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    国内外电化学储能产业消防安全标准对比分析

    作者:中国储能网新闻中心 来源:现代电力 发布时间:2021-07-11 浏览:
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    摘要

    电化学储能产业日益成熟,备受国内外学者关注,全球范围内装机呈倍数增长态势,尤以我国为最。但随着规模效应的显现,各类安全事故频发。仅韩国就发生了 27起储能系统火灾事故,在美国、我国等均有类似的储能设施着火事件,储能的安全问题必须引起重视。所以,有必要建立一套完整的电化学储能标准来防范此类事故的频发。通过对比国内外已发布的储能标准,分析了储能标准中针对消防安全问题给出的解决方法,对现有国内外标准给出相应的建议和展望,可为今后标准制定提供参考。

    引言

    电化学储能发展迅猛,截至目前,全球累计装机已达7 GW,我国的装机规模也突破了GW级。但是随着装机规模的日益扩大,安全事故频发。2017年8月至今,韩国已经发生了27起电池火灾事故,安装的电池均为三元锂电池,火灾原因主要有电池?;は低晨刂莆侍?、运营环境管理不良、工程安装疏忽、储能系统集成存在缺陷等4种因素。位于亚利桑那州West Valley的亚利桑那州公共服务公用事业公司(APS)储能设施也发生过起火事故;我国在江苏、北京也有储能系统着火的相关报道。所以,电化学储能亟需一套相关的标准来规范行业发展,引导储能产业朝着高安全、长寿命、高效率、低成本的方向发展。

    本文通过对比国内外电化学储能系统消防标准,针对各种可能出现的问题,分析了现有标准提出的解决办法,发现储能标准已经不能适应我国储能发展的需要。电化学储能系统的发展以及消防安全标准的缺乏,迫切需要形成一套完善的储能标准体系,建立有针对性的评测标准或规范。

    国外储能标准

    2.1  澳大利亚

    国际上相关的标准化组织主要有国际电工委员会(international electrotechnical commission,IEC)、美国电器和电子工程师协会(institute of electrical and electronics engineers,IEEE)和国际大电网会议(international conference on large high voltage electric system, Conference International des Grands Reseaux Electriques,CIGRE),在标准方面以IEC最具代表性。澳大利亚标准协会(Standards Australia,SA)提出的一项电池安装指南,禁止住宅和车库内安装锂离子电池储能系统;AS/NZS 5139标准的草案公布,草案要求将电池系统安置在房屋和车库以外的地方,在混凝土做成的专用“箱体”中,这一要求一定程度上提高了安全性;AS/NZS5139:2019即《电气装置—电力转换设备用电池系统的安全》,该标准为澳洲电池储能部门提供了一定的安全指导。

    2.2  美国

    美国保险商试验所(Underwriter Laboratories Inc,UL)是一家在安全标准方面具有广泛影响力的私营公司,该公司在2014年发布了世界上第一个用于固定储能的安全标准,即UL9540。UL9540是其他组织如美国消防协会(national fire protection association,NFPA)为制定消防安全或为建筑行业部署储能标准而制定的具体规范。

    热失控是安全专家和消防人员最关心的问题之一。当电池系统中的火灾级联失控时,可能会发生这种情况,同时还存在火灾中电池释放爆炸性气体的问题,因为电池火灾即使在扑灭后也能重新点燃。所以,UL最近发布了UL 9540A,UL 9540A在2015年被批准为美国国家标准,在2016年被批准为加拿大国家标准。UL 9540A涵盖电化学储能系统、机械储能系统和储热系统,是评估电池储能系统热失控的测试方法。

    针对储能系统的安装问题,美国专门制定了极具行业影响力的行业标准NFPA 855,要求50 kW·h储能系统单元之间以及50 kW·h储能系统单元和墙壁之间有3英尺的间隔。

