Kecelakaan Penyimpanan Energi yang Sering Terjadi Mendorong Meningkatnya Permintaan Keselamatan Kebakaran di ESS
Penyimpanan energi elektrokimia adalah perangkat terpadu kimia yang sangat boros energi. Jika terjadi penyalahgunaan baterai, seperti pengisian daya berlebih, pengosongan daya berlebih, arus berlebih, thermal runaway, dan korsleting internal, hal itu akan dengan mudah menyebabkan akumulasi panas di dalam baterai. Setelah titik kritis terlampaui, thermal runaway akan terjadi, dan thermal runaway akan menyebar dengan cepat, menyebar di antara modul baterai, kabinet baterai, dan bahkan kompartemen baterai penyimpanan energi. Gas yang mudah terbakar yang dilepaskan saat baterai terbakar akan semakin memperpanjang waktu pembakaran, meningkatkan kesulitan pemadaman, dan bahkan menyebabkan ledakan, yang pada akhirnya menyebabkan kerusakan ekonomi dan pribadi yang serius.
Proporsi Jenis Baterai dalam Kecelakaan Penyimpanan Energi (Unit: %)
Kecelakaan di pembangkit listrik penyimpanan energi sering terjadi, dan masalah keselamatan penyimpanan energi perlu ditangani dengan segera: Menurut statistik yang tidak lengkap dari Jaringan Energi Internasional, total 37 ledakan pembangkit listrik penyimpanan energi terjadi di seluruh dunia dari tahun 2011 hingga Januari 2022, yang 4 di antaranya terjadi di Tiongkok. Pada tanggal 16 April 2021, kecelakaan pembangkit listrik penyimpanan energi di Beijing Guoxuan Fuweis Solar Storage and Charging Technology Co., Ltd. menyebabkan satu orang meninggal, dua petugas pemadam kebakaran meninggal, satu petugas pemadam kebakaran terluka, dan kerugian properti langsung sebesar 16.61 juta yuan disebabkan; dari perspektif kecelakaan kendaraan energi baru, menurut data yang dirilis oleh Biro Pemadam Kebakaran dan Penyelamatan Kementerian Manajemen Darurat, pada kuartal pertama tahun 2022, total 640 kebakaran kendaraan energi baru dilaporkan di Tiongkok, meningkat 32% dibandingkan periode yang sama tahun lalu; dari perspektif jenis baterai kecelakaan, 82% kecelakaan penyimpanan energi disebabkan oleh baterai litium terner, terutama karena suhu dekomposisi bahan elektroda positif baterai litium terner hanya 200 °C, yang rentan terhadap pelarian termal dan dengan demikian kebakaran.
Peringatan Dini: Garis Pertahanan Pertama untuk Keselamatan ESS, Berkembang dengan Persyaratan Thermal Runaway yang Lebih Ketat
Peringatan dini: Persyaratan untuk thermal runaway semakin meningkat, yang mana menempatkan persyaratan yang lebih tinggi pada teknologi peringatan dini. Teknologi peringatan dini thermal runaway terutama mengintegrasikan mekanisme kegagalan keamanan baterai dengan teknologi kecerdasan buatan big data untuk membangun model peringatan dini keamanan untuk berbagai mode kegagalan. Yang umum digunakan termasuk korsleting internal baterai, pengendapan litium, ketidaknormalan kapasitas, dll. Perubahan abnormal pada baterai ini terwujud sebagai ketidaknormalan atau lintasan tegangan, suhu, arus, dan data lain yang tidak normal dalam data operasi baterai. Melalui analisis multidimensi tegangan, arus, suhu, dan data lain yang direkam oleh BMS selama operasi baterai, informasi kesalahan baterai dapat diidentifikasi, dan risiko keamanan baterai dapat dinilai untuk mencapai tujuan peringatan dini. Dengan peningkatan berkelanjutan persyaratan industri untuk thermal runaway, target thermal runaway telah ditingkatkan dari 5 menit menjadi 30 menit, 60 menit, dan bahkan lebih dari 24 jam tanpa api terbuka/tidak menyebar, yang menempatkan persyaratan yang lebih tinggi pada teknologi perlindungan dan penekanan thermal runaway dari sistem baterai daya.
