北京發(fā)生儲能爆炸事故，如何用技術消除隱患？
分類：前沿資訊
- 作者：謝偉
- 發(fā)布時間：2021-04-21
【概要描述】儲能市場越來越大，在不斷降低成本的過程中，有哪些燃燒爆炸隱患會逐漸顯露？從技術的角度，如何才能消除這些隱患？
最近儲能行業(yè)關注的一個事件是上周發(fā)生在北京的光儲充一體化電站項目爆炸事故，事故導致兩名參與救火的消防員犧牲，造成很大影響，勢必會引起行業(yè)政策對儲能安全問題的重視。今天我們就聊一聊儲能存在哪些安全隱患，又該如何通過技術來消除。
首先回顧一下此次事故：北京消防官方微博通報，4月16日12時17分，北京市119指揮中心接報豐臺區(qū)南四環(huán)永外大紅門西馬廠甲14號院內(nèi)儲能電站起火的警情，調(diào)派15個消防站47輛消防車235名指戰(zhàn)員到場處置。14時15分許，在對電站南區(qū)進行處置過程中，電站北區(qū)在毫無征兆的情況下突發(fā)爆炸，導致2名消防員犧牲，1名消防員受傷，電站內(nèi)1名員工失聯(lián)。
事發(fā)地點是北京集美大紅門25MWh 直流光儲充一體化電站項目，事故發(fā)生時電站正在進行調(diào)試。根據(jù)公開信息，該儲能電站2019年投運，屬于用戶側(cè)光伏-儲能-充電樁一體化系統(tǒng)，儲能電池為25MWh退役磷酸鐵鋰電池。電站首先發(fā)生起火，而后消防員在處置過程中發(fā)生爆炸導致人員傷亡，也就是先起火后爆炸。從現(xiàn)象看與美國2019年APS儲能系統(tǒng)起火和爆炸過程非常相似， APS事故調(diào)查結(jié)果顯示那次事故最主要原因是電池燃燒后產(chǎn)生大量爆炸性氣體并發(fā)生聚集，當?shù)谝慌本热藛T打開艙門，氧氣進入艙內(nèi)時，爆炸性氣體開始燃燒并爆炸。
目前尚未得知是由于電池本身導致的起火，還是因為其他原因?qū)е碌钠鸹鸲笠痣姵乇?。但是從上述信息來看，有兩點是應該注意的安全隱患：
1. 儲能電池為退役的磷酸鐵鋰電池。雖然磷酸鐵鋰電池相對于三元鋰電池來說是相對安全一些的品種，但是退役則意味著電池已在其他地方使用好幾年，可能存在因物理碰撞造成電池內(nèi)部變形、電極充放電循環(huán)次數(shù)太多導致電化學性能分布不均等情況，這些都將成為電池內(nèi)部的薄弱環(huán)節(jié)，極易發(fā)生短路從而引起燃燒。
2. 這是一處充電樁項目，意味著輸出功率非常大，即輸出電流非常大。在電池內(nèi)部電阻不變的情況下，隨著電流增大，內(nèi)部電阻產(chǎn)生的熱量按平方級增長。加上這是退役電池，往往內(nèi)部電阻已遠大于新出廠的電池，所以極易產(chǎn)生大量熱量引起燃燒。事發(fā)當時電站正在進行調(diào)試，因此不排除可能在調(diào)試高輸出電流時引起了燃燒。
過去幾年，儲能市場逐漸升溫，各路資本相繼進入。在行業(yè)的初期，市場難免魚龍混雜，既有寧德時代、比亞迪這樣的獨角獸，也有大量企圖賺快錢的中小企業(yè)。在市場不成熟的前提下，從業(yè)主、投資商到設備商，更在意的是價格和成本，對產(chǎn)品的風險控制和安全并沒有足夠的認識。起火事故的背后還折射出現(xiàn)有監(jiān)管能力的缺失。與電動汽車行業(yè)100多項國家標準相比，儲能行業(yè)的國家標準還不到20項，且其消防安全國標至今不存在。為提高儲能項目的安全水平，從技術角度來看有以下這些途徑可以實現(xiàn)。