    NFPA关于储能系统火灾危险和安全建设的标准NFPA 855《Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems》已正式发布。2019年8月25日,该标准被美国国家标准学会(American national standards institute,ANSI)批准为美国国家标准。该标准自2016年开始制订,标准技术委员会综合考虑了600多项公众因素,收到了800多条公众意见。该标准根据电力储能系统采用的技术,明确了储能系统安装、尺寸、隔离以及灭火和控制系统的要求,标准中还引入了UL 9540《Energy Storage Systems And Equipment》和UL 9540A《Test Method for Evaluating Thermal Runaway Fire Propagation in Battery Energy Storage Systerms》的要求。如果超出该标准中的容量限制或距离限制等情况,需要根据UL 9540A的测试结果,由相关部门来评估该储能系统的火灾风险。此外,该标准还引用了NFPA 1《Fire Code》、NFPA 70《National Electrical Code》、ICC 《International Building Code》等相关要求。

    NFPA 855的要求也因储能系统所在位置而异。在NFPA 855中,储能系统按照位置划分可以分成室内和室外两种。其中室内分为用于储能相关建筑内或是用于其他设施内;室外还可根据间距是否为100英尺以上分为远程和非远程两种。

    在制定标准这方面,国际电工委员会IEC涉及储能标准制定工作的工作组有TC8、TC21、SC21A、T120等,具体标准工作内容情况如表1所示。电子电气工程师协会IEEE自2003年起陆续发布了一系列储能电站相关标准,其中IEEE1547在全球得到实际应用与广泛执行,是推动储能在智能电网应用的关键基石标准。美国保险商试验所(Underwriter Laboratories Inc,UL)、NFPA、德国电气工程师协会标会(Verband Deutscher Elektrotechniker,VDE)、日本电气规格协会(Japanese Standards Association,JEA)、南德意志集团(Technischer überwachungs-Verein,TUV)、欧盟CEN-CENELEC联合工作组(Comité Européen de Normalisation,CEN)等标准制订组织也陆续发布了关于电化学储能的系列标准。

    国内储能标准

    3.1  国家标准

    国内相关储能国家标准的制定主要由中国国家标准化管理委员会和住房和城乡建设部开展。由于储能技术尚处发展阶段,国内已经发布的电化学储能消防领域标准很少,由中关村储能产业技术联盟组织制定的团体标准《储能系统火灾预警及消防防护系统》、《电化学储能系统评价规范》、《锂电池储能用直流动力连接器通用技术要求》及《电化学储能系统用电池管理系统技术规范》已完成征求意见稿。

    《电化学储能系统火灾预警及消防防护系统》标准研讨会于2018年12月26日在烟台召开,受到了储能业界、科研院所的广泛关注。该标准规定了电化学储能系统火灾预警及消防防护系统的技术要求、试验方法、检验规则以及标志、包装、运输和贮存要求,标准适用于锂电池储能系统的火灾预警及消防防护系统,其他类型的储能系统可参照执行。该标准的制定,将有助于完善行业法规标准体系,为储能的长远健康发展提供保障。

    文献由联盟和TüV南德意志集团共同提出和编写,主要围绕电化学储能系统的安全、性能、环境符合性和文件完整性,建立一套全面科学的指标体系,用于电化学储能系统稳定性、安全性和可靠性的综合评价。

    国家标准国家能源局在2018年10月30日印发《关于加强储能技术标准化工作的实施方案(征求意见稿)》。其中指出,“十三五”期间我国应完善已有的标准化组织,使标准化管理机构和技术组织之间合作更协调;要建立标准体系,突出重点规范和标准?!笆奈濉逼诩湟鸾バ纬沙墒?、科学的储能标准体系,并参与国际化的储能标准编制,提高我国在国际上的影响力和话语权。国家能源局发布全钒液流电池储能电站安全卫士技术规则(征求意见稿),目的在于贯彻“安全第一、预防为主、综合治理”的方针,满足全钒液流电池储能电站经济、可靠运行的同时,降低作业人员在作业过程中承受伤害的风险。

    4月18日,能源局发布关于征求2019年能源领域拟立项行业标准及外文版翻译计划的意见函,其中2019年能源领域拟立项行业标准计划项目中涉及大连融科、南瑞继保等参与起草的《(蓄)电池储能站设计规范》、《电网侧电化学储能站设计规程》等,如表2所示,目前电池测试标准如表3所示。

    3.2  行业标准

    中关村储能产业技术联盟在2019年发布了标准《电化学储能系统评价规范》、《电力储能用直流动力连接器通用技术要求》、《电化学储能系统用电池管理系统技术规范》,标准编号为T/CNESA 1000-2019、T/CNESA 1001-2019、T/CNESA 1002-2019。