Di masa mendatang, masih perlu untuk mengembangkan sensor yang lebih sensitif dan andal pada basis yang ada dan mengurangi biayanya, dan pada saat yang sama mengeksplorasi apakah ada metode peringatan dini yang lebih efektif untuk lebih meningkatkan keamanan dan keandalan sistem baterai lithium-ion. Misalnya, dalam sistem peringatan dini dengan suhu sebagai parameter karakteristik utama, termokopel atau sensor yang digunakan di masa lalu untuk mengukur suhu permukaan secara langsung memiliki kesalahan tertentu. Saat ini, para ahli dan sarjana telah mempertimbangkan untuk menggunakan deteksi inframerah atau sensor internal untuk meningkatkan keakuratan data suhu yang diukur. Di masa mendatang, metode pengukuran suhu yang lebih akurat dan sensor suhu internal yang tahan suhu tinggi dan presisi tinggi dapat digunakan untuk memantau suhu baterai. Akurasinya harus setidaknya lebih tinggi dari persyaratan tertinggi dari standar akurasi yang ada. Selain itu, sistem pemantauan baterai dapat dikombinasikan dengan teknologi prediksi suhu baterai untuk mendapatkan data suhu baterai yang lebih akurat.
Tantangan Pemadaman Kebakaran: Risiko Kebakaran Tinggi dan Sulitnya Pemadaman pada Sistem Penyimpanan Energi
Akhir pemadaman kebakaran:
"Thermal runaway" adalah akar penyebab bahaya keselamatan baterai lithium-ion: Mekanisme thermal runaway baterai lithium-ion mencakup tiga tahap. Tahap pertama: tahap awal thermal runaway baterai lithium. Karena faktor internal dan eksternal, suhu internal baterai naik dengan cepat hingga 90~100 ℃. Pada saat ini, lapisan pasivasi SEI pada permukaan elektroda negatif terurai dan melepaskan panas yang sangat besar, menyebabkan suhu internal baterai naik dengan cepat; ketika suhu mencapai 135 ℃ dan 166 ℃ masing-masing, diafragma PE dan PP mulai meleleh. Saat suhu naik lebih jauh, diafragma menyusut, dan elektroda positif dan negatif saling bersentuhan untuk menyebabkan korsleting, sehingga menyebabkan pelepasan panas baterai terus menerus. Tahap kedua: tahap baterai menggembung, pada suhu sekitar 250~350 ℃, lithium bereaksi dengan pelarut organik dalam elektrolit untuk menguapkan gas hidrokarbon yang mudah terbakar. Tahap ketiga: pelarian termal baterai, tahap kegagalan ledakan, pada tahap ini, bahan elektroda positif dalam kondisi pengisian terus mengalami reaksi dekomposisi oksidasi yang hebat dengan elektrolit, menghasilkan suhu tinggi dan sejumlah besar gas beracun, yang menyebabkan baterai terbakar hebat atau bahkan meledak.
Sistem penyimpanan energi baterai lithium-ion sebagian besar diwakili oleh unit penyimpanan tipe kontainer prefabrikasi. Sistem ini biasanya terdiri dari puluhan sel baterai yang dihubungkan secara seri dan paralel untuk membentuk modul baterai. Modul-modul ini kemudian dihubungkan secara seri untuk membuat rangkaian baterai, yang selanjutnya diintegrasikan secara paralel ke dalam satu kabinet baterai penyimpanan energi.
Kebakaran yang melibatkan sistem penyimpanan energi baterai lithium-ion menunjukkan beberapa karakteristik berbeda:
- Pembakaran yang intens dan perambatan termal yang cepat
- Tingkat toksisitas tinggi, asap tebal, dan potensi bahaya yang signifikan
- Risiko tinggi terjadinya kebakaran kembali dan kesulitan besar dalam pemadaman
Akibatnya, masalah keselamatan yang terkait dengan sistem penyimpanan energi berbasis litium-ion telah mendapat perhatian yang meningkat dalam beberapa tahun terakhir.
