中國儲能網(wǎng)訊：9月20日，位于美國加州蒙特利縣的埃爾克霍恩變電站發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)由特斯拉的儲能系統(tǒng)Megapack起火所致。據(jù)了解，目前火災(zāi)已經(jīng)得到控制，但起火的具體原因尚不明確。
在不到一年兩個月的時間里，特斯拉的儲能系統(tǒng)Megapack已經(jīng)誘發(fā)了兩起火災(zāi)。2021年7月30日，澳大利亞維多利亞州的維多利亞儲能電站中，Megapack系統(tǒng)著火，當(dāng)時該系統(tǒng)還在測試中。Megapack是特斯拉于2019年7月發(fā)布的大容量鋰離子電池儲能系統(tǒng)。根據(jù)公司網(wǎng)站介紹，系統(tǒng)每個單元可以儲存超過3 MWh的能量。Megapack儲能系統(tǒng)中最早使用的電池是三元鋰電池，2021年5月，特斯拉將Megapack中的一部分電池改為磷酸鐵鋰電池，以降低生產(chǎn)成本，提高安全性，并緩解三元鋰電池中鎳的供應(yīng)緊張的狀況。
根據(jù)特斯拉公司最新介紹，在經(jīng)過改進后，目前Megapack系統(tǒng)每個單元的儲能容量為3.9MWh，額定功率為1.9MW。
據(jù)autoevoltuion網(wǎng)站介紹，加州埃爾克霍恩儲能電站由美國太平洋天然氣和電力公司(PG&E)管理。太平洋天然氣和電力公司今年4月啟用了特斯拉Megapack儲能系統(tǒng)，在埃爾克霍恩電站中，Megapack儲能系統(tǒng)的總?cè)萘繛?82.5兆瓦。
特斯拉公司在官方網(wǎng)站上介紹，Megapack儲能系統(tǒng)能夠為電網(wǎng)可靠而安全地儲存能量，每個電池模塊都單獨配有逆變器，以提高效率和增加安全性。通過云軟件平臺的更新，Megapack的性能會隨著時間的推移得到不斷優(yōu)化。Megapack系統(tǒng)經(jīng)過廣泛的防火測試，包括集成系統(tǒng)的安全測試，采用了專門的監(jiān)控軟件，能夠進行一周七天、每天24小時監(jiān)控支持。
防不勝防的電池?zé)崾Э?/strong>
從全球范圍的電化學(xué)儲能項目來看，特斯拉Megapack儲能系統(tǒng)的火災(zāi)事故，不是個案。
在前不久于杭州舉辦的第十二屆中國國際儲能大會中，據(jù)歐盟科學(xué)院院士、中國科技大學(xué)教授孫金華介紹，截至目前，全球總共發(fā)生了60多起電化學(xué)儲能火災(zāi)事故，大部分儲能電池使用的是三元鋰電池，事故發(fā)生時段主要在設(shè)備調(diào)試階段和充放電后的休止中。
在此次大會中，福建星云電子股份有限公司總裁助理劉震等多位業(yè)內(nèi)人士向澎湃新聞記者表示，電化學(xué)儲能的安全是一個系統(tǒng)性問題。導(dǎo)致電化學(xué)儲能電站起火的原因很多，包括電池、電氣設(shè)備本身的質(zhì)量問題，也包括系統(tǒng)保護措施設(shè)計的不完備，PCS（雙向儲能變流器）和BMS（電池管理系統(tǒng)）以及EMS（能量管理系統(tǒng)）等系統(tǒng)之間的控制及保護功能協(xié)調(diào)性差等，施工過程中出現(xiàn)的質(zhì)量問題、運行和維護管理不當(dāng)?shù)染彩莾δ茈娬酒鸹鸬脑颉?