    现已发布的标准有3项:NB/T 33014—2014《电化学储能系统接入配电网运行控制规范》、NB/T 33015—2014《电化学储能系统接入配电网技术规定》及NB/T 33016—2014《电化学储能系统接入配电网测试规程》,这3项标准规定了电化学储能的相关技术、控制的指标以及具体要求。只适合35kV以下的配电网电压。

    由中国汽车工程学会和中国消防协会联合发布的《小型电化学储能电站消防安全技术要求》规定了储能单元容量为100 kW·h以上、1 MW·h以下的小型电化学储能电站消防设计内容及要求,规定了储能电站的选址要求、储能单元安全要求、主动式锂电池火灾抑制装置要求等。

    3.3  地方标准

    2019年以来,山东、河南、江苏、青海等地根据各个省份的自身情况,制定出有关的储能相关标准规则,如表4所示。

    建筑部2019年组织应急管理部天津消防研究所等单位起草了国家标准GB50016《建筑设计防火规范局部修订条文(征求意见稿)》。储能相关的要求涉及仓库的防火间距、厂房的安全疏散、民用建筑的防火分区、平面布置、安全疏散、灭火救援措施以及消防设施的设置等。

    国内外储能标准对比分析

    4.1  国外储能标准分析

    储能系统在电网发-输-配-用环节广泛应用,装机规模日益增大,各种电池类型参差不齐,随着电池功率的增大,发生事故的危险性也有一定程度增加,各个国家制定了系列安全标准来保障储能系统安全高效的运行。

    电化学储能系统可能存在的安全隐患主要有:

    1)火灾。电化学储能电站发生的火灾可分为两类,一类是电池本身引发的火灾,危害大且不可控,如果处于带电状态,不适合用泡沫或者水扑灭,还有一类是电气引发的火灾。另外,蓄电池在充放电过程中遇到明火、过充、过放等意外因素也可造成火灾。

    2)爆炸。蓄电池如果运行过程中通风不畅或管道堵塞,则在内部可能积累电解水产生的氢气,外部遇明火、雷电、短路等意外时会产生爆炸。

    3)化学风险。全钒液流电池电解液溶析时会析出剧毒的晶体,损害呼吸系统和皮肤,严重的还可导致慢性支气管炎、肾衰竭、视力障碍等。锂离子电池电解产生氟化氢(HF)气体,对皮肤、眼睛等有刺激性作用。

    4)电气风险。储能系统中有较高的直流和交流电压,如果在操作时没有穿戴好防具或者操作不慎,可能发生触电的危险,以及系统的接地故障、短路电流等风险。

    所以,储能电池需要进行电池热失控测试,目前,储能用电池热失控要求和测试方法的相关标准有GB/T 36276—2018,UL9540A:2018,UL1973:2018,各标准应用场景大体相同,但测试存在差异性,如表5所示。

    GB/T 36276—2018适用于电力储能用锂离子电池,侧重于检测储能用锂离子电池在发生热失控时是否发生起火、爆炸;UL 9540A:2018未做具体说明,可适用于所有储能系统的电芯,侧重于检测储能系统电芯发生热失控时,对其起火特性进行评估;UL 1973:2018适用电芯类型包括锂离子、锂金属,钠硫,氯化钠镍和铅酸,侧重于检测当电池系统中电芯发生热失控时,对周围电芯及电池系统产生的影响。

    从韩国26起电池着火事件可以看出,储能系统若发生事故,后果非常严重。储能系统处于热失控状态,可以产生对人体有害的气体和可燃气体,进而引发爆炸,为了避免此类事故发生,储能装置应该装有通风、烟雾和火灾报警系统和探测系统,并且对储能系统进行爆炸控制。储能系统在安装时,必须安装应急系统,才能做到防患于未然。储能大规模应用前,应制定相应的标准体系,还需要对相关人员进行应急操作培训,并且需要消防部门作为主体参与。