Tantangan Pemadaman Kebakaran: Kurangnya Agen Pemadam Kebakaran yang Tepat Sasaran
Kurangnya Agen Pemadam Kebakaran yang Ditargetkan untuk Sistem Penyimpanan Energi:
Mengingat tingginya risiko kebakaran dan sulitnya pemadaman yang terkait dengan sistem penyimpanan energi, agen pemadam kebakaran saat ini sering kali terbukti tidak efektif untuk kebakaran baterai lithium-ion. Misalnya, pemadam bubuk kering tidak memiliki efek apa pun dalam memadamkan kebakaran tersebut. Agen seperti Halon 1301, CO₂, dan FM-200 (heptafluoropropana) hanya mampu memadamkan api terbuka tetapi tidak dapat secara mendasar menghambat timbulnya thermal runaway atau mencegah penyalaan kembali. Agen-agen ini tidak memiliki kemampuan pendinginan dan pemadaman api yang efektif, sehingga tidak cocok untuk kebakaran baterai lithium.
Sistem penyiram air, meskipun secara teknis sudah matang, hemat biaya, dan ramah lingkungan, memang menawarkan pendinginan dan penanggulangan kebakaran yang efektif. Akan tetapi, air sebagai media pemadam memiliki kekurangan yang signifikan: memerlukan volume yang besar, durasi pemadaman kebakaran yang lama, dan berisiko tinggi menyebabkan korsleting dan kerusakan permanen pada baterai, sehingga stasiun penyimpanan energi tidak dapat beroperasi setelah kebakaran.
Agen pemadam kebakaran berbasis air relatif efektif dalam mendinginkan dan memadamkan api: Secara umum, agen pemadam kebakaran padat hampir tidak efektif dalam memadamkan api dalam sistem penyimpanan energi baterai lithium-ion; agen pemadam kebakaran gas memiliki efisiensi pemadaman api yang buruk dan efek pendinginan yang terbatas; agen pemadam kebakaran berbasis air tidak hanya ramah lingkungan dan murah, tetapi juga memiliki efek pendinginan dan pemadaman api yang signifikan. Oleh karena itu, proteksi pemadaman api dilakukan untuk bahaya kebakaran baterai lithium, terutama sistem baterai lithium penyimpanan energi skala besar, dan agen pemadam kebakaran anti-penyalaan kembali yang baru dan efisiensi tinggi serta sistem dan perangkat pelepasan agen pemadam kebakaran dirancang dan dikembangkan, yang kondusif untuk aplikasi komersial skala besar dari sistem penyimpanan energi baterai lithium-ion.
Dibandingkan dengan Baterai EV, Kebakaran Sistem Penyimpanan Energi Menimbulkan Bahaya yang Lebih Besar
Dengan mempertimbangkan perbedaan antara skala dan persyaratan kinerja baterai penyimpanan daya dan baterai tenaga kendaraan listrik, kami terutama menganalisis dari aspek-aspek berikut:
Skala sistem baterai: Baik sistem penyimpanan energi lithium-ion dan kendaraan listrik 48v 60v 72v 96v baterai lithium-ion sebagai unit dasar, dan komponennya dapat dibagi menjadi empat tingkatan: sel baterai, modul, paket baterai, dan sistem. Namun, jumlah sel baterai dalam sistem penyimpanan energi jauh melebihi sistem baterai kendaraan listrik, dan energi keseluruhan perangkat penyimpanan energi 1 hingga 2 kali lipat lebih tinggi daripada sistem baterai kendaraan listrik, sehingga tingkat dan dampak kecelakaan kebakaran menjadi lebih serius.
