Los frecuentes accidentes en sistemas de almacenamiento de energía impulsan la creciente demanda de seguridad contra incendios en ESS
El almacenamiento de energía electroquímica es un dispositivo químico integrado que consume mucha energía. Si se produce un mal uso de la batería, como sobrecarga, sobredescarga, sobrecorriente, fuga térmica o cortocircuito interno, se acumulará fácilmente calor en su interior. Una vez superado el punto crítico, se producirá una fuga térmica que se propagará rápidamente entre los módulos de la batería, los armarios de baterías e incluso los compartimentos de las baterías de almacenamiento de energía. Los gases inflamables liberados al quemarse la batería prolongarán aún más el tiempo de combustión, dificultarán la extinción e incluso provocarán una explosión, lo que a la larga provocará graves daños económicos y personales.
Proporciones de tipos de baterías en accidentes de almacenamiento de energía (Unidad: %)
Los accidentes en las centrales eléctricas de almacenamiento de energía ocurren con frecuencia, y los problemas de seguridad del almacenamiento de energía deben abordarse con urgencia: según estadísticas incompletas de la Red Internacional de Energía, se produjeron un total de 37 explosiones de centrales eléctricas de almacenamiento de energía en todo el mundo entre 2011 y enero de 2022, de las cuales 4 ocurrieron en China. El 16 de abril de 2021, un accidente en una central eléctrica de almacenamiento de energía en Beijing Guoxuan Fuweis Solar Storage and Charging Technology Co., Ltd. causó una muerte, dos bomberos murieron, un bombero resultó herido y se causaron pérdidas materiales directas de 16.61 millones de yuanes; desde la perspectiva de los accidentes de vehículos de nueva energía, según los datos publicados por la Oficina de Bomberos y Rescate del Ministerio de Gestión de Emergencias, en el primer trimestre de 2022, se reportaron un total de 640 incendios de vehículos de nueva energía en China, un aumento del 32% con respecto al mismo período del año anterior; Desde la perspectiva del tipo de batería accidentada, el 82% de los accidentes de almacenamiento de energía fueron causados por baterías ternarias de litio, principalmente porque la temperatura de descomposición del material del electrodo positivo de la batería ternaria de litio es solo de 200 °C, lo que es propenso a una fuga térmica y, por lo tanto, a incendios.
Alerta temprana: la primera línea de defensa para la seguridad de ESS, que evoluciona con requisitos más estrictos de fuga térmica
Alerta temprana: Los requisitos para la fuga térmica son cada vez mayores, lo que impone mayores exigencias a la tecnología de alerta temprana. Esta tecnología integra principalmente mecanismos de seguridad contra fallos de baterías con tecnología de inteligencia artificial de big data para establecer modelos de alerta temprana de seguridad para diversos modos de fallo. Los más comunes incluyen cortocircuitos internos, deposición de litio y anomalías de capacidad. Estos cambios anormales en la batería se manifiestan como anomalías o trayectorias anormales de voltaje, temperatura, corriente y otros datos en su funcionamiento. Mediante el análisis multidimensional de voltaje, corriente, temperatura y otros datos registrados por el BMS durante el funcionamiento de la batería, se puede identificar la información de falla y evaluar el riesgo para la seguridad de la batería, logrando así el objetivo de la alerta temprana. Con la mejora continua de los requisitos de la industria para la fuga térmica, el objetivo de fuga térmica se ha incrementado de los 5 minutos originales a 30, 60 e incluso más de 24 horas sin propagación de incendios, lo que impone mayores exigencias a la tecnología de protección y supresión de fugas térmicas en los sistemas de baterías de potencia.
En el futuro, aún es necesario desarrollar sensores más sensibles y confiables sobre la base existente y reducir sus costos, y al mismo tiempo explorar si existen métodos de alerta temprana más efectivos para mejorar aún más la seguridad y confiabilidad de los sistemas de baterías de iones de litio. Por ejemplo, en el sistema de alerta temprana con la temperatura como el parámetro característico principal, los termopares o sensores utilizados en el pasado para medir directamente la temperatura de la superficie tienen ciertos errores. En la actualidad, expertos y académicos han considerado el uso de detección infrarroja o sensores integrados para mejorar la precisión de los datos de temperatura medidos. En el futuro, se pueden utilizar métodos de medición de temperatura más precisos y sensores de temperatura integrados resistentes a altas temperaturas y de alta precisión para monitorear la temperatura de la batería. La precisión debe ser al menos superior a los requisitos más altos de los estándares de precisión existentes. Además, el sistema de monitoreo de baterías se puede combinar con la tecnología de predicción de temperatura de la batería para obtener datos de temperatura de la batería más precisos.
