摘要
電化學儲能產業(yè)日益成熟，備受國內外學者關注，全球范圍內裝機呈倍數(shù)增長態(tài)勢，尤以我國為最。但隨著規(guī)模效應的顯現(xiàn)，各類安全事故頻發(fā)。僅韓國就發(fā)生了 27起儲能系統(tǒng)火災事故，在美國、我國等均有類似的儲能設施著火事件，儲能的安全問題必須引起重視。所以，有必要建立一套完整的電化學儲能標準來防范此類事故的頻發(fā)。通過對比國內外已發(fā)布的儲能標準，分析了儲能標準中針對消防安全問題給出的解決方法，對現(xiàn)有國內外標準給出相應的建議和展望，可為今后標準制定提供參考。
引言
電化學儲能發(fā)展迅猛，截至目前，全球累計裝機已達7 GW，我國的裝機規(guī)模也突破了GW級。但是隨著裝機規(guī)模的日益擴大，安全事故頻發(fā)。2017年8月至今，韓國已經(jīng)發(fā)生了27起電池火災事故，安裝的電池均為三元鋰電池，火災原因主要有電池保護系統(tǒng)控制問題、運營環(huán)境管理不良、工程安裝疏忽、儲能系統(tǒng)集成存在缺陷等4種因素。位于亞利桑那州West Valley的亞利桑那州公共服務公用事業(yè)公司(APS)儲能設施也發(fā)生過起火事故；我國在江蘇、北京也有儲能系統(tǒng)著火的相關報道。所以，電化學儲能亟需一套相關的標準來規(guī)范行業(yè)發(fā)展，引導儲能產業(yè)朝著高安全、長壽命、高效率、低成本的方向發(fā)展。
本文通過對比國內外電化學儲能系統(tǒng)消防標準，針對各種可能出現(xiàn)的問題，分析了現(xiàn)有標準提出的解決辦法，發(fā)現(xiàn)儲能標準已經(jīng)不能適應我國儲能發(fā)展的需要。電化學儲能系統(tǒng)的發(fā)展以及消防安全標準的缺乏，迫切需要形成一套完善的儲能標準體系，建立有針對性的評測標準或規(guī)范。
國外儲能標準
2.1 澳大利亞
國際上相關的標準化組織主要有國際電工委員會（international electrotechnical commission，IEC）、美國電器和電子工程師協(xié)會（institute of electrical and electronics engineers，IEEE）和國際大電網(wǎng)會議（international conference on large high voltage electric system, Conference International des Grands Reseaux Electriques，CIGRE），在標準方面以IEC最具代表性。澳大利亞標準協(xié)會（Standards Australia，SA）提出的一項電池安裝指南，禁止住宅和車庫內安裝鋰離子電池儲能系統(tǒng)；AS/NZS 5139標準的草案公布，草案要求將電池系統(tǒng)安置在房屋和車庫以外的地方，在混凝土做成的專用“箱體”中，這一要求一定程度上提高了安全性；AS/NZS5139：2019即《電氣裝置—電力轉換設備用電池系統(tǒng)的安全》，該標準為澳洲電池儲能部門提供了一定的安全指導。
2.2 美國
美國保險商試驗所（Underwriter Laboratories Inc，UL）是一家在安全標準方面具有廣泛影響力的私營公司，該公司在2014年發(fā)布了世界上第一個用于固定儲能的安全標準，即UL9540。UL9540是其他組織如美國消防協(xié)會（national fire protection association，NFPA）為制定消防安全或為建筑行業(yè)部署儲能標準而制定的具體規(guī)范。
熱失控是安全專家和消防人員最關心的問題之一。當電池系統(tǒng)中的火災級聯(lián)失控時，可能會發(fā)生這種情況，同時還存在火災中電池釋放爆炸性氣體的問題，因為電池火災即使在撲滅后也能重新點燃。所以，UL最近發(fā)布了UL 9540A，UL 9540A在2015年被批準為美國國家標準，在2016年被批準為加拿大國家標準。UL 9540A涵蓋電化學儲能系統(tǒng)、機械儲能系統(tǒng)和儲熱系統(tǒng)，是評估電池儲能系統(tǒng)熱失控的測試方法。