    澳大利亚发布的《储能标准路线图》对用户侧的储能系统作了安装方面的规范。欧盟的STABALLON项目也在系统层面和全生命周期方面对锂离子电池的安全问题提出了预防策略。NFPA制定的NFPA855,提出固定式储能系统安装标准,适用于大型电网储能,将于2021年秋季发布。NFPA855规定了每种电化学储能系统的容量阈值,将储能系统划分为室内和室外两类,据此对于储能系统单元间以及与墙壁的安全距离进行了规定,提出了储能系统配备的消防及防撞?;ご胧?,对消防人员进行应急准备培训等要求,突破了消防安全针对于小型储能系统的局限,同样适用于大型储能电站。国内只文献的第11章节对锂离子电池的火灾危险等级与安装格局作了规定,目前大多数国内储能电站的建设遵循此规则。

    美国和加拿大通用的国标UL9540标准于2014年发布,适用于多种储能技术,在储能系统安装后的安装参数、间距、通风、产生的热量和气体等方面进行了规范。

    美国国家消防协会对相关人员进行免费的培训,主要是进行储能相关知识、专业术语、储能的危险、可能发生的意外以及一些应对策略,以保证在突发事故出现时,可以有效地进行遏制。纽约州政府将在2020年6月发布《2019年储能系统补充文件》,其中包括对《纽约州统一消防和建筑规范》以及对《2015年国际消防规范》和《2015年国际建筑规范》进行的相关修订,为不同的储能系统技术和术语添加相关的定义。

    4.2  国内储能标准分析

    与国外相比,我国也发生过事故,但相对较少。据统计,2018年我国至少发生了40起新能源汽车起火的事件。

    电站的安全事故,往往都是由于在预警缺失或滞后的情况下,电池自身热失控或是其他外部因素导致电池起火而引发的,由于缺乏有效的安全防护措施,电池的初期火灾迅速蔓延,而现有的消防措施并非是针对电池火灾而配置的。因此,电池初期火灾无法得到有效抑制,最终演变为大规?;鹪?,导致整个储能集装箱或储能电站烧毁。

    在标准体系建立方面,2018年10月,国家能源局发布了《关于征求<加强储能技术标准化工作的实施方案>意见的函》。方案要求进一步重点推进储能标准的建立,包括储能系统运行、维护、设计等方面,这个方案可以推动储能标准的制定和进一步的实施。

    我国仍欠缺相关的国家标准和行业标准,有关储能的审批和标准体系还不够健全,急需设计储能安全准则和标准体系,并将相关事件报告纳入数据库进行管理和公示。同时,国家有关部门与项目涉及的企业,应尽快针对此类项目的火灾危险性以及其他风险指标开展评估,通过实验取得真实数据,进而分析、论证有效的风险控制措施,制定相关标准。根据系统设计和运行过程中可能存在的风险,依据现有规范标准组织安全评估论证,制定相应的预防和处置预案,加强对消费者和设计安装人员的提示,并对设计和安装等相关从业人员进行培训和认证,严格执行运维手册,特别是进行有针对性的消防培训,提高行业安全水平和事故处置能力。

    结论

    本文通过对电化学储能消防安全标准进行梳理和分析,得出如下结论:

    1)高安全、长寿命、低成本、高效率、易回收是储能规?;τ玫奈宕笠?。其中,安全居首位,为确保储能系统安全运行,应从电池本体、BMS、PCS、能量管理等各环节入手,统筹规划,制定切实可行、具备实操性的标准体系。

    2)移动式储能系统以其灵活、便捷等优点逐步成为主流,应有针对性的制定系列标准来规范这一新生事物。重点考虑箱体的材质、尺寸、内部装载电池容量的匹配关系、箱体之间的安全距离、箱体走线形式、通风散热、灭火介质的选用等方面。

    3)云处理、AI技术、大数据、区块链等新兴技术的涌现,为实现储能电站的远程诊断、状态预警、多维度紧急施救提供了可能,应挖掘现有储能电站的海量数据,顶层设计标准框架,为储能电站的高效运行、智能维护、及时施救提供必要的保障。

    作者简介

    李建林,男,博士,教授,主要从事大规模储能技术研究。

    谭宇良,男,硕士研究生,主要从事大规模储能技术研究。

    周喜超,男,博士,高级工程师,主要从事大规模储能技术的新能源领域的应用研究。

    王力,男,博士,教授,主要从事城市交通控制理论与技术、网联交通智能控制。

    关键字:储能标准

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