不過，盡管儲能電站起火的原因眾多，但電池本身的熱失控，以及電池模塊和系統(tǒng)的熱失控擴散，是行業(yè)目前關(guān)注的焦點。
特斯拉去年7月澳大利亞的火災(zāi)事故調(diào)查報告顯示，Megapack儲能系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)內(nèi)泄漏導(dǎo)致電池短路，并引發(fā)電子元件起火，而局部過熱造成了電池?zé)崾Э?，熱失控蔓延，進而導(dǎo)致火災(zāi)。
通常而言，電化學(xué)電池以不可控制的方式通過自加熱升高其溫度的事故被稱為熱失控。孫金華在大會發(fā)言中說，“以鋰離子電池為例，電池的金屬氧化物正極具有氧化性，而電池的電解液、隔膜等是可燃材料，具有還原性。氧化性和還原性物質(zhì)組成在一起，在一定情況下就會發(fā)生氧化還原反應(yīng)?！?
孫金華介紹說，“電池?zé)崾Э氐某跏剂α恐饕獊碜杂陔姵爻浞烹娧h(huán)的熱量積累，如果熱量不能及時導(dǎo)出，就會使系統(tǒng)的溫度升高，誘發(fā)初始反應(yīng)即電池負(fù)極表面的SEI膜分解，繼而會誘發(fā)主控反應(yīng)，即隔膜產(chǎn)生大量焦耳熱后導(dǎo)致的系列反應(yīng)，包括電解液的分解、電解液與正極的反應(yīng)等。”
據(jù)了解，電池?zé)崾Э匾话愕脑蛴袃?nèi)因和外因，內(nèi)因包括電池老化，例如極化導(dǎo)致內(nèi)阻增大，鋰金屬沉積刺穿隔膜，內(nèi)部雜質(zhì)刺穿隔膜；外因包括意外事故引發(fā)電池機械結(jié)構(gòu)損傷，電池局部受熱、電池過充過放、過壓、外短路等。
而在電池模組中，電池單體發(fā)生熱失控后，觸發(fā)與其相鄰或其它部位的電池單體發(fā)生熱失控，就是熱失控擴散。熱失控擴散可能通過能量傳導(dǎo)，例如熱能傳導(dǎo)、電能傳導(dǎo)、以及機械能傳導(dǎo)，也可以通過噴出物起火加速熱失控擴散。熱量進一步積累，便可能導(dǎo)致火災(zāi)、氣體釋放和爆炸。
根據(jù)孫金華及其團隊的研究，當(dāng)電池與電池的間距不同，某一熱失控的電池向下一個電池傳遞熱量的主控機制是熱輻射傳導(dǎo)、熱能傳導(dǎo)還是熱電流傳導(dǎo)也不同。其發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電池間距大于某一數(shù)值，電池之間的熱失控的傳導(dǎo)就會從熱能傳導(dǎo)主控轉(zhuǎn)為熱輻射傳導(dǎo)主控。
不過，就目前的電池?zé)崾Э貦C理而言，研究也還存在盲點。孫金華坦言，“目前單體電池、電池模組的火災(zāi)特性，已有的研究比較詳盡，但電池簇（由電池模組進一步組成）的火災(zāi)特性以及火蔓延特性這一塊，無論國際還是國內(nèi)的研究都還屬于空白。另外，對儲能電站的預(yù)制艙內(nèi)熱失控氣體產(chǎn)生以后的運輸規(guī)律的研究也還不透徹。這都是未來需要繼續(xù)探索的領(lǐng)域?！?