Mekanisme kecelakaan kebakaran: Baik kebakaran pada sistem penyimpanan energi maupun kebakaran pada baterai kendaraan listrik disebabkan oleh penyalahgunaan baterai, yang menyebabkan thermal runaway pada satu baterai, sehingga menyebabkan kecelakaan kebakaran berskala besar. Akan tetapi, karakteristik penyebaran api dari keduanya tidak sama persis. Pada kebakaran kendaraan listrik, suhu sel baterai yang mengalami thermal runaway meningkat, menyebabkan kebakaran pada sel baterai atau modul yang berdekatan; sementara sistem penyimpanan energi biasanya tersusun atas lebih dari selusin atau bahkan puluhan modul, dan pelarian termal dari satu baterai biasanya menyebabkan kebakaran menyebar di antara modul.
Tindakan pencegahan dan pengendalian kebakaran: Pencegahan dan pengendalian kebakaran pada sistem penyimpanan energi baterai LiFePO4 biasanya memerlukan pertimbangan desain keselamatan modul, sistem manajemen baterai, sistem peringatan kebakaran, dan sistem pemadam kebakaran. Namun, karena keterbatasan volume kompartemen baterai, pencegahan dan pengendalian kebakaran pada sistem baterai kendaraan listrik biasanya hanya melibatkan dua tingkat pertama. Untuk sistem penyimpanan energi, karena pelarian termal baterai lithium-ion meletus secara berantai dan api menyebar dengan cepat, ketepatan waktu sistem peringatan dan efektivitas sistem pemadam kebakaran sangat penting.
Standar evaluasi keselamatan: Untuk evaluasi keselamatan baterai kendaraan listrik, silakan lihat UL2580-2013 “Standar Spesifikasi Keselamatan Baterai Kendaraan Listrik” dan GB/T 31485-2015 “Persyaratan Keselamatan dan Metode Uji untuk Baterai Kendaraan Listrik” serta standar dan spesifikasi lainnya. Saat ini, belum ada standar evaluasi kuantitatif untuk keselamatan baterai penyimpanan energi. Dalam aplikasi praktis, sebagian besar standar uji yang relevan untuk baterai lithium-ion untuk kendaraan listrik dikutip. Cara mengukur sistem evaluasi keselamatan sistem penyimpanan energi memerlukan penelitian mendalam.
Dengan mempertimbangkan peningkatan aktual dalam permintaan untuk sistem peringatan dini dan pemadam kebakaran pada sistem penyimpanan energi dan perbedaan serta perbandingannya dengan baterai tenaga kendaraan listrik, kami percaya bahwa dengan pesatnya perkembangan industri penyimpanan energi, permintaan untuk pemadam kebakaran dengan penyimpanan energi dapat meningkat secara signifikan, yang akan menjadi peluang bagus bagi perkembangan industri tersebut.
Peningkatan Keamanan Kebakaran Penyimpanan Energi yang Didukung Kebijakan: Jalur Pertumbuhan Jangka Panjang
Kebijakan tersebut menekankan keselamatan proteksi kebakaran penyimpanan energi, yang bermanfaat bagi pengembangan industri: “Peraturan Keselamatan Pembangkit Listrik Penyimpanan Energi Elektrokimia (Draf untuk Komentar)” yang dikeluarkan pada September 2021 mengharuskan proteksi kebakaran penyimpanan energi untuk diintegrasikan ke dalam sistem pengawasan video dan menyiapkan solusi sistematis, yang lebih halus dan berteknologi, dan menetapkan persyaratan keselamatan untuk persyaratan teknis keselamatan peralatan pembangkit listrik penyimpanan energi, operasi, pemeliharaan, perbaikan, pengujian, dll. “Rencana Lima Tahun ke-14 untuk Pekerjaan Proteksi Kebakaran Nasional” yang dikeluarkan pada Februari 2022 mengusulkan untuk memperkuat desain proteksi kebakaran dan manajemen sumber di sekitar fasilitas penyimpanan energi baru. Berbagai kebijakan mengajukan persyaratan terperinci untuk pembangunan dan pengelolaan pembangkit listrik penyimpanan energi; memandu pembangunan fasilitas proteksi kebakaran penyimpanan energi pendukung untuk meningkatkan keselamatan operasi pembangkit listrik penyimpanan energi; mengajukan target kapasitas terpasang dan pengurangan biaya serta tujuan peningkatan efisiensi tahun 2025, dan kebijakan memandu pengembangan pasar penyimpanan energi.
