引言
隨著電池儲能電站的不斷投運，其安全問題逐漸突顯。自2018年以來，韓國儲能行業(yè)發(fā)生了23起嚴(yán)重火災(zāi)，我國儲能行業(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發(fā)電控制(automaticgenerationcontrol，AGC)調(diào)頻項目和江蘇揚中某用戶側(cè)儲能項目中所發(fā)生的火災(zāi)。因此，開展電池儲能電站安全問題研究對于促進電池儲能電站的持續(xù)、健康發(fā)展具有重要現(xiàn)實意義。
1、電池儲能發(fā)展現(xiàn)狀
電池儲能由眾多電化學(xué)單元經(jīng)串并聯(lián)構(gòu)成，各單元通過正負極的氧化還原反應(yīng)充放電，實現(xiàn)電能和化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化。電池儲能電站的特點為：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，選址受地理條件限制少，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，對比分析可參見文獻。
電池儲能電站可靈活配置在電力系統(tǒng)的電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、負荷側(cè)，滿足差異化儲能應(yīng)用需求，不同配置位置電池儲能的典型應(yīng)用場景見表1。
電池儲能雖然應(yīng)用場景多樣，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)事故是電池儲能電站的一類極端且有代表性的安全事故，具有破壞性強、經(jīng)濟損失大、社會關(guān)注度高等特點。表2給出了近年來已公布的電池儲能電站火災(zāi)事故統(tǒng)計信息。
由表2可知，從火災(zāi)地點來看，電池儲能電站火災(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。從儲能類型來看，電池儲能技術(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容量占比最大；另一方面，是因為鋰電池內(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、電池儲能電站安全風(fēng)險因素
電池儲能電站安全風(fēng)險因素主要包括火災(zāi)、爆炸、中毒、觸電、灼燙等。其中，火災(zāi)風(fēng)險尤為突出。
2.1、火災(zāi)
火災(zāi)風(fēng)險不僅包括傳統(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，有機系鋰電池的火災(zāi)風(fēng)險較為突出。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、滅火困難等特點。
除鋰電池外，鈉硫電池的火災(zāi)風(fēng)險也較大。當(dāng)鈉硫電池運行時，一旦陶瓷電解質(zhì)破損形成短路，高溫下的液態(tài)鈉和硫就會直接接觸，發(fā)生劇烈的放熱反應(yīng)。這種放熱會在瞬間產(chǎn)生2000℃的高溫，相當(dāng)危險。
2.2、爆炸
爆炸風(fēng)險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，會生成大量烷烴類可燃氣體。若儲能裝置布置在室內(nèi)，當(dāng)可燃氣體達到一定濃度時，遇明火就會發(fā)生爆炸。此外，液流電池、鉛酸電池的水溶液會在過壓電解后析氫爆炸。
(2)變電設(shè)備爆炸：儲能系統(tǒng)升壓變壓器若為帶油設(shè)備，變壓器內(nèi)部故障會引起電弧升溫，有燃燒和爆炸的可能。
2.3、中毒
中毒風(fēng)險主要體現(xiàn)在電池燃燒產(chǎn)生的有毒煙氣以及溶析產(chǎn)生的晶體。
鋰電池燃燒時會產(chǎn)生大量氣體，主要有氫氣、甲烷等可燃氣體以及氯化氫、氟化氫等有毒氣體。有毒氣體會對眼和呼吸道粘膜產(chǎn)生強烈的刺激作用，可引起呼吸道炎癥、肺水腫、潰瘍等。
全釩液流電池會在室內(nèi)溫度控制不良時發(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，部分部件仍可能處在帶電狀態(tài)。在接觸系統(tǒng)時，若沒有穿戴好相應(yīng)的防護工器具，極可能發(fā)生觸電。
2.5、灼燙
灼燙風(fēng)險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、儲液罐、電池外殼的材料工藝耐腐蝕性能達不到要求，將導(dǎo)致設(shè)備腐蝕；若長期嚴(yán)重腐蝕，會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。若電站運維人員在正常檢修或事故情況下未穿防護服、未戴防護手套，就可能造成人員灼燙受傷。
3、防范對策
電池儲能電站的安全風(fēng)險因素多樣，而火災(zāi)、爆炸等極端事故的發(fā)生，會帶來嚴(yán)重的財產(chǎn)損失與人員傷亡。科研人員已針對電池儲能安全性問題開展了若干有價值的研究，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，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)生需滿足的點火源、燃料、氧化劑三要素，提煉對電池火災(zāi)風(fēng)險影響大的基本事件(電極材料易分解、電解液易燃等)，開展有針對性的高熔點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)生或擴大。撲滅方面，現(xiàn)有實驗雖已證明七氟丙烷對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)時間，降低火災(zāi)損失。
3.2、建立電池儲能電站分層聯(lián)動應(yīng)急機制
為減少電池儲能電站事故損失，需制定儲能電站分層聯(lián)動應(yīng)急機制。分層方面，針對各類型安全事故，依據(jù)事故特性，劃分事故等級，有針對性地制定各等級事故應(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)動方面，火災(zāi)爆炸等極端事故一旦發(fā)生，會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失，并會在一定程度上影響社會秩序和污染自然環(huán)境，因此有必要針對極端事故，制定涉及電力、公安、消防、環(huán)保、醫(yī)院、宣傳等多部門聯(lián)動的事故應(yīng)急預(yù)案，降低事故社會影響，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，及時開展事故追責(zé)和財產(chǎn)損失賠償工作。
3.3、制定電池儲能電站安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
為更好地引導(dǎo)電池儲能行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，及時總結(jié)儲能發(fā)展領(lǐng)先地區(qū)的先進經(jīng)驗，需盡快制定電池儲能電站安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，明確設(shè)備要求、消防配置、運維檢修規(guī)程等。鑒于電池儲能運行特性與儲能技術(shù)類型、應(yīng)用場景等因素密切相關(guān)，在安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，宜既有共性儲能標(biāo)準(zhǔn)，也有不同技術(shù)類型和應(yīng)用場景下的個性儲能標(biāo)準(zhǔn)。
4、結(jié)論
首先，從主要技術(shù)類型、典型應(yīng)用場景、儲能系統(tǒng)組成、儲能電站火災(zāi)事故統(tǒng)計等方面綜述了電池儲能電站發(fā)展現(xiàn)狀；然后，對電池儲能電站的五大安全風(fēng)險因素(包含火災(zāi)、爆炸、中毒、觸電、灼燙等)進行分析；最后，提出了開展鋰電池火災(zāi)多維防控技術(shù)研究、建立電池儲能電站分層聯(lián)動應(yīng)急機制、制定電池儲能電站安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等建議，以期為電池儲能電站的持續(xù)健康發(fā)展提供有益參考。
