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嚴超 黃文 | 我國電化學儲能電站安全風險分析及管控建議
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我國電化學儲能電站 安全風險分析及管控建議 嚴超 黃文 摘要：電化學儲能電站是我國建設新型電力系統(tǒng)、實現(xiàn)碳達峰碳中和的重要支撐。然而，其存在火災甚至爆炸的風險。全球范圍內電化學儲能電站火災事故頻發(fā)，這警示我國需科學管控電化學儲能電站的安全風險。本文介紹電化學儲能電站的安全難題，分析我國電化學儲能電站存在的安全風險，進一步探討其安全風險管控過程中面臨的困難與挑戰(zhàn)，提出科學管控安全風險的對策建議，旨在更好地保障我國電化學儲能電站的安全，推動新型電力系統(tǒng)建設以及碳達峰碳中和目標的實現(xiàn)。 電化學儲能包括鋰離子、鉛酸（碳）、液流、鈉硫等不同類型的電池技術，當前主要以磷酸鐵鋰和三元鋰電池為主。電化學儲能電站由數(shù)萬至數(shù)十萬個電池組成，具有布局靈活、響應速度快、調節(jié)精度高等優(yōu)勢，在我國建設新型電力系統(tǒng)、實現(xiàn)碳達峰碳中和目標的進程中發(fā)揮著重要支撐作用。根據(jù)國家能源局發(fā)布數(shù)據(jù)，截至2024年底，我國新型儲能裝機累計達到7376萬kW，較2023年底增長超過130%，其中95%以上為鋰離子電池儲能，我國電化學儲能已進入規(guī)模化發(fā)展階段。 磷酸鐵鋰和三元鋰電池本身存在一定的熱失控概率，這種熱失控可能導致電化學儲能電站發(fā)生火災甚至爆炸，但磷酸鐵鋰相較三元鋰的安全性更好。全球范圍內，電化學儲能電站火災事故屢見不鮮，不僅對公共安全構成嚴重威脅，還可能影響碳達峰碳中和目標的實現(xiàn)進程。這些事故警示我國在新型儲能規(guī)模化發(fā)展過程中，必須科學謀劃并有效管控電化學儲能電站的安全風險，以確保新型電力系統(tǒng)建設和碳達峰碳中和目標的安全有序推進。 本文從事故概率和事故影響兩個方面介紹電化學儲能電站的安全難題，在此基礎上，結合我國電化學儲能電站發(fā)展實際情況，分析其面臨的“基數(shù)增加”和“老舊隱患”風險，探討我國電化學儲能電站安全風險管控在設計規(guī)范、監(jiān)測預警和消防策略方面面臨的挑戰(zhàn)，從加快本征安全研究、加強規(guī)范制定、升級監(jiān)測預警和完善消防策略等方面提出對策建議。
一、電化學儲能電站安全難題介紹 （一）電化學儲能電站事故概率 電化學儲能電池在過充、過放、環(huán)流、內部短路、電氣故障、機械碰撞等多種故障情況下，電芯溫度容易升高，進而引發(fā)熱失控，最終導致火災。電芯燃燒時會釋放出可燃和有毒氣體，可能導致爆炸[1]。大型儲能電站（100兆瓦以上）通常由數(shù)十萬至百萬個電芯組成，這使得電芯出現(xiàn)故障的概率大幅增加。目前，全球范圍內已發(fā)生多起電化學儲能電站火災事故，主要集中在韓國和美國，中國、澳大利亞、德國、法國等地也有此類事故發(fā)生。目前單體電池的火災概率約在10-3量級，根據(jù)孫金華院士2022年的統(tǒng)計，全球每座儲能電站每年發(fā)生火災的概率約在2×10-3~3×10-3。截至2024年底，我國已投運的電化學儲能電站達1473座[2]，按照這個數(shù)據(jù)估算，每年約有2~5座電化學儲能電站可能發(fā)生火災事故。表1統(tǒng)計了我國近2年公開記錄的主要電化學儲能電站事故，考慮到部分事故可能未被公開，事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)可能較真實情況有所低估。 表1 近2年我國主要公開電化學儲能電站火災事故