Desafíos de la supresión de incendios: Alto riesgo de incendio y difícil extinción en sistemas de almacenamiento de energía
Fin de extinción de incendios:
El descontrol térmico es la causa principal de los riesgos de seguridad de las baterías de iones de litio: El mecanismo de descontrol térmico de las baterías de iones de litio consta de tres etapas. La primera etapa es la etapa inicial del descontrol térmico de las baterías de litio. Debido a factores internos y externos, la temperatura interna de la batería aumenta rápidamente hasta los 90-100 °C. En este momento, la capa de pasivación SEI de la superficie del electrodo negativo se descompone y libera una gran cantidad de calor, lo que provoca un rápido aumento de la temperatura interna de la batería. Cuando la temperatura alcanza los 135 °C y los 166 °C respectivamente, los diafragmas de PE y PP comienzan a fundirse. A medida que la temperatura aumenta aún más, el diafragma se contrae y los electrodos positivo y negativo entran en contacto, provocando un cortocircuito, lo que provoca una liberación continua de calor de la batería. Segunda etapa: la etapa de abombamiento de la batería. A una temperatura de aproximadamente 250 a 350 °C, el litio reacciona con el disolvente orgánico del electrolito para volatilizar hidrocarburos inflamables. Tercera etapa: la etapa de fallo por explosión y descontrol térmico de la batería. En esta etapa, el material del electrodo positivo, durante la carga, continúa experimentando una violenta reacción de oxidación y descomposición con el electrolito, lo que genera alta temperatura y una gran cantidad de gases tóxicos, lo que provoca la combustión violenta de la batería o incluso la explosión.
Sistemas de almacenamiento de energía con baterías de iones de litio Se representan principalmente por unidades de almacenamiento prefabricadas tipo contenedor. Estos sistemas suelen estar compuestos por docenas de celdas de batería conectadas en serie y en paralelo para formar módulos de batería. Estos módulos se conectan posteriormente en serie para crear cadenas de baterías, que a su vez se integran en paralelo en un único armario de baterías de almacenamiento de energía.
Los incendios que involucran sistemas de almacenamiento de energía con baterías de iones de litio presentan varias características distintivas:
- Combustión intensa y rápida propagación térmica
- Alta toxicidad, humo denso y potencial de riesgo significativo.
- Alto riesgo de reignición y considerable dificultad de extinción.
Como resultado, las preocupaciones de seguridad asociadas con los sistemas de almacenamiento de energía basados en iones de litio han ganado cada vez más atención en los últimos años.
Desafíos de la supresión de incendios: Falta de agentes extintores específicos
Falta de agentes de extinción de incendios específicos para sistemas de almacenamiento de energía:
Dado el alto riesgo de incendio y la dificultad de extinción asociados a los sistemas de almacenamiento de energía, los agentes extintores actuales suelen resultar ineficaces para los incendios de baterías de iones de litio. Por ejemplo, los extintores de polvo seco tienen poco o ningún efecto en la extinción de estos incendios. Agentes como el halón 1301, el CO₂ y el FM-200 (heptafluoropropano) solo son capaces de extinguir llamas abiertas, pero no pueden inhibir de forma fundamental la aparición de fugas térmicas ni prevenir la reignición. Estos agentes carecen de capacidad de enfriamiento y de extinción eficaz, lo que los hace inadecuados para incendios de baterías de litio.
Los sistemas de rociadores de agua, si bien son técnicamente avanzados, rentables y respetuosos con el medio ambiente, ofrecen una refrigeración y extinción de incendios eficaces. Sin embargo, el agua como medio de extinción presenta importantes inconvenientes: requiere grandes volúmenes, prolonga la duración de la extinción y presenta un alto riesgo de provocar cortocircuitos y daños irreversibles en las baterías, inutilizando la central de almacenamiento de energía tras el incendio.
