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中国电科院首席专家惠东:电力储能中的安全问题及应对技术
日期:2019-05-20   [复制链接]
责任编辑:chengling 打印收藏评论(0)[订阅到邮箱]
 编者按:中国电科院首席专家 惠东表示:恰恰出现大量的储能电站事故基本都是三元电池,某国1000多个储能电站,从去年到今年发生26起还是28起,其中10兆瓦以上储能电站有20个,毫无例外的都是三元型电池。是不是磷酸铁锂很安全?这些指标磷酸铁锂比三元指标性能优得多,正极材料是一部分,理论上磷酸铁锂也不是绝对安全,只能是相对安全。

东西还没有彻底出来,实际上我们安全相关的检测性工作开展得不是特别足,我今天想发言的题目是:电力储能中的安全问题及应对技术。

四方面,一是电力储能的安全问题。

电力储能安全问题有很多,今天会把话题变得更窄一些,储能安全可能有电气安全、化学安全、机械安全,说得更窄一些,跟火灾或失火相关的安全。大家看一张图,美国早期应用比较多,也出了很多问题。美国特别在2013年以后,当然美国的标准等一会儿乐首席会讲,安全这块美国比较重视,专门做了美国标准的技术路线图。到2017年,有关开发、设计、安装、运维、事故升级,甚至到教育扩展,美国都开始有相关的有条理的、有体系的对安全问题的布局。

我们对安全问题,储能电站的安全事故,往往都是在预警缺失或滞后的情况下,电池,重点说是锂离子电池本身失控引发出来的,包括蔓延。现有消防措施并非对火灾配置,陆续出现一些火灾。包括最终演变为大火灾,整个事情的发生。

说起来电池风险的根源,锂离子比较多,电激源、热激源、机械激源,还有电池自身、系统内其他部件、环境原因。

从安全原因来讲,内因肯定锂离子自身的问题。无论如何,现有的锂离子怎么改变,由于锂离子电池是有机电解液体系这件事情发生,这是它的根源。存在温度过高或过充电时,电解液表现分解是核心原因。

如果是电池内部出现某种,由于内短路或制剂各方面引起,如硫酸锂发生反应,进一步发热,其他电化学反应可能发热量更大,更大时,会在一定温度上释放氧气。我们点汽油,汽油一定会着。但把汽油的氧隔绝一定会灭,电池一旦着起来,还要自吸氧。这是锂离子电池的原因。

可能因为过充过热产生一系列的原因,不仅带来热量,可能后期过程中还会释放氧气,使鼓掌放大产生爆炸,这是放热副反应,有工艺问题、材料体系问题,也有应用问题,包括低温充电、大电流充电、负极性能衰减过快,振动、跌落等。

围绕这样一些东西,有安全性整体对应的东西。一是从电池那块去解决,我不是做电池的,那块的事进不太清楚。对储能本体应用,一般有四种措施:一是通过检测技术,去甄别这个东西能不能使?另外有预警技术、防护技术、消防技术。

事实上,在2018年发布的《电力储能锂离子电池》国标来看,有一条非常重要的内容,就是关于热失控的检测,这是目前来讲,关于电力储能应用中间,对于电池安全的。第一,我们是有标准的,第二,是有检测机构来做这件事。这是第一关,比较重要的热失控是有严格步骤和规定做这件事。除了单体还有模块相应的测试方法和步骤还有要求。

这种要求我们做了相当多的试验,也有人到相关部门到相关质检中心做了相关检测,真有相当多的电池没有过,出现热失控,没有过这条标准。最近发生了几起事故,我们知道最近发生一到两起磷酸铁锂小范围的事故,后来调研,这些东西都是在我们这做检测没有过的。不能说过了一定怎么样,确实我们听说的是没有过的这些东西。而这个标准,现在来看,对很多三元的电池是很难过去的,现有三元型电池做储能很难过去,不是有歧视性,这个标准是做大量试验做出来的。

恰恰出现大量的储能电站事故基本都是三元电池,某国1000多个储能电站,从去年到今年发生26起还是28起,其中10兆瓦以上储能电站有20个,毫无例外的都是三元型电池。

是不是磷酸铁锂很安全?这些指标磷酸铁锂比三元指标性能优得多,正极材料是一部分,理论上磷酸铁锂也不是绝对安全,只能是相对安全。

刚才讲了,通过安全检测并不一定代表使用过程中间就非常安全,就不需要安全防护,其实安全只是一个概率问题。而且现有的我们检测的方法,是现在有逐步的检测方法,但第一个检测方法,是不是目前一定是终极的检测方法,我们还要探讨,因为电池在不断改进。第二,即使检测方法发布了,相关的东西在入网条件或组成条件上,是不是采用一定相关标准测试,这个也有待于加强考核。

电池一旦局部开始着了,如果未能得到及时的抑制,显然会不断蔓延。蔓延有几种方法,一是整体的去灭火,还有一个针对性的灭火,在它初期造成对它补救比较大。

从防止蔓延角度来讲,电池的安全到底有没有那么恐慌?回头还要谈论这个问题,单纯从工艺上能不能解决?剩下还有这些防护:第一,预防。前一段检测入网是更高层面的预防,那些东西不让它进来,一旦进来以后,从安全预警、安全防护、消防灭火这三方面形成整个安全问题的应对措施。

从安全预警角度来讲,现有的,电池内部电化学这件事,从已有的东西来看,判断电池异常,包括这几个层次来看,来进行分级,我们想这样去做。另外,希望预防能达到对热失控的预判,这是我们从对预防的情况来看。第二,能对故障电池位置有效识别。