針對儲能系統(tǒng)的安裝問題，美國專門制定了極具行業(yè)影響力的行業(yè)標準NFPA 855，要求50 kW·h儲能系統(tǒng)單元之間以及50 kW·h儲能系統(tǒng)單元和墻壁之間有3英尺的間隔。
NFPA關于儲能系統(tǒng)火災危險和安全建設的標準NFPA 855《Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems》已正式發(fā)布。2019年8月25日，該標準被美國國家標準學會（American national standards institute，ANSI）批準為美國國家標準。該標準自2016年開始制訂，標準技術委員會綜合考慮了600多項公眾因素，收到了800多條公眾意見。該標準根據(jù)電力儲能系統(tǒng)采用的技術，明確了儲能系統(tǒng)安裝、尺寸、隔離以及滅火和控制系統(tǒng)的要求，標準中還引入了UL 9540《Energy Storage Systems And Equipment》和UL 9540A《Test Method for Evaluating Thermal Runaway Fire Propagation in Battery Energy Storage Systerms》的要求。如果超出該標準中的容量限制或距離限制等情況，需要根據(jù)UL 9540A的測試結果，由相關部門來評估該儲能系統(tǒng)的火災風險。此外，該標準還引用了NFPA 1《Fire Code》、NFPA 70《National Electrical Code》、ICC 《International Building Code》等相關要求。
NFPA 855的要求也因儲能系統(tǒng)所在位置而異。在NFPA 855中，儲能系統(tǒng)按照位置劃分可以分成室內和室外兩種。其中室內分為用于儲能相關建筑內或是用于其他設施內；室外還可根據(jù)間距是否為100英尺以上分為遠程和非遠程兩種。
在制定標準這方面，國際電工委員會IEC涉及儲能標準制定工作的工作組有TC8、TC21、SC21A、T120等，具體標準工作內容情況如表1所示。電子電氣工程師協(xié)會IEEE自2003年起陸續(xù)發(fā)布了一系列儲能電站相關標準，其中IEEE1547在全球得到實際應用與廣泛執(zhí)行，是推動儲能在智能電網(wǎng)應用的關鍵基石標準。美國保險商試驗所（Underwriter Laboratories Inc，UL）、NFPA、德國電氣工程師協(xié)會標會（Verband Deutscher Elektrotechniker，VDE）、日本電氣規(guī)格協(xié)會（Japanese Standards Association，JEA）、南德意志集團（Technischer überwachungs-Verein，TUV）、歐盟CEN-CENELEC聯(lián)合工作組（Comité Européen de Normalisation，CEN）等標準制訂組織也陸續(xù)發(fā)布了關于電化學儲能的系列標準。
國內儲能標準
3.1 國家標準
國內相關儲能國家標準的制定主要由中國國家標準化管理委員會和住房和城鄉(xiāng)建設部開展。由于儲能技術尚處發(fā)展階段，國內已經(jīng)發(fā)布的電化學儲能消防領域標準很少，由中關村儲能產業(yè)技術聯(lián)盟組織制定的團體標準《儲能系統(tǒng)火災預警及消防防護系統(tǒng)》、《電化學儲能系統(tǒng)評價規(guī)范》、《鋰電池儲能用直流動力連接器通用技術要求》及《電化學儲能系統(tǒng)用電池管理系統(tǒng)技術規(guī)范》已完成征求意見稿。