Los agentes extintores a base de agua son relativamente eficaces para enfriar y extinguir incendios: en general, los agentes extintores sólidos son prácticamente ineficaces para combatir incendios en sistemas de almacenamiento de energía con baterías de iones de litio; los agentes extintores a base de gas tienen una baja eficiencia de extinción y un efecto de enfriamiento limitado; los agentes extintores a base de agua no solo son ecológicos y económicos, sino que también tienen un importante efecto de enfriamiento y extinción. Por lo tanto, se implementan medidas de protección contra incendios para los riesgos de incendio de las baterías de litio, especialmente en sistemas de baterías de litio de almacenamiento de energía a gran escala, y se diseñan y desarrollan nuevos agentes extintores de alta eficiencia y antireignición, así como sistemas y dispositivos de liberación de agentes extintores, lo que favorece... Aplicación comercial a gran escala de sistemas de almacenamiento de energía con baterías de iones de litio.
En comparación con las baterías de energía de los vehículos eléctricos, los incendios en los sistemas de almacenamiento de energía plantean mayores riesgos
Considerando las diferencias entre los requisitos de escala y rendimiento de las baterías de almacenamiento de energía y las baterías de energía de vehículos eléctricos, analizamos principalmente los siguientes aspectos:
Escala del sistema de baterías: Tanto los sistemas de almacenamiento de energía de iones de litio como Baterías de iones de litio para vehículos eléctricos de 48 V, 60 V, 72 V y 96 V Como unidades básicas, sus componentes se dividen en cuatro niveles: celdas de batería, módulos, paquetes de baterías y sistemas. Sin embargo, el número de celdas de batería en los sistemas de almacenamiento de energía supera con creces al de los sistemas de baterías de vehículos eléctricos, y la energía total de los dispositivos de almacenamiento de energía es de uno a dos órdenes de magnitud mayor que la de los sistemas de baterías de vehículos eléctricos, lo que agrava la magnitud y el impacto de los incendios.
Mecanismo de los incendios: Tanto los incendios en sistemas de almacenamiento de energía como los de baterías de vehículos eléctricos se deben al mal uso de las baterías, lo que provoca una fuga térmica en una sola de ellas, lo que provoca incendios a gran escala. Sin embargo, la propagación del fuego no es exactamente la misma en ambos casos. En los incendios de vehículos eléctricos, la temperatura de una celda de batería con fuga térmica aumenta, lo que provoca incendios en celdas o módulos de batería adyacentes; Si bien los sistemas de almacenamiento de energía suelen estar compuestos por más de una docena o incluso decenas de módulos, el descontrol térmico de una sola batería suele provocar que los incendios se propaguen entre los módulos.
Medidas de prevención y control de incendios: La prevención y el control de incendios en sistemas de almacenamiento de energía con baterías de Lifepo4 suelen requerir la consideración del diseño de seguridad del módulo, el sistema de gestión de baterías, el sistema de alerta de incendios y el sistema de extinción de incendios. Sin embargo, debido a la limitación de volumen del compartimento de la batería, la prevención y el control de incendios en sistemas de baterías de vehículos eléctricos suele abarcar únicamente los dos primeros niveles. En el caso de los sistemas de almacenamiento de energía, dado que el desbordamiento térmico de las baterías de iones de litio se produce en cadena y el fuego se propaga rápidamente, la rapidez del sistema de alerta y la eficacia del sistema de extinción de incendios son cruciales.
Normas de evaluación de seguridad: Para la evaluación de seguridad de las baterías de vehículos eléctricos, consulte la norma UL2580-2013 “Norma de especificación de seguridad para baterías de vehículos eléctricos” y la norma GB/T 31485-2015 “Requisitos de seguridad y métodos de prueba para baterías de energía para vehículos eléctricos”, entre otras normas y especificaciones. Actualmente, no existe una norma de evaluación cuantitativa para la seguridad de las baterías de almacenamiento de energía. En la práctica, se citan la mayoría de las normas de prueba relevantes para baterías de iones de litio para vehículos eléctricos. La cuantificación del sistema de evaluación de seguridad de los sistemas de almacenamiento de energía requiere una investigación exhaustiva.
Teniendo en cuenta el aumento real de la demanda de los extremos de alerta temprana y extinción de incendios de los sistemas de almacenamiento de energía y las diferencias y comparaciones con las baterías de energía de los vehículos eléctricos, creemos que con el auge del desarrollo de la industria de almacenamiento de energía, la demanda de extinción de incendios de almacenamiento de energía puede aumentar significativamente, marcando el comienzo de una buena oportunidad para el desarrollo de la industria.
