引言
隨著電池儲(chǔ)能電站的不斷投運(yùn)，其安全問題逐漸突顯。自2018年以來，韓國儲(chǔ)能行業(yè)發(fā)生了23起嚴(yán)重火災(zāi)，我國儲(chǔ)能行業(yè)也在2017年以后發(fā)生了多起火災(zāi)，例如山西某電廠自動(dòng)發(fā)電控制(automaticgenerationcontrol，AGC)調(diào)頻項(xiàng)目和江蘇揚(yáng)中某用戶側(cè)儲(chǔ)能項(xiàng)目中所發(fā)生的火災(zāi)。因此，開展電池儲(chǔ)能電站安全問題研究對(duì)于促進(jìn)電池儲(chǔ)能電站的持續(xù)、健康發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。
1、電池儲(chǔ)能發(fā)展現(xiàn)狀
電池儲(chǔ)能由眾多電化學(xué)單元經(jīng)串并聯(lián)構(gòu)成，各單元通過正負(fù)極的氧化還原反應(yīng)充放電，實(shí)現(xiàn)電能和化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化。電池儲(chǔ)能電站的特點(diǎn)為：可根據(jù)不同應(yīng)用需求靈活配置功率和容量，充放電迅速，選址受地理?xiàng)l件限制少，適宜大規(guī)模應(yīng)用和批量化生產(chǎn)。
目前，電池儲(chǔ)能技術(shù)類型多樣，主要包括鋰電池、液流電池、鈉硫電池、鉛酸電池等。上述類型電池的技術(shù)指標(biāo)各異，對(duì)比分析可參見文獻(xiàn)。
電池儲(chǔ)能電站可靈活配置在電力系統(tǒng)的電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、負(fù)荷側(cè)，滿足差異化儲(chǔ)能應(yīng)用需求，不同配置位置電池儲(chǔ)能的典型應(yīng)用場(chǎng)景見表1。
電池儲(chǔ)能雖然應(yīng)用場(chǎng)景多樣，但均主要包含電池、變電、土建三部分。電池部分包括單體電池經(jīng)串并聯(lián)構(gòu)成電池模塊、熱管理系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、雙向變流器、能量管理系統(tǒng)等。變電部分包括電氣一次部分(變壓器、出線等)和二次部分(中央控制系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等)。土建部分包括電氣電池室或室外電池組基礎(chǔ)及廠區(qū)相關(guān)工程?；馂?zāi)事故是電池儲(chǔ)能電站的一類極端且有代表性的安全事故，具有破壞性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)損失大、社會(huì)關(guān)注度高等特點(diǎn)。表2給出了近年來已公布的電池儲(chǔ)能電站火災(zāi)事故統(tǒng)計(jì)信息。
由表2可知，從火災(zāi)地點(diǎn)來看，電池儲(chǔ)能電站火災(zāi)事故主要集中在韓國，而美國、日本和中國也均已發(fā)生電站火災(zāi)事故。從儲(chǔ)能類型來看，電池儲(chǔ)能技術(shù)類型主要為鋰電池。這一方面是由于鋰電池在各類型電池中裝機(jī)容量占比最大；另一方面，是因?yàn)殇囯姵貎?nèi)部存在較多放熱反應(yīng)，在一定條件下易發(fā)生熱失控。
2、電池儲(chǔ)能電站安全風(fēng)險(xiǎn)因素
電池儲(chǔ)能電站安全風(fēng)險(xiǎn)因素主要包括火災(zāi)、爆炸、中毒、觸電、灼燙等。其中，火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)尤為突出。
2.1、火災(zāi)
火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)不僅包括傳統(tǒng)的變壓器火災(zāi)、電纜火災(zāi)等，還包括電池火災(zāi)。相較液流電池、鉛酸電池等水系電池，有機(jī)系鋰電池的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)較為突出。鋰電池在過充過放、短路、擠壓等濫用條件下，內(nèi)部發(fā)生正負(fù)極與電解液反應(yīng)、電解液分解等一系列放熱反應(yīng)，引起電池?zé)崾Э?，從而?dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生。鋰電池火災(zāi)具有起火速度快、熱分解產(chǎn)物毒性強(qiáng)、滅火困難等特點(diǎn)。
