以滿足儲能電站的電池存儲安全要求。

                        就液冷產品而言,溫控企業和儲能系統集成商采取的技術路線可以說是一致的。不同廠家應用的基本原理相同,差異主要體現在產品設計的具體實施上,如能效等級、結構布局、核心部件選擇、制冷劑類型、電子電氣設計等。

                        與風冷系統相比,液冷系統在熱傳導、能量密度、安全性、可靠性等方面有明顯優勢。特別是在解決了風冷系統中電池溫度不均勻的問題后,電池模塊的循環壽命和可靠性有了很大的提高。

                        企業在產品設計中應考慮以下兩個方面: 一是溫控系統自身的火災風險管理和阻燃性能,不要因為自身的問題而危及儲能電站的安全;二是溫控系統要為儲能電池安全提供穩定可靠的電池冷卻方案,保證電池不因溫控故障而過熱,而以上兩點對于溫控企業和儲能集成商的技術方案要求是一致的。

                        除了要求溫控產品按規定進行優化設計和可靠制造外,還應根據不同儲能電站的技術特點,匹配相應的溫控方案。溫度控制公司和儲能系統集成商的液體冷卻產品的側重點會有所不同。溫控公司更注重液冷主機的開發,而儲能系統集成商集成商則更關注整個電池儲能安全系統的溫度控制,不僅包括液冷主機的功能,還需要結合電池液冷端的性能,最終目的是很好地滿足電池溫度的一致性。

                        目前,一些集成商的液冷方案,溫度一致性已經達到了2.5攝氏度以內,電池的壽命也得到了很大的提高。由于溫控企業仍然是溫控領域最專業的解決方案提供商,相信未來溫控企業與系統集成商共同研發液冷系統將是行業的發展趨勢。

                        對于儲能電站的安全要求,保持電池溫度良好的一致性,在一定程度上可以防止電池 “熱失控”,但勉強依靠溫控方案的改進并不能有效解決安全隱患。儲能電站每次發生安全事故的原因都很復雜。為了保證儲能電站更高的安全性,如何從電池、電池管理、溫控系統、消防等方面避免、預防、及時控制和最大限度地減少安全隱患的損失,將是儲能電站的健康發展。這將是一個健康發展的行業需求。

                         

                        液冷電池箱系統模型

                         

                        目前,儲熱管理的方式主要有兩種:風冷和液冷,各有各的特點。但由于液冷所使用的防凍劑密度是空氣的1000倍,比熱是空氣的4倍,作為熱載體與空氣冷卻相比具有載熱能力大、傳熱效率高的特點,在能量密度較高、充放電速度較快、環境溫度變化較大的情況下,對電池熱失控的防止更為有效。

                        現在市場上的液冷產品其實是二者的深度結合,從技術路線上看沒有大的區別,基本采用的是液冷單元和Pipeline以及液冷箱的方案。液冷的作用是通過制冷劑與電池之間的熱交換,實現對電池的溫度控制,使電池能在更合適的溫度下工作,延長電池的使用壽命。同時,當電池熱失控時,它可以延緩熱失控的蔓延時間。但是,它不能防止熱失控的發生和蔓延。

                        無論是溫控企業的液冷產品的設計和測試,還是儲能系統集成商的使用和測試,都是以滿足儲能電站的安全要求為前提的。技術路線是一樣的,但產品的意識形態是不同的。2021年以前,中國儲能系統使用的電池組件主要是風冷產品。自比亞迪率先推出符合中國標準的液冷電池組件后,目前,松下電力、遠景能源、科華、天合光能等鋰離子電池公司也有相應產品推出。

                        業內儲能系統集成商推出的液冷產品主要是指采用液冷電池模塊的電池儲能安全產品,毋庸置疑,一些企業的儲能變流器產品采用了液冷制冷。與風冷制冷相比,液冷制冷有自己的優勢,但也面臨新的挑戰。

                        使用液冷制冷的儲能電站的安全需要格外注意液體危險防護,主要是在正常使用或維修時系統中存在冷凝水,在相應部位的設計中應考慮較高的污染等級,并采取一些措施防止冷凝水的積聚;在正常運行、設備維修時,軟管或其他系統部件(如儲液器)松動或脫落,不得有液體泄漏到帶電部分或對電氣絕緣的影響。封閉式液體密封系統應設有超壓安全裝置。

                        液體冷卻系統超壓安全裝置應滿足以下要求:安裝位置應盡量靠近被保護的液體密封系統;注、排液口到位并有標識,防止釋放物濺到任何人身上;釋放口到位并有標識,確保裝置啟動時可能造成危險的部件不進液。冷卻裝置與被保護部件之間不應有截止閥,冷卻裝置應具有氣水自動分離和排氣的功能,電池儲存安全系統應能在線監測和顯示液體冷卻裝置循環冷卻液的壓力和溫度。

                         

                        電化學能源存儲發電站

                         

                        2.消防設施在電池儲能安全建設中的作用是什么?