1. 適當增加儲能電池包的表面積，增加其散熱能力。與3C產(chǎn)品電池和動力電池相比，儲能電池容量通常要大好幾個數(shù)量級，因此其電池包聚集度非常高，造成單位容量的表面積非常小，不利于向外界擴散熱量。如要增加單位容量的表面積，則要縮小每一個電池包的容量，這樣會造成一定的成本上升。
2. 提高電池包間隙的散熱能力。目前使用最廣泛，也是成本最低的散熱方式是空氣散熱，即使用風扇加快電池包間的空氣流動，及時將熱量帶出儲能區(qū)。這種散熱方式的最大缺點就是散熱效率低，畢竟空氣的比熱容還是太小。液體散熱技術，暨俗稱的水冷，可以大大提高散熱效率，但是鋪設成本高，一旦泄露也可能會造成電池損害。其他可用的散熱技術，包括相變材料散熱（類似于空調(diào)的原理）等，成本都太高，因此難以用于追求低成本的儲能項目。
3. 對電池充放電的電池荷電狀態(tài)（SOC）區(qū)間有必要適當收緊。一般而言，鋰電池在20%～80%的SOC區(qū)間工作時充放電內(nèi)阻較小，發(fā)熱量也相應較小，并且該區(qū)間工作不容易造成電池的過充過放問題，有利于規(guī)避因此產(chǎn)生的風險。由于限制了SOC的運行區(qū)間為最大理論容量的60%，因此也會造成儲能成本的大幅提高。
4. 使用不易燃燒的電池技術。固態(tài)電池因為去除了易燃燒的有機溶劑，可以獲得更高的安全性。但是固態(tài)電池目前尚未實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，且成本較高，難以用于儲能項目。而另一個專為儲能應用打造的電池技術是液流電池：它使用水作為溶劑，完全不用擔心燃燒隱患；它的功率和容量可以分別獨立調(diào)控，提供了極大的應用靈活性；可在深度充放電循環(huán)應用中依然保持長久壽命，且替換電解液非常簡單方便。它相對于鋰電池最大的缺點就是能量密度低，但是對于儲能應用來說，空間一般都不是問題，而依靠其他的優(yōu)勢，液流電池勢必會成為將來的主流技術。
在接下來的系列文章里，我們會開始步入液流電池技術領域，與大家一起探討這種儲能技術將如何改變未來的儲能市場。
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作者簡介：
謝偉博士，清華大學材料學學士和碩士，美國德克薩斯大學（奧斯?。┗瘜W工程博士。主要從事儲能電池開發(fā)工作，先后在跨國企業(yè)及初創(chuàng)公司任要職，主持多項美國能源部資助研發(fā)項目，獲得2013年全美年度100最佳研發(fā)技術大獎。在材料學及儲能領域頂級期刊發(fā)表論文17篇，擔任5家國際期刊審稿工作，擁有國際發(fā)明專利申請17項。
中和儲能公司簡介：
深圳市中和儲能科技有限公司，立足于研發(fā)、推廣與應用儲能技術，旨在通過電化學儲能技術的應用助力于實現(xiàn)中國“碳中和”的目標。發(fā)展初期，公司專注利用在儲能領域已經(jīng)積累多年的行業(yè)經(jīng)驗及杰出的研發(fā)能力向中國儲能市場提供技術支持與咨詢服務。同時，公司著重于對中國儲能市場進行調(diào)查與分析，為中國市場研發(fā)或引入最先進、最有效的儲能技術。
公司技術研究與發(fā)展方向：水性儲能電池，鋰離子電池材料，燃料電池，離子交換膜，涂料與粘接劑，膜分離技術。
國內(nèi)業(yè)務：液流電池與高能量密度鋰離子電池技術合作、學術交流、公司技術研發(fā)方向的技術講座、研發(fā)咨詢、及論文寫作指導。