Auge de la seguridad contra incendios en el almacenamiento de energía, respaldado por políticas: una trayectoria de crecimiento a largo plazo
La política enfatiza la seguridad de la protección contra incendios en las centrales de almacenamiento de energía, lo cual beneficia el desarrollo de la industria. El "Reglamento de Seguridad de las Centrales de Almacenamiento de Energía Electroquímica (Borrador para Comentarios)", publicado en septiembre de 2021, exige que la protección contra incendios se integre en el sistema de videovigilancia y establezca soluciones sistemáticas, más refinadas y tecnológicas, y estipula los requisitos de seguridad para los equipos de las centrales de almacenamiento de energía: requisitos técnicos, operación, mantenimiento, revisión, pruebas, etc. El "XIV Plan Quinquenal para el Trabajo Nacional de Protección contra Incendios", publicado en febrero de 14, propuso fortalecer el diseño de la protección contra incendios y la gestión de fuentes en torno a las nuevas instalaciones de almacenamiento de energía. Diversas políticas establecen requisitos detallados para la construcción y gestión de centrales de almacenamiento de energía; guían la construcción de instalaciones de apoyo para la protección contra incendios en las centrales de almacenamiento de energía con el fin de mejorar la seguridad de sus operaciones; presentan el objetivo de capacidad instalada para 2022 y los objetivos de reducción de costos y mejora de la eficiencia, y orientan el desarrollo del mercado de almacenamiento de energía.
Con la implementación de diversas políticas y normas relacionadas con la seguridad contra incendios en el almacenamiento de energía, se prevé un rápido aumento de la capacidad instalada de almacenamiento. Las nuevas normas seguirán destacando la importancia de la protección contra incendios en el almacenamiento de energía. Se espera que la proporción de inversión en protección contra incendios en el almacenamiento de energía siga aumentando, y el sector podría experimentar una larga racha de crecimiento.
Diversas aplicaciones posteriores de seguridad contra incendios en el almacenamiento de energía están preparadas para una rápida expansión
Los escenarios de aplicación posteriores son diversos, y se prevé un aumento en el volumen de productos de protección contra incendios para almacenamiento de energía durante el XIV Plan Quinquenal. Las materias primas de la cadena industrial de productos de protección contra incendios para almacenamiento de energía incluyen principalmente piezas estructurales, componentes electrónicos, chasis y agentes extintores. Además de las centrales eléctricas de almacenamiento de energía, los escenarios de aplicación posteriores de estos productos también incluyen vehículos de nuevas energías, bicicletas eléctricas y sistemas de almacenamiento de energía para uso doméstico. A medida que se expande la escala del almacenamiento de energía en la industria posterior, las normas de seguridad contra incendios se volverán más estrictas, y la demanda de productos de protección contra incendios para almacenamiento de energía tendrá amplias perspectivas.
Se prevé que para 2025, el mercado nacional de protección contra incendios mediante almacenamiento de energía alcance los 6.514 millones de yuanes, con una tasa de crecimiento anual compuesta (TCAC) del 113 % entre 2021 y 2025. El futuro de la protección contra incendios mediante almacenamiento de energía es largo y complejo, y se prevé un rápido crecimiento. Las principales premisas son las siguientes:
Nueva capacidad instalada de almacenamiento de energía electroquímica en China: Según el Libro Blanco de Investigación de la Industria de Almacenamiento de Energía de 2023, la nueva capacidad instalada de almacenamiento de energía electroquímica en China en 2024 ascendió a 1559.6 MW. Se supone que la capacidad instalada acumulada de almacenamiento de energía electroquímica crecerá a una tasa anual compuesta del 64 % entre 2021 y 2025. Con base en la tasa de almacenamiento de energía de las principales provincias de China, calculada por GGII, se supone que el tiempo de almacenamiento es de 2 horas.
Ratio de inversión en protección contra incendios: Según el anuncio de Qingniao Fire Company, la proporción actual del gasto en protección contra incendios en China es de alrededor del 2%, que es mayor en el extranjero; Esperamos que con la publicación de las "Regulaciones de seguridad de las centrales eléctricas de almacenamiento de energía electroquímica", se espera que la proporción de inversión en protección contra incendios continúe aumentando, suponiendo que la proporción de inversión en protección contra incendios alcance el 7% en 2025;
Precio promedio de las licitaciones de almacenamiento de energía: Según datos de Jibang New Energy Network, el precio promedio general de las licitaciones de proyectos típicos de almacenamiento de energía en 2024 alcanzó los 1.476 RMB/Wh. La Administración Nacional de Energía, entre otros, destacó la importancia de optimizar los costos de las centrales eléctricas de almacenamiento de energía durante su desarrollo. Se prevé que el costo de los proyectos de almacenamiento de energía disminuya un 5 % anual.