                        消防設施的有效性可以限制火災類型在儲能系統某些部位的蔓延,特別是對電池熱失控的早期抑制,使事故的范圍和程度降到最低。消防系統不同滅火劑的交替發展,不同預警檢測的創新,不同消防控制邏輯的優化更新,都表明消防設施在電化學儲能電站中越來越受到重視。

                        電化學電池儲能安全站與傳統建筑不同,在有限的空間內存放大量的電池,火災負荷大,火災風險高。一旦電池受熱失控,就很難撲滅,特別容易形成系統性火災,燒毀整個容器,甚至發生爆炸。鑒于儲能電站的特殊性,消防系統的設置就顯得尤為重要。在消防策略上,應立足于早期發現、準確探測、早期準確滅火。

                        消防設施是被動的。電站發生火災時,利用消防手段抑制和撲滅火焰,防止火勢蔓延,盡量減少火災損失和人員傷亡,這是消防設施的主要作用。根據蓄電池火災的特點,可將報警和滅火裝置下沉到單體儲能模塊中,有效抑制火位的上升,防止火勢蔓延,并采用冷卻吸熱的氣體滅火方式。

                        其次,應考慮滅火劑對電池電導率的影響,避免對系統正常運行造成破壞。為保證電池儲能安全,在封閉的大型獨立儲能空間內仍需安裝終端消防設施,必須具備快速滅火和長期吸熱保護的功能,同時要防止電池火災的重復燃燒,避免次生災害和爆炸事故,防止火災向更高層次蔓延。

                        2019年,DNV挪威船級社一項關于鋰離子電池安全的研究發現,壓縮空氣泡沫的滅火效果好,尤其是主要滅火性能(包括滅火能力、長期吸熱率、短期吸熱率)優于其他滅火方式,并具有優良的抗燃性能,在鋰電池滅火中將發揮至關重要的作用。

                        消防設施對電池儲能安全站的電氣火災和電池火災可以起到一定的預警和滅火作用。多種傳感器的組合,可以對電池泄漏、熱失控進行一定程度的預警,如監測電池可燃氣體泄漏、電解液泄漏,及時預警;氣體滅火器可以在電池起火時有效撲滅電氣火災,撲滅或減緩火勢蔓延;水滅火器可以在火勢未得到有效控制時采用水淹式滅火方式,避免造成更大事故。

                        金屬鋰是所有已知元素(包括放射性元素)中反應性最強的系列,熱失控現象在鋰離子電池中很常見,這是鋰電池在電池儲存安全方面的一個潛在安全問題。另一方面,EMS和PCS是由大量的電子電氣元件和高低壓線束及其連接部件組成的,但它們也不能被忽視。

                         

                        電化學能源儲能消防設備

                         

                        作為最后一道被動防御系統,消防設計、選材、布局和施工的合理性直接影響到儲能產業的健康發展。消防系統能夠及早發現并報警,快速滅火,隔離火災的傳導和輻射,防止燃燒面積擴大造成的損失。整個消防系統要配合儲能消防供水的要求,預留消防供水和消防的接口,使整個儲能電站形成消防組合的立體系統,以最小的損失體現消防產品的價值。

                        電化學儲能火災防護的關鍵在于早期發現和處置。根據目前已發生的儲能火災案例分析,儲能火災的隱患大多來自于電池異常引起的火災。這種火災深入隱患,不易被工作人員發現,因此,早期發現火災信息并準確有效地反饋給火災處置單位就顯得尤為重要。使用完整的、有針對性的電化學儲能滅火系統,可以在電池儲能安全站發生火災的初期有效滅火,長時間抑制火勢,并將火災信息報告給主站,節省消防員的寶貴時間。

                        蓄電池安全中的消防設施的作用是及時發現火災危險信號,保證火災事故發生后及時滅火,減少火災危險事故的蔓延。當然,對消防設施的選擇、探測器的類型、布局和安裝、控制邏輯、滅火劑的選擇和用量、設施本身的可靠性、消防設施與儲能系統整體控制的銜接等也有嚴格的要求。

                         

                        3.電化學儲能電站的早期電池儲能安全預警和控制措施有哪些?