Dengan penerapan sejumlah kebijakan dan standar terkait keselamatan kebakaran penyimpanan energi, dapat diperkirakan bahwa skala kapasitas terpasang penyimpanan energi akan meningkat pesat. Pentingnya proteksi kebakaran penyimpanan energi akan terus disoroti di bawah standar baru. Proporsi investasi proteksi kebakaran penyimpanan energi diperkirakan akan terus meningkat, dan industri proteksi kebakaran penyimpanan energi dapat memasuki masa sulit.
Berbagai Aplikasi Hilir Penyimpanan Energi Keamanan Kebakaran Siap untuk Perluasan Cepat
Skenario aplikasi hilir beragam, dan produk proteksi kebakaran penyimpanan energi diharapkan meningkat volumenya selama periode Rencana Lima Tahun ke-14: bahan baku hulu dari rantai industri produk proteksi kebakaran penyimpanan energi terutama meliputi komponen struktural, komponen elektronik, rangka, dan agen pemadam kebakaran; selain pembangkit listrik penyimpanan energi, skenario aplikasi hilir produk proteksi kebakaran penyimpanan energi juga meliputi kendaraan energi baru, sepeda listrik, dan penyimpanan energi rumah tangga. Seiring dengan meluasnya skala penyimpanan energi di industri hilir, standar keselamatan kebakaran akan menjadi lebih ketat, dan permintaan akan produk proteksi kebakaran penyimpanan energi akan memiliki prospek yang luas.
Kami perkirakan pada tahun 2025, pasar proteksi kebakaran penyimpanan energi domestik diperkirakan mencapai 6.514 miliar yuan, dengan CAGR sebesar 113% dari tahun 2021 hingga 2025; jalur proteksi kebakaran penyimpanan energi di masa depan panjang dan curam, dan diperkirakan akan mencapai pertumbuhan yang cepat. Asumsi utamanya adalah sebagai berikut:
Kapasitas terpasang baru penyimpanan energi elektrokimia di Tiongkok: Menurut Buku Putih Riset Industri Penyimpanan Energi 2023, kapasitas terpasang baru penyimpanan energi elektrokimia di Tiongkok pada tahun 2024 adalah 1559.6MW. Kami berasumsi bahwa kapasitas terpasang kumulatif penyimpanan energi elektrokimia akan tumbuh pada tingkat pertumbuhan tahunan gabungan sebesar 64% dari tahun 2021 hingga 2025; Berdasarkan rasio penyimpanan energi provinsi-provinsi utama di Tiongkok sebagaimana dihitung oleh GGII, kami berasumsi bahwa waktu penyimpanan adalah 2 jam;
Rasio investasi proteksi kebakaran: Menurut pengumuman Perusahaan Pemadam Kebakaran Qingniao, proporsi pengeluaran proteksi kebakaran di Tiongkok saat ini sekitar 2%, yang lebih tinggi di luar negeri; Kami berharap bahwa dengan dirilisnya “Peraturan Keselamatan Pembangkit Listrik Penyimpanan Energi Elektrokimia”, proporsi investasi proteksi kebakaran diharapkan akan terus meningkat, dengan asumsi bahwa proporsi investasi proteksi kebakaran akan mencapai 7% pada tahun 2025;
Harga rata-rata penawaran penyimpanan energi: Menurut data Jaringan Energi Baru Jibang, harga penawaran rata-rata keseluruhan proyek penyimpanan energi pada tahun 2024 mencapai 1.476 RMB/Wh, dan Administrasi Energi Nasional dan lainnya menekankan bahwa pembangkit listrik penyimpanan energi harus mengoptimalkan biaya selama pengembangan. Kami berasumsi bahwa biaya proyek penyimpanan energi akan turun sebesar 5% setiap tahun.
