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储能电站爆炸事故:新能源的冰与火之歌!

材料人
2021.5.27

  导读

      随着新能源研究与应用浪潮的推进,以电动汽车为代表的新一代产业正蓬勃发展。然而,其中关键的电池储能技术是否已经达到近乎“成熟”的商业化?基础研究是否已经实现对重要关键问题的解决?一些突发的现实应用场景问题,可能正为这一新兴技术的发展带来“冰雪”。例如,2021年4月16日,北京集美家居大红门的储能电站起火,电站北区在毫无征兆的情况下突发爆炸,导致2名消防员牺牲,这起重大事故背后能否带给我们些许思考与启迪?

      光储充电站的事故与影响事故发生后,中国电力科学研究院—储能与电工新技术研究所发布了一份事故报告分析,那么,其中有哪些关键信息呢?

1) 光储充一体化电站本次发生事故的电站类型为“直流光储充一体化电站”,主要包括如下几个部分:A. 1.4MWh的屋顶光伏 图2 储能电池 图源:事故分析报告C. 单枪150 KW大功率直流快速充电桩图3新能源汽车充电桩 图源:事故分析报告该电站主要利用家居广场天台的空间架设太阳能电池板进行发电,再利用锂电池储能,最终实现充电输出。据事故分析报告披露,“在传统的电动汽车充电站中,充电桩输入的是交流电,而新能源车的大功率充电使用的是直流电,因此需要配备一圈交流转换直流的设备。而该电站的电池级联输出本身为直流电的特性,去除了相应的“交转直”、“直转交”的变电设备,电池直接串联至 750 V,经过多机并联,使得每个充电桩都可以达到150 kW ,250 A, 750 V的参数。因此,这一设计对电池、开关等器件的质量和电气安全要求更高。

2) 电站2021年4月16日12时17分,119接到火情报告,同时派出47 辆消防车和 235名指战员。14时15分,消防队员对电站南区进行灭火处置时,在没有任何征兆的情况下,北区突发爆炸,直接导致2名消防员牺牲,1名消防员受伤以及电站内1名员工失联。23时40分,彻底扑灭明火,继续进行降温处理。据悉,在事故发生前,电站正在进行施工调试作业。

3) 事故起因如上述现场情况所述,“毫无征兆”四个字是关键。锂电池系统的爆炸似乎就像一枚无法预知爆炸时限的“无定时自发炸弹”,因此,在极端条件下,内外多重因素共同作用,最终导致热失控爆炸,而电解液等化学成分又促成了更为激烈的状况。事故报告从储能电池安全质量、储能系统电气拓扑、电池管理系统、电缆和线束现场布局、电站防火设计、电站配套的监控预警灭火系统及消防用水、气象环境因素、人员现场操作和管理制度等八个方面进行了分析。最终结论为:不能下定论。

4) 后续影响该事故发生的直接影响是多地的储能电站在建项目出现停工或暂缓建设。不过,4月21日,国家发改委、国家能源局联合下发了《关于加快推动新型储能发展的指导意见(征求意见稿)》文件,可见,储能技术的应用并未受到大的影响,政策面依旧鼓励持续推进。

       意见指出:

i) 到 2025年,实现新型储能从商业化初期向规模化发展转变。新型储能技术创新能力显著提高,核心技术装备自主可控水平大幅提升,在低成本、高可靠、长寿命等方面取得长足进步,标准体系基本完善,产业体系日趋完备,市场环境和商业模式基本成熟,装机规模达 3000 万千瓦以上。新型储能在推动能源领域碳达峰碳中和过程中发挥显著作用。

ii) 到 2030年,实现新型储能全面市场化发展。新型储能核心技术装备自主可控,技术创新和产业水平稳居全球前列,标准体系、市场机制、商业模式成熟健全,与电力系统各环节深度融合发展,装机规模基本满足新型电力系统相应需求。新型储能成为能源领域碳达峰碳中和的关键支撑之一。在碳达峰、碳中和的时间节点上,储能技术其实是至关重要的一环。因为诸如光伏、风力发电等清洁能源,其固有的稳定性问题对电网运行而言是不利的,而储能恰恰就像一道“电力大坝”,具备调控、存续的独特优势。因此,储能是新能源发展路上必不可少的一环。

       国外事故近年来,国内外发生过多起储能系统的爆炸事故,那么,类似事故都有怎样的特点?能带给我们哪些指示性的信息?

1) 韩国锂电储能电站事故 韩国在新型储能系统的发展领域位居世界前列,近些年新增的储能系统总装机容量增长迅速。然而,韩国境内发生的安全事故数近乎位居世界首位。据韩国政府组织的事故调查报告指出,多数事故发生在充电后,少数发生在充放电期间和施工调试阶段。通过进行电池火灾的模拟实验,研究表明,质量有瑕疵的电池并不会导致失火等事故,但可能是诱发因素。 电池系统的外部电路、管理系统与安全保护措施等模块未能起到真正的阻止失控发生的作用可能是导致火灾等事故的重要原因。

2) 美国亚利桑那州储能电站事故2019年4月19日,美国亚利桑那州的McMiken电站发生爆炸。据后来的相关报道显示,其主要原因可能并非电池本身导致,即:电池模块本身没有爆炸,而是容器内的气体达到了爆炸点。四、电化学储能系统的安全锂电池的性能衰减、内部短路、外部系统的反应机制与响应时间、综合控制系统对电流电压等重要参数的调控等多重因素是导致锂电储能系统发生爆炸事故的诱因。因此,具体到单个事故上,可能是一个小的诱因触发一系列连锁反应。例如,电池过充、过放、快充引起的局部热效应,电路系统不稳定导致的瞬时短路,电池过热破裂泄露的气体迅速燃烧、环境灰尘与颗粒进入到储能系统内部等因素都可能最终导致不可挽回的巨大事故。

  目前的基础研究成果,大多数集中在如何开发高性能的新型电池,以及围绕单个电池的一些安全实验,比如针刺、燃烧等测试。但是,基本少有围绕规模化电池组件系统的真实场景条件下运行的安全实验,大多数是基于理论模型的预测。此类系统性安全评估是未来确保电化学储能系统成熟化的必要步骤,因为孤立的电池性能即使达到极致,但不能确保集成后的系统稳定性的话,那么,数以万计的电池论文可能只能躺在书架上了。从辩证层面而言,冰与火之间并非是绝对的对立面,而是对立统一的双面侠。安全事故的警示并非简单的事故分析与总结,而是能否从中破解制约行业发展的关键掣肘。


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