（二）電化學儲能電站事故影響 在全球范圍內，早期曾發(fā)生多起造成人員傷亡的嚴重電化學儲能電站燃爆事故（見表2），這些事故引發(fā)了人們對公共安全的高度重視。其中，2021年我國北京集美大紅門儲能電站發(fā)生爆炸事故，造成2名消防員死亡；2024年韓國京畿道電池廠火災引發(fā)爆炸事故，導致23人死亡。在電化學儲能火災處置不當?shù)那闆r下，極易發(fā)生燃爆，從而引發(fā)大規(guī)模事故。2024年以來，全球范圍內電化學儲能電站火災事故持續(xù)不斷（見表3）。例如，2024年5月美國加利福尼亞州Gateway儲能電站（250兆瓦/250兆瓦時）發(fā)生火災事故，電站多次復燃，火災持續(xù)約11天，釋放出的大量有毒有害氣體造成嚴重空氣污染，迫使周邊地區(qū)1500多名居民緊急疏散撤離，滅火時產(chǎn)生的大量水漬會造成環(huán)境污染。電站設備及建筑物損毀造成數(shù)千萬美元經(jīng)濟損失，儲能設施停運使電網(wǎng)調峰能力下降，引發(fā)當?shù)厣鐓^(qū)對電化學儲能電站部署的強烈反對，火災發(fā)生后圣迭戈縣明確禁止在住宅區(qū)部署儲能設施。 表2 全球范圍造成人員傷亡的主要電化學儲能電站事故
表3 2024年以來全球主要電化學儲能電站火災事故
二、我國電化學儲能電站安全風險分析 根據(jù)工程風險評估理論[3]，電化學儲能電站的安全風險是電站數(shù)量、事故概率和事故影響三者的乘積。其中，事故概率受電池本體質量、集成設計、氣象條件等多種因素制約，事故影響涵蓋人身安全、環(huán)境污染、財物損失等多方面。 （一）“基數(shù)增加”風險 截至2024年，全國投運新型儲能總裝機達到7376萬千瓦/1.68億千瓦時，約為“十三五”末期的20倍，且95%以上為電化學儲能。然而，其僅占全國電源總裝機的2.20%，占新能源總裝機的5.23%，與新型電力系統(tǒng)調節(jié)能力建設的需求相比，差距較大，增長潛力巨大[4]。據(jù)中關村儲能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟估計，到2030年全國電化學儲能裝機將超過2億千瓦[5]。隨著電站基數(shù)的增大，安全風險也隨之增加。另一方面，2024年國內儲能系統(tǒng)（2小時）中標均價相較2023年下降了43%。雖然價格并不絕對等同于質量，但在強制安全設計規(guī)范和安全追責機制仍在完善，且行業(yè)內卷導致企業(yè)面臨較大經(jīng)營壓力的情況下，部分企業(yè)可能會通過降低設計標準和部分零件質量來減少成本，這將引起事故概率上升，進而增加安全風險。 （二）“老舊隱患”風險 2017年至2024年2月期間，全國已有近30個省份出臺新能源強制配儲政策，要求新能源項目按照10%~40%的比例、1~4小時的時長配置儲能，以解決新能源消納問題。同時，多個省份還出臺了補貼政策，優(yōu)化了分時電價政策，以刺激工商業(yè)儲能配置。但由于早期新型儲能尚處于發(fā)展完善階段，系統(tǒng)集成、消防安全等方面的設計可能存在一定缺陷，使得這類儲能電站更容易發(fā)生火災。以同類型國外電站為例，建于2020年的美國Moss Landing儲能電站，其一期項目在2021年就因消防設計缺陷，導致水系降溫系統(tǒng)啟動時損壞電池模組，2022年和2025年又相繼發(fā)生3次火災，這些事故很可能都與設計缺陷相關。2022年我國新能源配儲日均等效充放電次數(shù)僅為0.22次，大量儲能設施未被調用，到2024年這一數(shù)據(jù)提升至0.48次。隨著調用率的提高，電化學儲能電站發(fā)生火災事故的概率也相應增大，導致安全風險增加[2][6-7]。