从防护来看,我们希望能够防止电池的电滥用、热滥用和机械滥用。最后机械滥用在储能电站发生概率比较低一些,更多是电滥用、热滥用较多。防止绝缘性降低造成闪弧短路等,这是从防护需求来看。

从灭火需求来看,其中比较重要的,与电池、火灾相匹配的灭火技术,另外良好的灭火效果,快速灭火还有长时间抑制这件事。与电池相匹配的技术来看,像电化学、电池这种灭火,带有自吸氧反应的活动。灭火的介质,一是快速降温能够带走热量,二是能抑制相应的自吸氧反应的方式。

我们也有相关工作,对于电池的预警做过,如对电池过充、过放、过热、内短路、破损、绝缘性降低都有相应办法。有很多预警系统做在相关的里面,这里面可能有很多,对电池预警还是带有经验性的,我感觉对于电池能够做成预警,现在来看,这是火灾前的现场,这个预警带有一定的发生。事实上气体感,现在来看对气体感可能的手段,对电池发生事故现在的预判技术不是特别成熟。

关于防护,主要考虑几方面:防爆的设计,电池本身这块。热失控的阻断,电池的结构设计,从这里面做预防。这就要求我们采用吸热材料,或定向散热方式,一方面形成热隔离,另一方面形成热疏导,这两个看似矛盾的事情。

另外,消防技术。消防技术针对灭火,现有比较多的,对于电化学系统六氟丙烷、七氟丙烷等。最近做了很多实践,七氟丙烷还是有抑制作用的,初期抑制能针对性做了,还真是有一定技术。现在七氟丙烷使用方式问题比较大,漫灌式,通过阻隔箱里氧气含量灭火。这是不对的,如果七氟丙烷管道式的喷洒,短期带走一部分热量,七氟丙烷毕竟是气体。如这件事认为七氟丙烷对灭火效果不太好,这实际上是使用方式的问题。

1230是无色无味残留气体,1230具有极好吸热性,降温到灭火效果做实验,也是在初期。1230沸点只有49度,很容易挥发。即使当时起到灭火作用,是不是还有复燃问题?气溶胶,确实有电化学气象抑制作用,但降温不太好,所以附带抑制也有一定的作用。

因为我是中国电力科学研究院的首席技术专家,我所在的团队近年来做了很多电池安全相应的工作,不是今年应景把我们的成果拿出来给大家讲。在电化学安全上,国网真是不差钱,从2011年、2012年起,每年国网至少布局300万到500万的课题,每年都有这个课题,从各个方面,从最简单的东西起。我们这些人是不是特别专业不好讲,但我们做的工作承担得多。我在西山炸掉的电池有500万元,至少我们努力做了相关工作。

首先我们做了很多对于燃烧爆炸过程和现象的分析,这里涵盖易燃性、释热性等。包括相关的结论,安全性的定点热失控临界点判定,这个项目是国家重点研发机构,大容量锂离子这件事工作中的一部分相关工作。

对于整个过程的燃烧,电池的热特性这件事,我们做了很大的相关工作。刚才说温感、气感、烟感等混合式开发了一些相关装置。

此外,针对储能关于防护的问题上,利用EPDM为主的材料,加入功能添加剂,做了防治工作,这种防治对热失控蔓延有比较好的作用。另外对组热仿真平台建设,而且仿真过程中实施验证性工作。

在这个基础上,设计电管理、热管理和安全防护的样机,开展相关试验,如样机过程包含比较好的,一是把热过程进行仿真,包括对防护进行相关设计。从开展实验来看,没有发生有意地触发电池。周边来看,以这个技术,热失控效果比较好。并不是一个图片代表技术解决了,确实做了大量相关工作,对里面技术、参数配置这些问题已经摸得很清楚。

另外,灭火技术。刚才讲有几种灭火剂,刚才讲六氟丙烷、七氟丙烷、1230等。最近结合烟感报警装置集合到一起,最近找到一种氟系列液态灭火方式,采用气液复合灭火剂,六氟丙烷、七氟丙烷、1230都是氟系列产品,因为氟比较稳定,氟系列带走热量比较大。氟系列液体性的东西带走热量是六氟丙烷700倍以上,使表面温度获得大大降低。另外氟系列对阻止吸氧反应效果比较明显。基于此,做了相关东西,这是我们做的消防灭火的装置系统。

这是气液灭火负荷当年的容量。这在西山做了N次实验,国家消防质量检测中心进行检测。检测的结果是装置自动响应时间为0.5s,灭火用3.5s,可以抑制24h不复燃,这真等了24h做相关灭火工作。

如2兆瓦甚至以上规模,如一个集装箱可能配置80到150L的东西,事实上80L可以对付这个东西,为什么配150L,为防止复燃还有东西喷过去。有中型的、小型的。

针对不同的东西,它的布局结构都有要做的内容性的工作。目前看,下一步会有相当多的地方,示范项目中间开始率先得到使用。目前来看,灭火这件事可能最终,如果我们能形成这种闭环,当然能把问题解决是最好的,真正说到火灾扩展到爆炸燃烧中,显然采取外部措施。一个大型水电站还是要和消防进水结合起来,那是最后一步,防止次生灾害外一步来看。从现在做的实验来看,能够越在早期控制燃烧,针对性地控制燃烧,所需要的剂量比较小、控制成本比较高。最大问题对现有电池吸氧影响做了改变,直接把管道喷到模块里,当时灭了就完了,需要的液比较少,这和传统目前已经有的标准结构发生了比较大的变化。

我看到有别的国家在做局部性这种方式,它这种方式只是用六氟丙烷、七氟丙烷这样做效果比较好,初期得到抑制,确实燃烧了。

我的报告就到这。

原标题:电力储能中的安全问题及应对技术
 
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来源:中国储能网
 
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