                        在精準檢測方面,利用芯片的底層檢測優勢和溫度/煙氣/氣體檢測三位一體的跨界、復合能力,打造小型化、集約化的檢測器,預裝/內置電池模塊,做到早發現、早行動、早隔離,精準檢測具體電池模塊;采用氣體滅火和高壓水霧的復合方案,針對不同場景、不同級別(類、群組級、包級)的儲能消防解決方案的需要,進行防重燃。

                        對電池儲能安全艙、電池集群和電池PACK箱進行分級檢測,實時監測電池運行周期數據,采集分析電池熱失控特征數據,根據電池在不同階段的異常情況做出不同級別的檢測和報警,并做出不同的防控處理。結合電化學電池儲能安全廠的建設規模和布局,進行多階段火災防控。

                         

                        能源儲能電站的安全預警

                         

                        在安全措施方面,電池熱失控極早期特征參數的采集和信號傳輸系統、滅火設備、泄壓裝置、主動排煙設備、報警設備和火災顯示設備等。在防控措施方面,一般以優化電化學儲能電站的設計為出發點,如電化學儲能電站的選址、站區的規劃和一定距離的防火距離的安排。

                        還包括電化學電池儲能安全系統的用電、采暖、通風、空調,最后是消防設施設備、消防用水、消防車道等的安裝。目前可提供電化學電池儲能安全廠房完整的系統解決方案??扇細怏w(H2、CO、VOC等)的檢測結果作為預警系統的預警信號 報警系統采用煙霧、溫度和可燃氣體三種火災探測器,通過檢測煙霧、溫度和可燃氣體三種信號對火災進行智能檢測。自動滅火系統采用 “全氟己酮和壓縮空氣泡沫 “的組合創新應用。

                        在PACK級、集群級火災中采用全氟己酮精準定向滅火,多次釋放,持續冷卻,防止復發。對于機艙火災,壓縮空氣泡沫被用作終極防線。整個機艙被填滿,溫度長時間降低,可以防止火災復燃,將火勢控制在一個機艙內。移動式壓縮空氣泡沫滅火裝置作為一種應急救援裝置,與電池倉預留的灌裝口連接迅速、靈活、性價比高。屏障抑制型壓縮空氣泡沫噴灑裝置是將泡沫噴灑在起火電池艙的外壁和頂部,形成泡沫屏障,防止火勢在艙內蔓延。

                        蓄電池安全預警措施主要包括蓄電池和電氣設備的電壓、溫度等運行參數異常的預警,火災危險信號(可燃氣體、煙霧、溫度)的預警,蓄電池系統絕緣故障的檢測和預警,消防系統、傳感器狀態、溫控設備、通訊、水浸等異常情況的預警。

                        它主要由儲能系統的BMS、PCS和EMS進行控制和保護。儲能安全預警系統由BMS系統、火災探測系統、紅外攝像機組成。BMS系統是最早能夠感知電池指數的系統。通過監測單體電池的電壓、溫度、SOC、SOH、總電壓、電流、總正負,可以安全預警殼體的絕緣電阻?;馂奶綔y系統感應系統指標,紅外攝像機感應表面指標,滅火是通過1,1,1,2,3,3-七氟丙烷和消防水管道噴射。

                         

                        4.電化學儲能裝置的安全設施費用是多少?

                        以1MW儲能容器為例,傳統的儲能溫度控制、安全預警、消防方案約占1%-4%的支出。未來,電池儲能安全方案技術升級到精確檢測維度,支出比例將增加到5%-8%。據了解,目前全球電池儲能安全的成本在4%-6%之間。消防設備的成本與使用的方案有關,1,1,1,2,3,3,3-七氟丙烷類消防系統的成本為數萬元,全氟己酮PACK類,根據方案不同,成本在十萬至十萬之間。

                         

                        開發PACK能源儲存防火解決方案

                         

                        5.儲能電站發生火災的原因有哪些?

