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全球主要储能事故汇总分析

作者:优德88手机中文版新闻中心 来源:能源日参 发布时间:2021-08-05 浏览:
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当地时间7月30日上午10点15分,位于澳大利亚维多利亚州的特斯拉Megapack储能系统发生爆燃,现场有明火,并且烟雾弥漫,已经连烧4天。8月2日,澳大利亚当地政府正在努力控制火势。

一个集装箱内的13吨锂离子电池完全点燃,15辆水罐车150多名消防员对其进行救援,以阻止火势蔓延到其他电池。大火立刻得到控制,并受到密切监控,直到它自行燃烧为止,这一过程大约需要8-24小时。

维多利亚救护车成员在现场监测消防员的健康状况。吉朗附近发布有毒烟雾警告。居民已被警告关闭窗户,关闭空调,壁炉烟道并将宠物带入室内。

澳大利亚能源市场运营商 (AEMO) 表示,电池已与主电网隔离并断开连接,对供应“没有影响”。

特斯拉澳大利亚最大储能项目

2016年,南澳大利亚因风暴导致全州停电,约170万人摸黑度日,为解决可持续用电安全,南澳大利亚决定建立大型储能系统,最终特斯拉竞标成功。

这个项目是由法国电力生产商,可再生能源巨头Neoen SA与特斯拉合作开发,项目名为“维多利亚大电池”,不久前刚刚注册成立,目前还在测试阶段,还未并入主网使用,其目标是在2030年为维多利亚州实现50%的可再生能源。

为了实现这一目标,2020年11月,“维多利亚大电池”项目受澳大利亚政府委托建造,2021年初,Neoen从澳大利亚政府获得1.6亿澳元融资,特斯拉提供Megapack技术。

该设施使用256个特斯拉锂离子电池Megapacks,计划于2021—2022年夏季启动,届时将提供承诺的300MW/450MWh的可再生能源,每个Megapack的储能容量约为3MWh。

该项目与澳大利亚能源市场运营商签订了10年的合同,提供电网服务,使新南威尔士州和维多利亚州之间的主要输电线路的容量在需求高峰时得到提高。此外,储能电池还将提供FCAS服务,并对风电和太阳能发电的输出进行时移,以帮助满足高峰需求。

安全生产必须重视,该事件为国内储能行业发展再敲了一次警钟。

为帮助了解储能电站发生火灾或爆炸事故的情况,接下来对全球储能项目主要火灾或爆炸事故的公开信息进行整理,汇总了近10年间发生事故的储能电站的基本信息,总结了起火爆炸事故的基本特征。依据文献“韩国锂离子电池储能电站安全事故的分析及思考”,给出了储能电站发生安全事故的基本原因以及经验总结;并根据网络公开信息,搜集了美国发生人身伤亡事故的储能电站爆炸事件的原因及整改措施。

一,储能电站主要安全事故统计

通过对行业公开信息进行搜集整理,汇总了2011-2021年间,全球储能项目主要火灾或爆炸事故。由于较多安全事故原因复杂,相关事件很多都未公开披露,据不完全统计,近10年间,全球共发生32起储能电站起火爆炸事故。其中,日本1起,美国2起,比利时1起,中国3起,韩国24起。

32起储能电站起火爆炸事故共有以下几个特征:一是25起事故采用三元锂离子电池;二是韩国储能电站起火爆炸事故占24起,这与韩国各大电池企业以三元锂电池为主流产品有关;三是2017年以后的储能项目占30起;四是储能电站起火爆炸大多发生在充电中或充电后休止中,占21起。

目前公开的储能电站事故造成人员伤亡的主要有两起:一起是美国亚利桑那州的公共服务公用事业公司(APS)发生大规模电池储能项目(三元锂电池)爆炸,造成8名消防队员受伤。另外一起就是4月16日北京国轩福威斯光储充技术有限公司储能电站(磷酸铁锂电池)发生事故,事故造成2名消防员牺牲,1名消防员受伤,电站内1名员工失联。

从电池类型来看,三元锂电池事故最多,磷酸铁锂目前已知主要就两起,其中一起是江苏的电网侧项目,具体原因并未披露。另外一起就是4月16日北京国轩福威斯光储充技术有限公司储能电站(磷酸铁锂电池)发生事故。目前具体原因都仍在调查中。

二,公开事故原因分析收集

目前公开披露原因的事故,主要是韩国储能电站起火事故和美国亚利桑那州的公共服务公用事业公司发生大规模电池储能项目(三元锂电池)爆炸,虽然没有磷酸铁锂电池的事故原因分析,但还是具有一定的借鉴意义,主要是2点:一是储能电站火灾事故多数发生在充电中或充电后休止中,此时电池电压较高,电池活性较大,并联电池簇间形成环流,导致电芯处于过充状态,电压升高形成内短路,易造成火灾事故;二是储能电站起火后,采用七氟丙烷等气体灭火装置,是通过隔绝氧气来实现灭火,但无法使电池降温,一旦有外部氧气进入,就易引起电池复燃,且电池燃烧过程中会产生一氧化碳,甲烷等易燃易爆气体,电池复燃后甚至可能引发气体爆炸。