《電化學儲能系統(tǒng)火災預警及消防防護系統(tǒng)》標準研討會于2018年12月26日在煙臺召開，受到了儲能業(yè)界、科研院所的廣泛關注。該標準規(guī)定了電化學儲能系統(tǒng)火災預警及消防防護系統(tǒng)的技術要求、試驗方法、檢驗規(guī)則以及標志、包裝、運輸和貯存要求，標準適用于鋰電池儲能系統(tǒng)的火災預警及消防防護系統(tǒng)，其他類型的儲能系統(tǒng)可參照執(zhí)行。該標準的制定，將有助于完善行業(yè)法規(guī)標準體系，為儲能的長遠健康發(fā)展提供保障。
文獻由聯(lián)盟和TüV南德意志集團共同提出和編寫，主要圍繞電化學儲能系統(tǒng)的安全、性能、環(huán)境符合性和文件完整性，建立一套全面科學的指標體系，用于電化學儲能系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性和可靠性的綜合評價。
國家標準國家能源局在2018年10月30日印發(fā)《關于加強儲能技術標準化工作的實施方案(征求意見稿)》。其中指出，“十三五”期間我國應完善已有的標準化組織，使標準化管理機構和技術組織之間合作更協(xié)調；要建立標準體系，突出重點規(guī)范和標準。“十四五”期間要逐漸形成成熟、科學的儲能標準體系，并參與國際化的儲能標準編制，提高我國在國際上的影響力和話語權。國家能源局發(fā)布全釩液流電池儲能電站安全衛(wèi)士技術規(guī)則(征求意見稿)，目的在于貫徹“安全第一、預防為主、綜合治理”的方針，滿足全釩液流電池儲能電站經(jīng)濟、可靠運行的同時，降低作業(yè)人員在作業(yè)過程中承受傷害的風險。
4月18日，能源局發(fā)布關于征求2019年能源領域擬立項行業(yè)標準及外文版翻譯計劃的意見函，其中2019年能源領域擬立項行業(yè)標準計劃項目中涉及大連融科、南瑞繼保等參與起草的《(蓄)電池儲能站設計規(guī)范》、《電網(wǎng)側電化學儲能站設計規(guī)程》等，如表2所示，目前電池測試標準如表3所示。
3.2 行業(yè)標準
中關村儲能產業(yè)技術聯(lián)盟在2019年發(fā)布了標準《電化學儲能系統(tǒng)評價規(guī)范》、《電力儲能用直流動力連接器通用技術要求》、《電化學儲能系統(tǒng)用電池管理系統(tǒng)技術規(guī)范》，標準編號為T/CNESA 1000-2019、T/CNESA 1001-2019、T/CNESA 1002-2019。
現(xiàn)已發(fā)布的標準有3項：NB/T 33014—2014《電化學儲能系統(tǒng)接入配電網(wǎng)運行控制規(guī)范》、NB/T 33015—2014《電化學儲能系統(tǒng)接入配電網(wǎng)技術規(guī)定》及NB/T 33016—2014《電化學儲能系統(tǒng)接入配電網(wǎng)測試規(guī)程》，這3項標準規(guī)定了電化學儲能的相關技術、控制的指標以及具體要求。只適合35kV以下的配電網(wǎng)電壓。
由中國汽車工程學會和中國消防協(xié)會聯(lián)合發(fā)布的《小型電化學儲能電站消防安全技術要求》規(guī)定了儲能單元容量為100 kW·h以上、1 MW·h以下的小型電化學儲能電站消防設計內容及要求，規(guī)定了儲能電站的選址要求、儲能單元安全要求、主動式鋰電池火災抑制裝置要求等。
3.3 地方標準
2019年以來，山東、河南、江蘇、青海等地根據(jù)各個省份的自身情況，制定出有關的儲能相關標準規(guī)則，如表4所示。
建筑部2019年組織應急管理部天津消防研究所等單位起草了國家標準GB50016《建筑設計防火規(guī)范局部修訂條文(征求意見稿)》。儲能相關的要求涉及倉庫的防火間距、廠房的安全疏散、民用建筑的防火分區(qū)、平面布置、安全疏散、滅火救援措施以及消防設施的設置等。