電池本體、監(jiān)控、消防三位一體守護電化學(xué)儲能安全
盡管風(fēng)險重重，但發(fā)展電化學(xué)儲能又是大勢所趨。
相比于機械儲能、儲氫、儲熱等其它儲能技術(shù)，電化學(xué)儲能又有著明顯的優(yōu)勢。據(jù)中信證券新能源汽車分析師汪浩介紹，電化學(xué)儲能的優(yōu)勢包括系統(tǒng)規(guī)模大，響應(yīng)速度快，在毫秒時間尺度內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)定范圍內(nèi)的電能輸入和輸出。此外，電化學(xué)儲能能夠精確控制，能夠在可調(diào)范圍的任何功率點穩(wěn)定輸出。此外，其還具有雙向調(diào)節(jié)能力，充電時為用電負(fù)荷，放電時為發(fā)電電源。
如何保障安全與穩(wěn)定，是發(fā)展電化學(xué)儲能亟需解決的重大問題。記者從多位業(yè)內(nèi)人士處了解到，未來電化學(xué)儲能電站的安全管理應(yīng)覆蓋全生命周期，構(gòu)建本體安全、主動安全、消防防御三重防線。
首先，電池安全是電化學(xué)儲能的本體安全。孫金華說，要從電池材料和結(jié)構(gòu)本身來預(yù)防電池?zé)崾Э?，電解液、隔膜、正極材料的改進很重要。電解液方面，要研發(fā)難燃和不燃的電解液，例如固態(tài)電解液，同時保證電解液的電化學(xué)性能跟原位電解液基本一致。正極材料方面，由于正極材料分解會發(fā)生大量氧氣，與電解液反應(yīng)，因此需要對正極材料摻雜材料或者進行包裹處理，提升金屬氧化物的穩(wěn)定性。隔膜方面，目前電池隔膜熔化溫度在120-140攝氏度之間，隔膜一旦熔化電池瞬間會形成內(nèi)短路，因此要發(fā)展耐高溫的隔膜，例如有機隔膜和無機陶瓷隔膜。
此外，提高電池的一致性，選用安全高效的熱管理系統(tǒng)，抑制電池的溫升，嵌入泡沫金屬、包覆相變材料實現(xiàn)電池被動式冷卻等也是未來提高電池應(yīng)用安全性的重點。
其次是以監(jiān)控和預(yù)防為主的主動安全。中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會發(fā)布的《2022年中國儲能產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展白皮書》（以下簡稱“白皮書”）中指出，在儲能電站的主動安全方面，應(yīng)該基于數(shù)字化技術(shù)提高監(jiān)控、運維水平，實時監(jiān)控整體電站的硬件狀態(tài)，在異常故障時做到實時通知，提高故障診斷的準(zhǔn)確率和自動化處理效率，做好系統(tǒng)安全狀態(tài)的早期預(yù)警，避免電池從出現(xiàn)故障發(fā)展到熱失控的狀態(tài)。
在這方面，電池管理系統(tǒng)（BMS）應(yīng)該發(fā)揮出重要的作用?！栋灼分赋?，電池管理系統(tǒng)（BMS）對電池組實施數(shù)據(jù)監(jiān)測和故障診斷，進行動態(tài)管理。跟動力電池的BMS相比，儲能電池BMS在硬件邏輯結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、管理系統(tǒng)參數(shù)等方面存在差異，其對響應(yīng)速度、數(shù)據(jù)處理能力、均衡管理能力提出了更高的要求。
在大會中，據(jù)杭州高特電子設(shè)備股份有限公司總經(jīng)理徐劍虹介紹，現(xiàn)有儲能電池BMS技術(shù)上普遍存在的三大問題是，“首先，BMS雖然已經(jīng)在監(jiān)測電池的溫度和電壓，測不到、測不準(zhǔn)的問題普遍存在。例如，電池溫度監(jiān)測點一般放置在匯流排上，而匯流排是良好的熱導(dǎo)體，也即是說，電芯如果發(fā)生溫度變化，熱量部分被耗散，導(dǎo)致溫度監(jiān)測不準(zhǔn)。”徐劍虹說。
由于采集的電壓和溫度都是電芯外部的參數(shù)，無法獲取電池內(nèi)部的真實溫度，因而無法準(zhǔn)確計算電池的真實狀態(tài)，如電池容量、衰減率等，徐劍虹說，“電動汽車以及儲能電站的燃燒爆炸事故，其實都可以通過預(yù)先獲知電池內(nèi)部的溫度，而提前判斷電池?zé)崾Э貙崿F(xiàn)保護，但是由于溫度采樣的延時和溫度梯度的影響，使得在熱失控已經(jīng)發(fā)生后系統(tǒng)才給出警告和保護，為時已晚?！?