三、我國電化學儲能電站安全風險管控挑戰(zhàn) （一）消防規(guī)范制定待細化 1.強制性電化學儲能電站消防安全標準缺失 目前，國內唯一的儲能電站強制性國家標準《電化學儲能電站設計規(guī)范》（GB51048-2014）起草于2012年，其安全要求已過于寬松。例如，該標準將鋰離子儲能電站的火災危險等級定性為戊類（火災危險最低的級別），而標準修訂版尚未正式發(fā)布。此外，國內缺少儲能消防專用國家標準以及驗收審查依據(jù)，針對消防方面的要求基本按照通用工業(yè)建筑消防設計且大多為推薦性而非強制性。 2.電化學儲能電站設計規(guī)范細節(jié)有待加強 現(xiàn)有標準修訂版中關于安全布置間距、消防分區(qū)等參數(shù)的規(guī)定，但未充分考慮電站規(guī)模和位置的差異，缺少站房式電化學儲能電站的布局規(guī)定[8]。雖然《電化學儲能電站安全規(guī)程》（GB/T42288-2022）和《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求（2023版）》對電化學儲能消防要求進行了完善，但僅提出滅火的“功能性”要求，如“每個電池模塊可單獨配置滅火介質噴頭或探火管”“滿足撲滅火災和持續(xù)抑制復燃的要求”，卻未提及具體的實現(xiàn)方法和經(jīng)濟可行性。 （二）監(jiān)測預警利用待升級 1.早期監(jiān)測主動預警能力不足 現(xiàn)有儲能系統(tǒng)主要依靠復合氣體探測器（H2、CO）、溫度和煙霧傳感器實現(xiàn)報警，但在電池內部發(fā)生熱失控時，鋰電池熱失控傳播速度極快，過長的報警響應時間往往難以有效阻止熱失控的蔓延。此外，目前還缺乏對電壓、電流、內阻、電解液泄漏、微短路等多參數(shù)多維度的監(jiān)測手段。當前的電池管理系統(tǒng)（BMS）主要承擔電池運行參數(shù)采集與狀態(tài)監(jiān)測功能，由于不具備復雜計算處理與數(shù)據(jù)存儲能力，導致主動安全防護技術尚未實現(xiàn)大規(guī)模工程化應用。同時，海量儲能數(shù)據(jù)的深層價值尚未得到充分挖掘，難以有效支撐電池系統(tǒng)早期故障診斷與預警功能的實現(xiàn)[9]。 2.安全監(jiān)測檢測機制尚未建立 目前國內外普遍缺少儲能電站火災的中央監(jiān)測機制，因此難以準確、及時地對全部事故進行警報和記錄。同時，也缺少固定周期的儲能電站安全檢測制度，以及電化學儲能電站安全狀態(tài)檢測的有效技術手段和技術規(guī)范。例如，2024年7月美國紐約州更新州消防法規(guī)，要求通過中央站服務警報系統(tǒng)監(jiān)控火災探測系統(tǒng)，以確保火災發(fā)生時能及時、準確地向當?shù)叵啦块T報警，并要求對儲能系統(tǒng)定期進行由行業(yè)資助的特別檢查，以保障其安全性和合規(guī)性[10]。 （三）消防策略設計待完善 1.消防策略方案需要深入研究并細化舉措 目前，噴水消防仍是電化學儲能火災滅火降溫的主要手段，但水與燃燒電池發(fā)生化學作用會產(chǎn)生氫氟酸等腐蝕性物質，從而污染環(huán)境。例如，2024年美國Gateway儲能電站火災滅火用水近萬噸，但仍多次復燃。德國Suncycle儲能電站在第1次火災時采用水滅火，而在第2、3次火災時，考慮到受污染的滅火用水會引發(fā)環(huán)保問題且處理成本高昂，采取了“Let it burn”的滅火策略，即在可控條件下任其燃盡，但這種策略所引發(fā)的空氣污染影響目前仍不明確。2024年12月28日，荷蘭蒂爾堡特斯拉儲能系統(tǒng)發(fā)生火災，消防員采用“浸沒式”消防策略控制火勢，即將著火電池轉移到水容器中冷卻滅火，但如何安全轉移事故設備，是對該策略的一大挑戰(zhàn)。
