设施级电池储能系统危害

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储能产业背景

在2050年全球“净零”排放愿景的驱动下,能源转型加速,再生能源和绿色能源的应用发展势不可挡。然而,受限再生能源和绿色能源的不稳定性,以及能源用户对能源需求和使用的限制,具备"消峰填谷"特点的储能系统被广泛应用来稳定智能电网的电力供应质量。此外,锂电池的应用,已深入人们的日常生活,从消费性电子产品如随身耳机、手机、充电宝等,至交通应用的电动车、电动巴士、充电设施、储能站,甚至扩及于铁路、船舶、和航天领域的运用,新型态的锂生活和储能产业在整体的绿色经济中,扮演着不可或缺的重要角色。

储能系统的安全问题

在过去的几年里,全球发生数起储能系统重大火灾事故,如2021年7月澳大利亚穆拉波尔的特斯拉大型电池储能系统火灾事故(如下图)、7月19日美国Grand Ridge电池储能系统火灾事故、4月6日韩国忠清南道洪城郡的太阳能储能设施火灾事故,2022年1月12日韩国蔚山SK能源公司的电池储能系统火灾事故。

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根据新堡大学教授保罗克里斯藤森的说法,自2018年以来,共发生超过38起大型锂离子电池火灾事故。2019年亚利桑那州一储能设施爆炸事故造成四人重伤,杰西·罗曼(Jesse Roman)在分享事故经验时,给出如下中肯陈述:

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上述陈述,简言之就是“治标不治本”。这段话中所提到的热失控(Thermal Runaway),无疑是锂离子电池应关注的首要安全问题,其源自于锂离子电池过度充电或遭受外力时产生的热量和混合气体,混合气体以蒸气形式释放,可被点燃或引发爆炸。

电池储能系统危害

电池储能系统一般包括以下项:电池存放货柜、电池模块、电池管理系统、高压直流电系统、低压辅助电系统、监控系统(如设施供电、环境控制、空调、门禁、异常监控、通讯等)、消防系统、不断电系统等。电池储能系统应考虑的危害至少包括:
1.电气危害

存在设备的主体部件和导电部件之间;或存在人体与地、水或设备的导电部件之间,由于电能的意外释放导致的人员伤亡或财产损失,如电击。

2.机械危害

在相对尖锐的设备边缘和角落的人员活动,由于设备结构、部件运动与人体直接或间接的接触,产生的夹击、碰撞、剪切、卷入、绞入、碾压、刺伤、物体打击等形式的伤害。电池储能系统的机械伤害主要存在于设备安装、零部件更换、故障处理、设备维护和保养等作业活动中。常见的储能系统导致机械伤害的原因包括组件松动、爆炸或内爆、墙壁或天花板或机架安装装置故障、推车或架子不稳定或故障、机械振动引起的位移、起重或吊装事故导致。

3.火灾危害

电池储能系统使用或释放的物质,电池储能系统附近的物料或电池储能系统构造中使用的物料都可能引起火灾。例如存在批量锂离子电池的储能电站,锂离子电池容易发生电池内部短路从而导致自燃。一节电池是由正极和负极组成,电池内部通过隔膜做到正负极之间的绝缘,电解质起到锂离子的传导作用。如果隔膜损坏就会正负极短路,会持续放热,热量积聚会加剧分解电池内部的所有结构,放出更多的热,导致电池自燃,一节电池自燃又会热扩散给周边其他电池。而电解液本身是易燃溶剂,极易燃烧,这就是锂电池起火后会迅猛发展的原因,同时电池分解产生可燃气体和氧气,也会加剧燃烧。

4.爆炸危害

爆炸包括物理性爆炸,如沸腾液体膨胀蒸气爆炸(Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion, BLEVE);化学性爆炸,可能是由放热化学反应的失控或不稳定物质的分解引起的。储能系统可能的爆炸包括可燃气体意外释放点燃爆炸等。

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5.温度危害

吸入热烟会导致烧伤,暴露于热辐射下会灼伤皮肤,长时间在高温下工作会导致中暑。

6.电场、磁场和电磁场危害

电弧,充当点火源,在爆炸性环境中的危险区域可能点燃易燃材料;电磁辐射引起的健康伤害。

7.化学危害

与强酸或生物碱或其他腐蚀性物质接触会灼伤皮肤和更深的组织;通过皮肤吸入,吞咽或吸收有毒化学物质也有立即和长期的健康影响。化学危害由以下因素导致:

  1. 可能是由火灾引起的(例如,燃烧产物的毒性)

  2. 可能不是由火灾引起的(例如,在正常生产或操作维护过程中产生的废水)

  3. 在正常或异常条件下,透过将化学物质加热到超过分解温度而引起的。

8.其他不利工作环境

如噪音、振动、粉尘等不利环境条件下导致的职业伤害。