此外，現(xiàn)有的儲能電池管理系統(tǒng)需要通過采樣點、線束采集電壓、溫度等參數(shù)，大量的采樣點、線束，以及線束連結(jié)的接插件，將產(chǎn)生很多故障隱患。當(dāng)線束老化、破損或受到擠壓，也容易產(chǎn)生漏電等問題。
另外，對電池管理系統(tǒng)而言，其實現(xiàn)均衡管理的能力很重要，均衡的目的是使的電池組可放容量最大化，目前儲能電池管理系統(tǒng)通用的均衡技術(shù)為被動均衡，即對整個電池組內(nèi)電壓或容量高的電池，通過可控制的并聯(lián)電阻放掉一部分能量。該方法簡單，成本低，但消耗電池電能，均衡效果較差，無法均衡性能落后的電池。
對此，不少業(yè)內(nèi)人士建議，未來儲能電池管理系統(tǒng)需要提高對溫度和安全參數(shù)檢測的精準(zhǔn)度，予以及時響應(yīng)，以實現(xiàn)高效、可靠的安全狀態(tài)分析和預(yù)警功能，并提供主動均衡管理和系統(tǒng)安全保護措施，無線電池管理系統(tǒng)也應(yīng)提上議程。
儲能安全的最后一道防線，是消防安全。
在此次儲能大會中，很多消防業(yè)內(nèi)人士承認(rèn)，電化學(xué)儲能電站的火災(zāi)一旦蔓延，滅火實際非常困難。據(jù)中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司副總工程師斯林軍介紹，現(xiàn)有的滅火劑包括水、全氟己酮、七氟丙烷、二氧化碳、氣溶膠等，都無法從根本上中斷電池內(nèi)部連鎖分解反應(yīng)。其中，氣體滅火劑主要熄滅明火，減低失控電池表面溫度，提供更多的反應(yīng)時間；水基型滅火劑冷卻降溫效果最好。從滅火實踐來看，對于儲能電站的火災(zāi)，最后的手段就是大水漫灌。
對于儲能電站的消防安全維護，斯林軍則從消防設(shè)計、防排煙設(shè)計、電池室布置、PCS室布置、暖通設(shè)計等方面給出了建議。
首先，儲能電站應(yīng)該配備火災(zāi)報警系統(tǒng)、氣體滅火系統(tǒng)和二次噴淋冷卻系統(tǒng)。其中，報警系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)置完善的可燃氣體探測器，通過煙感、溫感、消防報警信號與BMS溫度信號聯(lián)合判斷電池?zé)崾Э亍６姵貐^(qū)域應(yīng)該按規(guī)范設(shè)置氣體滅火系統(tǒng)，并與火災(zāi)報警系統(tǒng)連鎖，一個獨立的電池區(qū)域作為一個防護區(qū)。因電池室著火后，人員難以靠近，建議每個電池區(qū)域上方設(shè)置雨淋噴頭，手動接入外部電源。
其次，儲能電站的通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)該能限制可燃氣體在最低爆炸極限的25%以下。電池室必須設(shè)置災(zāi)后機械通風(fēng)系統(tǒng)，采用防爆風(fēng)機，可燃氣體探測系統(tǒng)應(yīng)與通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動，預(yù)防熱失控過程中特別是明火滅后產(chǎn)生的氣體積聚導(dǎo)致的爆炸。
再次，在進行電池室的布置時，電池柜基座應(yīng)該預(yù)埋槽鋼，找平、焊接、可靠接地。電池柜正面應(yīng)預(yù)留足夠的維護通道，建議在1200MM以上。電池柜背靠背布置或靠墻布置時，應(yīng)預(yù)留200MM以上的散熱空間。為防止事故擴大化，建議電池室電纜應(yīng)上出線和橋架方式。