2.新型滅火劑需要進行實證驗證 全氟己酮、液氮、氣溶膠等新型滅火劑在實驗室小規(guī)模或中等規(guī)模的電池火災實驗中表現(xiàn)出較好的滅火和抑制復燃性能，但采用新型滅火劑的艙級、簇級和包級消防方案能否在全尺寸真實電站火災環(huán)境中有效抑制復燃及所需劑量的經(jīng)濟性仍有待實證驗證。 目前，還沒有通過新型滅火劑成功抑制實際電化學儲能電站火災的公開報道。近期，行業(yè)內提出的電化學儲能電站簇級、包級“浸沒式”消防和地埋式布置等消防安全新型解決方案的真實有效性也有待實際應用案例驗證。 四、我國電化學儲能電站安全風險管控對策建議 （一）加快本征安全研究 一是重視鋰離子電池關鍵材料改進優(yōu)化。聯(lián)合科研院校、龍頭企業(yè)，通過研發(fā)摻雜、包覆等工藝改進現(xiàn)有鋰離子電池電解液、隔膜和電極材料的耐燃性、阻燃性，提升電池材料的熱穩(wěn)定性和電極材料的安全性，減少電池內部副反應，進一步提高鋰離子電池的安全性能。 二是加快推動新型本征安全電池研發(fā)應用。設立本征安全電池技術研發(fā)專項，加強國內外聯(lián)合技術研發(fā)，加快固態(tài)電池、水系電池等本征安全電池的技術突破；設立本征安全電池產(chǎn)業(yè)基金，鼓勵技術示范應用和追蹤驗證，提高技術可靠性；通過補貼、抵扣稅等方式支持固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)應用，通過容量補償、容量電價等方式推動全釩液流等水系電池規(guī)模化降本發(fā)展。
圖片來源：作者整理 圖1 本征安全電池技術分類示意 （二）差異化加強設計規(guī)范 一是研究制定國家層面強制性儲能電站消防安全標準。2024年，廣東省消防救援總隊發(fā)布了《電化學儲能電站消防安全技術標準（征求意見稿）》、江蘇省發(fā)布了《預制艙式磷酸鐵鋰電池儲能電站消防技術規(guī)范》（DB32/T 4682-2024），探索儲能消防標準，這些標準的發(fā)布推動了行業(yè)消防安全的進步。從國家層面上，應綜合考慮安全風險、行業(yè)發(fā)展、經(jīng)濟成本和技術進步等因素，充分借鑒地方探索經(jīng)驗，整合消防、電氣、儲能等不同領域的專業(yè)知識，適時研究出臺強制性安全標準，通過前置審查提高電化學儲能電站的安全水平。 二是差異完善國家層面電化學儲能電站規(guī)范設計細節(jié)。根據(jù)電化學儲能電站的位置、容量區(qū)別，差異化制定儲能電站安全距離布置、消防分區(qū)等技術參數(shù)。聯(lián)合消防部門，針對敞開式和站房式布置等不同應用場景，細化消防技術方案規(guī)范[11]。 （三）升級監(jiān)測預警系統(tǒng) 一是推動主動安全理念和技術工程應用。積極研發(fā)監(jiān)測預警系統(tǒng)，升級電化學儲能電站傳感系統(tǒng)和電池管理系統(tǒng)，推動監(jiān)測系統(tǒng)由溫度、氣體監(jiān)測向具備內阻分析、氣體成分分析等多參數(shù)多維度復合監(jiān)測轉變。推動大數(shù)據(jù)在事故預警系統(tǒng)中的應用，通過數(shù)據(jù)迭代訓練不斷提高早期故障診斷和預警判別算法的準確性，實現(xiàn)電化學儲能電站事故的主動安全管控[12]。 二是推動中央監(jiān)測和安全年檢制度建立。研究建立電化學儲能電站火災的中央監(jiān)測報警機制，通過監(jiān)測系統(tǒng)及時、準確地向消防部門報警，提高儲能電站火災處置的響應速度，并通過監(jiān)測系統(tǒng)更全面地公開記錄火災事故，提供處理經(jīng)驗教訓。研究建立電化學儲能電站安全年檢制度，由專業(yè)第三方認證機構對在運電站的電池一致性、容量衰減、電氣絕緣、響應能力、消防系統(tǒng)等安全狀態(tài)進行檢測，對存在安全隱患的電站堅決進行整改。支持光纖原位檢測等先進檢測技術研發(fā)和應用，科學保障常態(tài)化檢測的可行性。