國內外儲能標準對比分析
4.1 國外儲能標準分析
儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)發(fā)-輸-配-用環(huán)節(jié)廣泛應用，裝機規(guī)模日益增大，各種電池類型參差不齊，隨著電池功率的增大，發(fā)生事故的危險性也有一定程度增加，各個國家制定了系列安全標準來保障儲能系統(tǒng)安全高效的運行。
電化學儲能系統(tǒng)可能存在的安全隱患主要有：
1）火災。電化學儲能電站發(fā)生的火災可分為兩類，一類是電池本身引發(fā)的火災，危害大且不可控，如果處于帶電狀態(tài)，不適合用泡沫或者水撲滅，還有一類是電氣引發(fā)的火災。另外，蓄電池在充放電過程中遇到明火、過充、過放等意外因素也可造成火災。
2）爆炸。蓄電池如果運行過程中通風不暢或管道堵塞，則在內部可能積累電解水產生的氫氣，外部遇明火、雷電、短路等意外時會產生爆炸。
3）化學風險。全釩液流電池電解液溶析時會析出劇毒的晶體，損害呼吸系統(tǒng)和皮膚，嚴重的還可導致慢性支氣管炎、腎衰竭、視力障礙等。鋰離子電池電解產生氟化氫(HF)氣體，對皮膚、眼睛等有刺激性作用。
4）電氣風險。儲能系統(tǒng)中有較高的直流和交流電壓，如果在操作時沒有穿戴好防具或者操作不慎，可能發(fā)生觸電的危險，以及系統(tǒng)的接地故障、短路電流等風險。
所以，儲能電池需要進行電池熱失控測試，目前，儲能用電池熱失控要求和測試方法的相關標準有GB/T 36276—2018，UL9540A:2018，UL1973：2018，各標準應用場景大體相同，但測試存在差異性，如表5所示。
GB/T 36276—2018適用于電力儲能用鋰離子電池，側重于檢測儲能用鋰離子電池在發(fā)生熱失控時是否發(fā)生起火、爆炸；UL 9540A:2018未做具體說明，可適用于所有儲能系統(tǒng)的電芯，側重于檢測儲能系統(tǒng)電芯發(fā)生熱失控時，對其起火特性進行評估；UL 1973：2018適用電芯類型包括鋰離子、鋰金屬，鈉硫，氯化鈉鎳和鉛酸，側重于檢測當電池系統(tǒng)中電芯發(fā)生熱失控時，對周圍電芯及電池系統(tǒng)產生的影響。
從韓國26起電池著火事件可以看出，儲能系統(tǒng)若發(fā)生事故，后果非常嚴重。儲能系統(tǒng)處于熱失控狀態(tài)，可以產生對人體有害的氣體和可燃氣體，進而引發(fā)爆炸，為了避免此類事故發(fā)生，儲能裝置應該裝有通風、煙霧和火災報警系統(tǒng)和探測系統(tǒng)，并且對儲能系統(tǒng)進行爆炸控制。儲能系統(tǒng)在安裝時，必須安裝應急系統(tǒng)，才能做到防患于未然。儲能大規(guī)模應用前，應制定相應的標準體系，還需要對相關人員進行應急操作培訓，并且需要消防部門作為主體參與。
澳大利亞發(fā)布的《儲能標準路線圖》對用戶側的儲能系統(tǒng)作了安裝方面的規(guī)范。歐盟的STABALLON項目也在系統(tǒng)層面和全生命周期方面對鋰離子電池的安全問題提出了預防策略。NFPA制定的NFPA855，提出固定式儲能系統(tǒng)安裝標準，適用于大型電網(wǎng)儲能，將于2021年秋季發(fā)布。NFPA855規(guī)定了每種電化學儲能系統(tǒng)的容量閾值，將儲能系統(tǒng)劃分為室內和室外兩類，據(jù)此對于儲能系統(tǒng)單元間以及與墻壁的安全距離進行了規(guī)定，提出了儲能系統(tǒng)配備的消防及防撞保護措施，對消防人員進行應急準備培訓等要求，突破了消防安全針對于小型儲能系統(tǒng)的局限，同樣適用于大型儲能電站。國內只文獻的第11章節(jié)對鋰離子電池的火災危險等級與安裝格局作了規(guī)定，目前大多數(shù)國內儲能電站的建設遵循此規(guī)則。
美國和加拿大通用的國標UL9540標準于2014年發(fā)布，適用于多種儲能技術，在儲能系統(tǒng)安裝后的安裝參數(shù)、間距、通風、產生的熱量和氣體等方面進行了規(guī)范。