三,韩国储能电站事故原因分析及启示

3.1事故原因

韩国储能电站主要采用三星和LG的三元锂电池,该电池体系熔点为200℃,储能系统设计单簇为400kW/1600kWh,4簇并联。储能电站火灾事故多数发生在充电中或充电后休止中,此时电池电压较高,电池活性较大。充电结束休止过程中,并联电池簇间形成环流,导致电芯处于过充状态,电压升高形成内短路,造成火灾事故。

文献“韩国锂离子电池储能电站安全事故的分析及思考”结合韩国储能事故调查,将储能电站事故致因总结为以下四个方面:电池系统缺陷,应对电气故障的保护系统不周,运营环境管理不足,储能系统综合管理体系欠缺。

(1)电池本体因素。由电池本体诱发安全事故的来源主要包括电池制造过程的瑕疵以及电池老化带来的储能系统安全性退化两方面。

(2)外部激源因素。外部激源包括绝缘失效造成的电流冲击及外部短路等问题,也包括除电池外部件高温产热造成的热冲击,以及某电池热失控后触发的热失控蔓延过程。

(3)运行环境因素。锂电池需要工作于各参数的安全窗口范围,需要通过初始电热管理设计,BMS/PCS/EMS以及空调系统等管控来维持合理的运行环境。运行环境管理不善将逐渐影响电池及系统的可靠性,进而演化为事故。

(4)管理系统因素。管理系统因素不仅包括BMS,PCS,EMS以及对应的联动管控逻辑,也包括管理规章制度等人的因素。前者是系统的核心控制和决策单元,主要作用是对电池系统的工作状态进行监测和管理,对保障电池安全,稳定,可靠运行有重要意义。

3.2经验总结

结合韩国储能事故数据,以及四类引致安全事故因素的分析,可以对锂电池储能系统安全性管理做出以下经验总结。

(1)电池本体因素仍然是储能系统安全的核心,受现阶段管理系统的监测管控可靠性限制,对电池本体的充放电SOC区间有必要适当收紧。

(2)电池老化因素及运行环境因素的长期演化将可能造成腐蚀性的绝缘部件损坏,需要强化绝缘检测并进行定期维护检查,同时需要强化漏电断路装置,过电压保护装置,过电流保护装置等电气冲击保护装置的可靠性。

(3)储能系统配置足够强度和灵活性的主动热管理系统是非常必要的。

(4)电池储能系统的标准体系有待进一步完善,特别是涉及PCS,BMS,EMS之间协调,控制与管理的相关标准。

(5)目前业内重点关注和大力开展的热失控提前预警和消防安全技术,不能从根本上避免锂电储能系统的安全事故。欲达成锂电储能电站“零事故”绝对安全的目标,需要改变思路,从电池安全状态的实时评价和预测着手,针对电池本体及运行条件等多因素耦合作用的长期演化特性,研发电池安全风险的早期预警系统,从源头降低电池系统热失控风险。

四,美国APS储能电站事故原因分析报道及整改建议和措施

2019年4月19日,美国亚利桑那州的公共服务公用事业公司(APS)发生大规模电池储能项目,由于2.16兆瓦时锂离子电池储能系统内发生连续热失控,一名职业消防队长,一名职业消防工程师和两名职业消防员在爆燃事件中受到重伤。

4.1事故过程描述

储能系统烟雾探测发出警报,并排放灭火剂。

储能系统中的烟雾探测器在大约16:55时发出警报信号,并排放了全淹式灭火剂(Novec1230)。

消防员是危险材料处置小组成员(HAZMAT),HAZMAT团队对储能系统附近定义了应急危险区,并进入该区进行危险气体监测和火情诊断。

受伤的消防员是一支危险材料处置小组(HAZMAT)的成员,该小组于大约在18:28时到达现场。注意到从建筑物和附近的组件中散发出来并在沙漠中漂移的低层白云。该团队定义了一个热区(应急危险区),并多次进入该热区,以使用多通道气体浓度测量表,比色管(colorimetrictubes)和热像仪(TIC)在储能系统周围进行360度的火情诊断评估(size-up)。该小组在每次进入过程中都检测到危险的氰化氢(HCN)和一氧化碳(CO)升高。该团队持续监视储能系统,并注意到大约在19:50时白色气体/蒸汽混合物停止从容器中流出。