                        在過充、過放、過熱、機械碰撞等內外因素的影響下,容易造成電池隔膜塌陷和內部短路,從而導致熱量失控?;谥鲃影踩脑O計理念,目前采用的是三級防爆和三級防火以及三級絕緣監測保護,它有六個安全設計: 本體安全、設計安全、結構安全、系統安全、管理安全和消防安全。

                        從全球儲能電站火災案例來看,熱失控的原因大多來自電池溫度。如何解決電池內部與外殼之間的熱傳遞問題,仍然值得探討和研究。風冷技術以空氣為冷卻介質,以對流為傳熱方式;液冷技術以冷卻劑為介質,以熱傳導為傳熱方式。從傳熱的角度來看,液體冷卻可以在一定程度上有效降低熱失控的風險。

                        事實表明,電解液泄漏、過充過放、電芯短路、絕緣失效、電纜損壞、過流等導致電池發熱失控或設備溫度異常起火,電池老化、一致性差、熱交換系統失效,導致系統高溫運行造成熱量積聚,絕緣設計不良或外部異物(導電粉塵、液體)進入,試運行等操作不當導致短路,外部遇到明火、撞擊、雷擊等各種意外因素都會造成火災。

                        電化學電池儲能安全廠的火災原因是復雜的、多方面的,但最常見的是電池的熱失控,由于其熱失控發展具有一定的持續性和不可逆性。因此,單純依靠溫控降溫方式并不能完全防止熱失控的發生,這就需要必要的、有效的消防手段配合溫控設施,對熱失控電池進行聯合降溫控制,同時進行壓制和滅火。

                        相比之下,在局部防護單元,吸熱能力強、易揮發、環保的蓄電池和電氣設備,無損滅火劑更適合一些,如全氟己酮。在較大的防護空間內,需要能夠快速填充空間,隔離空氣,對電池系統整體進行阻隔冷卻保護,綜合比較,霧狀智能壓縮空氣泡沫是不錯的選擇。

                        為解決這一問題,業界提出的解決方案是多層次、多維度的檢測方法,如熱解粒子檢測儀、嵌入式微溫檢測儀、嵌入式微氣檢測儀等,可以實現非常早期的檢測和報警。另一種常見的火災是電氣火災,由于電氣短路、過流加熱、老化加熱、雷擊等原因。

                        一般來說,是電解液泄漏、蓄電池內部或外部短路、電弧擊穿、蓄電池過壓、溫度過高、電流過大、沖擊等。 電氣火災一般可以通過消防設備撲滅,但由于電池本身具有能量,會不斷引起電氣火災的蔓延。同時,蓄電池安全廠內有大量的蓄電池,蓄電池發熱失控后,很容易引起蓄電池周圍的連鎖反應,蓄電池要不斷降溫才能有效控制火災的蔓延。

                         

                        熱失控導致能源存儲發電站起火

                         

                        6.電池儲能安全案例的預防

                        復合探測器可用于檢測鋰離子電池熱失控的溫度、煙霧、可燃氣體、VOC等特征數據,可有效預防和控制鋰離子電池熱失控引起的電池儲能安全站火災,檢測數據與電池BMS數據相結合,可綜合判斷電池儲能安全,做到早判斷、早預警、早處置,避免電池熱失控引起火災。

                        當電池失控時,采用氣體或液體的滅火劑直接作用于電池,撲滅明火,而滅火劑的噴射需要對電池有良好的冷卻作用,阻斷電池的熱膨脹失控,防止電池再次燃燒。

                        蓄電池系統存在缺陷,系統保護不完善,運行管理不善,消防系統不完善等。解決的辦法應從提高電池的安全性入手,加強電化學儲能電站運行維護的安全管理,建立可靠的電池消防系統,包括電池庫/室的消防設計,分為火災探測、分級報警、滅火、遠程控制;電氣(控制)室的消防設計,針對變電站及配電柜、控制柜、逆變器等電氣設備,采用火災探測管式滅火設備。

                        目前,造成電池儲能安全廠火災的主要原因是機械濫用、電氣濫用和熱濫用,而鋰離子電池本身由于其能量比非常高,活性非常高,具有易燃易爆的基本條件。鋰離子火災主要是由于過充和過放,導致單體鋰離子電池的熱失控,如果不能及時撲滅,嚴重時將導致熱失控,由于多個電池組組合的儲能工廠,大量單體電池的緊密包裝,不能快速有效散熱,導致鋰離子電池組向整個電池群的危險擴散。