美國國家消防協(xié)會對相關人員進行免費的培訓，主要是進行儲能相關知識、專業(yè)術語、儲能的危險、可能發(fā)生的意外以及一些應對策略，以保證在突發(fā)事故出現(xiàn)時，可以有效地進行遏制。紐約州政府將在2020年6月發(fā)布《2019年儲能系統(tǒng)補充文件》，其中包括對《紐約州統(tǒng)一消防和建筑規(guī)范》以及對《2015年國際消防規(guī)范》和《2015年國際建筑規(guī)范》進行的相關修訂，為不同的儲能系統(tǒng)技術和術語添加相關的定義。
4.2 國內儲能標準分析
與國外相比，我國也發(fā)生過事故，但相對較少。據(jù)統(tǒng)計，2018年我國至少發(fā)生了40起新能源汽車起火的事件。
電站的安全事故，往往都是由于在預警缺失或滯后的情況下，電池自身熱失控或是其他外部因素導致電池起火而引發(fā)的，由于缺乏有效的安全防護措施，電池的初期火災迅速蔓延，而現(xiàn)有的消防措施并非是針對電池火災而配置的。因此，電池初期火災無法得到有效抑制，最終演變?yōu)榇笠?guī)?；馂模瑢е抡麄€儲能集裝箱或儲能電站燒毀。
在標準體系建立方面，2018年10月，國家能源局發(fā)布了《關于征求<加強儲能技術標準化工作的實施方案>意見的函》。方案要求進一步重點推進儲能標準的建立，包括儲能系統(tǒng)運行、維護、設計等方面，這個方案可以推動儲能標準的制定和進一步的實施。
我國仍欠缺相關的國家標準和行業(yè)標準，有關儲能的審批和標準體系還不夠健全，急需設計儲能安全準則和標準體系，并將相關事件報告納入數(shù)據(jù)庫進行管理和公示。同時，國家有關部門與項目涉及的企業(yè)，應盡快針對此類項目的火災危險性以及其他風險指標開展評估，通過實驗取得真實數(shù)據(jù)，進而分析、論證有效的風險控制措施，制定相關標準。根據(jù)系統(tǒng)設計和運行過程中可能存在的風險，依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范標準組織安全評估論證，制定相應的預防和處置預案，加強對消費者和設計安裝人員的提示，并對設計和安裝等相關從業(yè)人員進行培訓和認證，嚴格執(zhí)行運維手冊，特別是進行有針對性的消防培訓，提高行業(yè)安全水平和事故處置能力。
結論
本文通過對電化學儲能消防安全標準進行梳理和分析，得出如下結論：
1）高安全、長壽命、低成本、高效率、易回收是儲能規(guī)?；瘧玫奈宕笠?。其中，安全居首位，為確保儲能系統(tǒng)安全運行，應從電池本體、BMS、PCS、能量管理等各環(huán)節(jié)入手，統(tǒng)籌規(guī)劃，制定切實可行、具備實操性的標準體系。
2）移動式儲能系統(tǒng)以其靈活、便捷等優(yōu)點逐步成為主流，應有針對性的制定系列標準來規(guī)范這一新生事物。重點考慮箱體的材質、尺寸、內部裝載電池容量的匹配關系、箱體之間的安全距離、箱體走線形式、通風散熱、滅火介質的選用等方面。
3）云處理、AI技術、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等新興技術的涌現(xiàn)，為實現(xiàn)儲能電站的遠程診斷、狀態(tài)預警、多維度緊急施救提供了可能，應挖掘現(xiàn)有儲能電站的海量數(shù)據(jù)，頂層設計標準框架，為儲能電站的高效運行、智能維護、及時施救提供必要的保障。
作者簡介
李建林，男，博士，教授，主要從事大規(guī)模儲能技術研究。
譚宇良，男，碩士研究生，主要從事大規(guī)模儲能技術研究。
周喜超，男，博士，高級工程師，主要從事大規(guī)模儲能技術的新能源領域的應用研究。
王力，男，博士，教授，主要從事城市交通控制理論與技術、網(wǎng)聯(lián)交通智能控制。