除鋰電池外，鈉硫電池的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)也較大。當(dāng)鈉硫電池運(yùn)行時(shí)，一旦陶瓷電解質(zhì)破損形成短路，高溫下的液態(tài)鈉和硫就會(huì)直接接觸，發(fā)生劇烈的放熱反應(yīng)。這種放熱會(huì)在瞬間產(chǎn)生2000℃的高溫，相當(dāng)危險(xiǎn)。
2.2、爆炸
爆炸風(fēng)險(xiǎn)主要包括電池本體爆炸和變電設(shè)備爆炸兩類。
(1)電池本體爆炸：鋰電池發(fā)生熱失控后，會(huì)生成大量烷烴類可燃?xì)怏w。若儲(chǔ)能裝置布置在室內(nèi)，當(dāng)可燃?xì)怏w達(dá)到一定濃度時(shí)，遇明火就會(huì)發(fā)生爆炸。此外，液流電池、鉛酸電池的水溶液會(huì)在過壓電解后析氫爆炸。
(2)變電設(shè)備爆炸：儲(chǔ)能系統(tǒng)升壓變壓器若為帶油設(shè)備，變壓器內(nèi)部故障會(huì)引起電弧升溫，有燃燒和爆炸的可能。
2.3、中毒
中毒風(fēng)險(xiǎn)主要體現(xiàn)在電池燃燒產(chǎn)生的有毒煙氣以及溶析產(chǎn)生的晶體。
鋰電池燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量氣體，主要有氫氣、甲烷等可燃?xì)怏w以及氯化氫、氟化氫等有毒氣體。有毒氣體會(huì)對(duì)眼和呼吸道粘膜產(chǎn)生強(qiáng)烈的刺激作用，可引起呼吸道炎癥、肺水腫、潰瘍等。
全釩液流電池會(huì)在室內(nèi)溫度控制不良時(shí)發(fā)生溶析現(xiàn)象，產(chǎn)生五氧化二釩、三氧化二釩等鹽，其中析出的晶體有劇毒。析出晶體對(duì)呼吸系統(tǒng)和皮膚有損害作用，可引起呼吸道炎癥、皮膚劇烈瘙癢、腎損害等。
2.4、觸電
電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種含高能物質(zhì)的物件。在它未接通電源或系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，部分部件仍可能處在帶電狀態(tài)。在接觸系統(tǒng)時(shí)，若沒有穿戴好相應(yīng)的防護(hù)工器具，極可能發(fā)生觸電。
2.5、灼燙
灼燙風(fēng)險(xiǎn)主要來源于具有腐蝕性的電池電解液或電極材料。若電解液輸送管道、儲(chǔ)液罐、電池外殼的材料工藝耐腐蝕性能達(dá)不到要求，將導(dǎo)致設(shè)備腐蝕；若長期嚴(yán)重腐蝕，會(huì)使電解液或電極材料發(fā)生泄漏事故，例如液流電池的電解液輸送管道、儲(chǔ)液罐等因長期嚴(yán)重腐蝕而出現(xiàn)漏液，鈉硫電池的正極活性物質(zhì)為液態(tài)硫和多硫化鈉熔鹽，由于硫具有腐蝕性，電池外殼易發(fā)生泄漏。若電站運(yùn)維人員在正常檢修或事故情況下未穿防護(hù)服、未戴防護(hù)手套，就可能造成人員灼燙受傷。
3、防范對(duì)策
電池儲(chǔ)能電站的安全風(fēng)險(xiǎn)因素多樣，而火災(zāi)、爆炸等極端事故的發(fā)生，會(huì)帶來嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失與人員傷亡。科研人員已針對(duì)電池儲(chǔ)能安全性問題開展了若干有價(jià)值的研究，取得了眾多成果，但仍存在許多不足。后續(xù)，仍應(yīng)做好以下幾方面的工作。
3.1、開展鋰電池火災(zāi)多維防控技術(shù)研究