HAZMAT领导层制定了事故响应行动计划,HAZMAT小组监测储能系统附近的HCN和CO浓度低于可接受的阈值,打开储能系统大门,随后发生爆燃事件。

HAZMAT领导层制定了事故响应行动计划,其中包括一群高级消防指挥官的意见,以及拥有和设计和维护储能公司代表所提供的关于储能系统的信息。HAZMAT小组最后进入了热区,发现储能系统附近的HCN和CO浓度低于可接受的阈值。在遵循事件行动计划后,团队在大约20:01小时打开了储能系统的大门。消防员在大约20:04时在热区外观察到爆燃事件。所有HAZMAT团队成员在爆炸中均受到重伤,并被迅速送往附近的医院。注意:此事件中涉及的锂离子电池储能系统已在按照之前发布的《有关储能系统安装的当前共识标准NFPA855》的第一稿进行了调试;储能系统在设计符合调试时符合有效的相关法规和标准。

4.2事故报告将该事件分为五个关键步骤

(1)事故原因可能是是一个锂离子电池产生了树突或枝晶,从而导致锂离子电池短路,致使电芯升温并着火。

(2)当火势蔓延到邻近的电芯时,气溶胶灭火剂无法阻止如此猛烈的大火。

(3)在模组内放置的电芯离得很近,导致火势从一个电芯迅速蔓延到另一个电芯,没有任何物理屏障来防止火势蔓延。

(4)随着数百个电芯燃烧殆尽,释放出爆炸性气体,并聚集在密闭容器内,并且容器内没有传感器来计算气体的积累。

(5)由于缺乏气体监测遥感系统,并且消防员对这类情况的培训欠缺,导致首批消防员人员并未采取正确的行动。

(6)爆炸性气体不断积聚,当第一批急救人员打开舱门,氧气进入舱内时,爆炸性气体开始燃烧。

4.3整改措施及建议

研究结果包括两大类建议:对电池系统设计进行物理改变以消除气体积聚的情况,以及改变对安全人员处理储能站紧急情况的培训。①APS将在储能系统中增加遥感和通风系统。当故障导致危险气体释放时,操作人员可以通过气体识别和通风将其冲洗出去,而避免风险。②其他升级包括冷却系统或电芯之间的屏障,以防止火灾蔓延,并包括更密集的灭火措施,以防气体灭火剂无法阻止火灾。③在安全培训方面,在装有电池的城市,APS对当地的安全人员进行了培训。

为确保使用锂离子电池储能系统的消防和维修人员安全,以下建议和措施应被纳入标准,规范,研究计划的要求中。

(1)基本的消防员,指挥官和HAZMAT成员的培训应强调储能系统的安全性;锂离子电池热失控,蒸气云形成和扩散过程中释放的气体和蒸气的潜在爆炸性;爆燃和爆炸波传播的动力学;应该进行包括全面测试的研究,以了解响应锂离子电池储能系统火灾事件而采取的最有效,最安全的消防策略。

(2)在通过全面的实验可以确定最终的策略和指导之前,建议消防人员在将锂离子储能系统视为外壳中的气体混合物浓度高于LEL,除非另行证明,否则应待在保守的潜在爆炸半径之外,并停留在危险区的外部。

(3)应开发一种在线教育工具,以扩散有关锂离子电池储能系统危害和消防战术考虑因素的适当基础知识。

(4)锂离子电池储能系统应包含可远程访问的气体监测;应该进行包括多尺度测试在内的研究,以评估用于锂离子电池储能系统的固定式气体监测系统的有效性和局限性。

(5)锂离子电池储能系统应包含强大的通信系统,以确保从BMS从整个储能系统中的传感器远程访问数据,并且让火警控制面板保持不间断。

(6)储能系统的所有者和经营者应与当地消防人员和业主授权单位(AHJ)一起制定应急行动计划,并全面了解与锂离子电池技术相关的危害。

(7)在所有储能系统安装中均应使用标识储能系统内容的标牌,以警告第一响应者与安装相关的潜在危险。

(8)锂离子电池储能系统应与紧急操作计划配合,按照NFPA855或国际消防法规第12章的要求,配备适当的防爆保护。

(9)应该进行包括全面测试的研究,以确定最有效的锂离子电池储能系统灭火和防爆系统。

(10)应开展着眼于储能系统紧急退役的最佳做法和消防在紧急情况下作用的研究。

五,结语

随着国内外储能项目建设的快速增长,安全问题也日益突出,特别是起火事件受到社会各界高度关注。储能还处于产业发展早期阶段,对于新事物的认知,大众普遍会有放大例如意识,韩国一时在政策激励之下,储能项目建设爆发式增长,随之在系统集成,施工运维等方面产生重大安全隐患,2019年美国APS公司在亚利桑那州皮奥里亚部署的电池储能电站发生火灾,四名消防员受伤。因此需要客观理性地看待已暴露出来的事故隐患,举一反三,认真做好储能项目的安全保障工作。

关键字:储能项目

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