（四）有效完善消防策略 一是深入研究消防策略制定。聯(lián)合消防單位、儲能廠商、電力調度等相關部門，充分結合電化學儲能電站的規(guī)模、位置、布局、水源等條件，統(tǒng)籌考慮“噴水消防”“Let it burn”“浸沒式”消防等不同消防策略的優(yōu)劣勢，研究“一站一策”的電化學儲能電站消防策略制定機制。追蹤記錄全球電化學儲能電站火災事故的經(jīng)過和滅火措施，借鑒實際經(jīng)驗更新和完善消防策略的制定。 二是實證驗證新型滅火劑。建設國家級電化學儲能火災全尺寸實證驗證實驗平臺，科學檢測驗證新型滅火劑和消防方案的真實有效性。完善電化學儲能電站消防滅火方案的認證機制，逐步建立類似UL9540系列認證的國際性儲能系統(tǒng)安全認證體系。 參考文獻 [1]孟國棟,李雨珮,唐佳,等.鋰離子電池儲能電站的熱失控狀態(tài)檢測與安全防控技術研究進展[J].高電壓技術,2024,50(07):3105-3127. [2]中國電力企業(yè)聯(lián)合會.2024年度電化學儲能電站行業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)[R].北京,2024. [3]樓夢麟,宗剛.工程風險評估與管理[M].上海:同濟大學出版社,2023. [4]國家能源局.2024年全國電力工業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)[R].北京,2024. [5]俞振華.中國儲能技術與產(chǎn)業(yè)最新進展與展望[R].北京,2024. [6]中國電力企業(yè)聯(lián)合會.2023年度電化學儲能電站行業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)[R].北京,2023. [7]中國電力企業(yè)聯(lián)合會.2022年度電化學儲能電站行業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)[R].北京,2022. [8]羅斯,鐘園軍.固定式電化學儲能系統(tǒng)消防技術規(guī)范標準研究[J].消防界,2022,8(20):17-19. [9]張宗玟,梁雙,嚴超.碳達峰碳中和背景下電化學儲能安全有序發(fā)展研究與建議[J].中國工程咨詢,2021(10):41-45. [10]New York State Fire Prevention and Building Code Council. Uniform Fire Prevention and Building Code of New York State. Albany, NY: New York State Department of State, 2024. [11]嚴超,嚴碧波,黃文.我國新型儲能規(guī)模化發(fā)展的現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)和對策建議[J].中國工程咨詢,2024(06):58-62. [12]李奎杰,周開運,詹銳烽,等.儲能鋰離子電池熱失控早期主動安全預警技術[J].電氣工程學報,2024,19(04):48-61. 注：原文載自《中國工程咨詢》2025年第6期，本次發(fā)表有較大改動。文中部分圖片來源于網(wǎng)絡，版權歸原作者所有，若有侵權請聯(lián)系刪除。 | |||||
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