                        主要有以下幾個階段需要防范:

                        設備選型階段:規范關鍵設備和電池儲能安全系統單元的選型,盡量選擇合格產品
                        電站設計階段:加強對電站設計方案的評估,特別是安全設計的評估;
                        設備采購階段:加強對電池、PCS和系統產品的生產過程監管;
                        安裝調試階段:規范安裝調試程序,制定相應的應急響應程序,加強人員培訓和現場管理;
                        運行維護階段:制定高質量的運行維護質量管理手冊和程序文件;加強對運行環境和設備運行狀態的管理和維護;啟動試運行驗收和定期安全檢查。

                        引起蓄電池安全廠火災的原因,主要包括:高壓繼電器粘連、電解液泄漏、高低壓隔離、蓄電池內阻增大、蓄電池隔膜擊穿內部短路、蓄電池過充電、過放電。應加強軟件控制、測試和保護。液冷本身就是解決電池散熱問題的較好選擇,液冷更有利于電池溫度控制,隨著充放電率的提高,液冷是電化學儲能溫度控制的主流方案。

                        一些公司的液冷電池系統的出液口溫差在±0.5℃范圍內,而電池儲能安全系統的設計是為了使電池組長期保持在均衡舒適的工作溫度范圍內,消除電池發熱失控帶來的安全隱患。

                         

                        液體冷卻系統保護防止熱失控風險

                         

                        7.采取哪些措施促進儲能的安全和可持續發展?

                        目前,要構建以市場為導向的綠色儲能技術創新體系,根據具體應用場景開發不同的電池儲能安全技術,從材料、器件、系統、應用等多個層面進行協同創新,通過顛覆性技術的開發,儲能成本可以降低一半以上,電化學電池儲能安全系統的安全性可以提高到完全可控水平。

                        今后要加強建立以市場為導向的綠色儲能技術研發體系和人才培養體系,針對大容量、低成本、高安全性、易回收等問題,積極推動儲能技術的創新。我們將積極推動儲能技術的創新,降低電池儲能安全應用的成本,促進電池儲能安全技術和產業的發展,推動全球能源清潔轉型。

                        電池儲能安全站的安全防控貫穿于電池制造、電站設計與建設、運行維護、事故應急處理等全生命周期的諸多關鍵環節。借助大數據技術,對電池的運行數據進行分析和挖掘,建立電池儲能安全系統的在線狀態評估和主動安全預警,優化電池儲能安全站的運維策略,對于降低電池儲能安全電站的安全事故風險具有重要意義。

                        電池儲能安全體系有三個方面,一是制定安全性能測試方法的標準,二是有害氣體的評價,三是研究安全性能分類和綜合評價的標準。電池儲能安全,無論是本體安全、主動安全,還是被動防御措施,都需要從電池材料、防火材料、電芯、模塊、系統集成,以及設計院、電網公司、鋰離子電池生產企業、消防部門等不同機構對電化學電池儲能安全技術進行聯合研究,實現真正的創新,為大規模電池儲能安全產業發展提供保障。

                        在設備選型和采購階段,客戶應要求參與投標,儲能產品應通過國家認監委批準的認證機構認證 開展電池儲能安全系統的試運行和驗收測試;開展電池儲能安全并網和消防驗收,確保符合并網標準和消防安全要求;定期開展運維質量評價,確保電池儲能安全工廠的運行質量。還可以通過合作研究、聯合測試、建立聯合實驗室等方式,在研究檢測機理、預警分析、撲救處置的基礎上,結合檢測技術、傳感器、控制系統、撲救材料等創新技術,探討鋰電池火災的形成機理及其早期失控特征,提升電池儲能安全體系。

                         

                        進行儲能系統的試運行測試

                         

                        目前,在用的儲能式消防設施滅火系統的儲存形式有儲壓式、備用式和泵組式。滅火設施存在著啟動風險和維護風險。我們建議采用多閥多泵聯動驅動滅火劑的閥門或泵組 選擇非儲壓式、非備用壓力式、非泵組式免維護消防設施。最重要的是建立嚴格的產品技術標準。

                         

                         

                         

                         

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