為降低鋰電池火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，需從“源頭-預(yù)警-撲滅”多維度，開展一系列的火災(zāi)防控技術(shù)研究。源頭方面，圍繞火災(zāi)發(fā)生需滿足的點(diǎn)火源、燃料、氧化劑三要素，提煉對(duì)電池火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)影響大的基本事件(電極材料易分解、電解液易燃等)，開展有針對(duì)性的高熔點(diǎn)SEI膜、難燃電解液等研究，提高電池的本質(zhì)安全。預(yù)警方面，收集電池火災(zāi)發(fā)生前的煙氣，電池表面溫度、電壓、電流等數(shù)據(jù)，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)，提取電池火災(zāi)的關(guān)聯(lián)特征量，力求早發(fā)現(xiàn)、早處理，避免事故發(fā)生或擴(kuò)大。撲滅方面，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)雖已證明七氟丙烷對(duì)單體電池和電池簇具有滅火效果，但在已發(fā)生的鋰電池預(yù)制艙火災(zāi)事故中，七氟丙烷并未撲滅火災(zāi)，最終采用大量水撲滅。開展大容量鋰電池火災(zāi)滅火劑的有效性及邊界條件研究，可縮短火災(zāi)時(shí)間，降低火災(zāi)損失。
3.2、建立電池儲(chǔ)能電站分層聯(lián)動(dòng)應(yīng)急機(jī)制
為減少電池儲(chǔ)能電站事故損失，需制定儲(chǔ)能電站分層聯(lián)動(dòng)應(yīng)急機(jī)制。分層方面，針對(duì)各類型安全事故，依據(jù)事故特性，劃分事故等級(jí)，有針對(duì)性地制定各等級(jí)事故應(yīng)急預(yù)案，提高預(yù)案的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，降低事故損失。聯(lián)動(dòng)方面，火災(zāi)爆炸等極端事故一旦發(fā)生，會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，并會(huì)在一定程度上影響社會(huì)秩序和污染自然環(huán)境，因此有必要針對(duì)極端事故，制定涉及電力、公安、消防、環(huán)保、醫(yī)院、宣傳等多部門聯(lián)動(dòng)的事故應(yīng)急預(yù)案，降低事故社會(huì)影響，減少環(huán)境污染。此外，需建立事故追查制度，查明事故原因，厘清事故責(zé)任，及時(shí)開展事故追責(zé)和財(cái)產(chǎn)損失賠償工作。
3.3、制定電池儲(chǔ)能電站安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
為更好地引導(dǎo)電池儲(chǔ)能行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，及時(shí)總結(jié)儲(chǔ)能發(fā)展領(lǐng)先地區(qū)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，需盡快制定電池儲(chǔ)能電站安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，明確設(shè)備要求、消防配置、運(yùn)維檢修規(guī)程等。鑒于電池儲(chǔ)能運(yùn)行特性與儲(chǔ)能技術(shù)類型、應(yīng)用場(chǎng)景等因素密切相關(guān)，在安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，宜既有共性儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)，也有不同技術(shù)類型和應(yīng)用場(chǎng)景下的個(gè)性儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)。
4、結(jié)論
首先，從主要技術(shù)類型、典型應(yīng)用場(chǎng)景、儲(chǔ)能系統(tǒng)組成、儲(chǔ)能電站火災(zāi)事故統(tǒng)計(jì)等方面綜述了電池儲(chǔ)能電站發(fā)展現(xiàn)狀；然后，對(duì)電池儲(chǔ)能電站的五大安全風(fēng)險(xiǎn)因素(包含火災(zāi)、爆炸、中毒、觸電、灼燙等)進(jìn)行分析；最后，提出了開展鋰電池火災(zāi)多維防控技術(shù)研究、建立電池儲(chǔ)能電站分層聯(lián)動(dòng)應(yīng)急機(jī)制、制定電池儲(chǔ)能電站安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等建議，以期為電池儲(chǔ)能電站的持續(xù)健康發(fā)展提供有益參考。
