잦은 에너지 저장 사고로 ESS 화재 안전 수요 증가
전기화학 에너지 저장 장치는 매우 많은 에너지를 소모하는 화학 집적 장치입니다. 과충전, 과방전, 과전류, 열 폭주, 내부 단락 등 배터리 오작동이 발생하면 배터리 내부에 열이 축적되기 쉽습니다. 임계점을 초과하면 열 폭주가 발생하고, 열 폭주는 배터리 모듈, 배터리 캐비닛, 심지어 에너지 저장용 배터리 칸막이까지 빠르게 확산됩니다. 배터리 연소 시 발생하는 가연성 가스는 연소 시간을 더욱 연장시키고, 소화를 어렵게 만들며, 심지어 폭발을 유발하여 궁극적으로 심각한 경제적, 인적 피해를 초래할 수 있습니다.
에너지 저장 사고에서 배터리 유형 비중(단위: %)
에너지 저장 발전소에서 사고가 자주 발생하고 에너지 저장 안전 문제를 시급히 해결해야 합니다.국제 에너지 네트워크의 불완전한 통계에 따르면 37년부터 2011년 2022월까지 전 세계적으로 총 4건의 에너지 저장 발전소 폭발 사고가 발생했으며 그 중 16건이 중국에서 발생했습니다.2021년 16.61월 2022일, 베이징 궈쉬안 푸웨이스 태양광 저장 및 충전 기술 유한회사에서 발생한 에너지 저장 발전소 사고로 640명이 사망하고, 소방관 32명이 사망하고, 소방관 82명이 부상을 입었으며, 직접 재산 손실은 200만 위안이 발생했습니다.신에너지차 사고의 관점에서 비상관리부 소방구조국이 발표한 데이터에 따르면 XNUMX년 XNUMX분기에 중국에서 총 XNUMX건의 신에너지차 화재가 보고되었으며, 작년 같은 기간보다 XNUMX% 증가했습니다. 사고 배터리 유형 관점에서 볼 때, 에너지 저장 사고의 XNUMX%가 XNUMX원계 리튬 배터리로 인해 발생했으며, 그 이유는 주로 XNUMX원계 리튬 배터리의 양극재 분해 온도가 XNUMX°C에 불과하여 열 폭주로 인해 화재가 발생하기 쉽기 때문입니다.
조기 경보: 더욱 엄격해진 열 폭주 요건에 맞춰 진화하는 ESS 안전을 위한 최전선 방어선
조기 경보: 열 폭주에 대한 요구 사항이 증가하고 있으며, 이는 조기 경보 기술에 대한 요구 사항을 더욱 강화합니다. 열 폭주 조기 경보 기술은 주로 배터리 안전 고장 메커니즘과 빅데이터 인공지능 기술을 통합하여 다양한 고장 모드에 대한 안전 조기 경보 모델을 구축합니다. 일반적으로 사용되는 고장 유형으로는 배터리 내부 단락, 리튬 침전, 용량 이상 등이 있습니다. 이러한 배터리의 비정상적인 변화는 배터리 작동 데이터의 전압, 온도, 전류 및 기타 데이터의 이상 또는 이상 궤적으로 나타납니다. 배터리 작동 중 BMS에 기록된 전압, 전류, 온도 및 기타 데이터의 다차원 분석을 통해 배터리의 고장 정보를 식별하고 배터리 안전 위험을 판단하여 조기 경보의 목적을 달성할 수 있습니다. 업계의 열 폭주 요구 사항이 지속적으로 향상됨에 따라, 열 폭주 목표 시간이 기존 5분에서 30분, 60분, 심지어 24시간 이상으로 확대되어, 전력 배터리 시스템의 열 폭주 보호 및 억제 기술에 대한 요구 사항이 더욱 높아졌습니다.
미래에는 기존 센서를 기반으로 더욱 민감하고 신뢰할 수 있는 센서를 개발하고 비용을 절감하는 동시에 리튬 이온 배터리 시스템의 안전성과 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있는 더욱 효과적인 조기 경보 방법이 있는지 모색해야 합니다. 예를 들어, 온도를 주요 특성 매개변수로 하는 조기 경보 시스템에서, 과거에 표면 온도를 직접 측정하는 데 사용되었던 열전대나 센서는 일정한 오차를 가지고 있습니다. 현재 전문가와 학자들은 측정된 온도 데이터의 정확도를 높이기 위해 적외선 감지 또는 내장 센서를 사용하는 것을 고려하고 있습니다. 앞으로는 더욱 정확한 온도 측정 방법과 고온 내성 및 고정밀 내장 온도 센서를 사용하여 배터리 온도를 모니터링할 수 있습니다. 정확도는 최소한 기존 정확도 기준의 최고 요구 사항보다 높아야 합니다. 또한, 배터리 모니터링 시스템은 배터리 온도 예측 기술과 결합하여 더욱 정확한 배터리 온도 데이터를 얻을 수 있습니다.
화재 진압 과제: 에너지 저장 시스템의 높은 화재 위험 및 어려운 소화
소화 종료:
"열 폭주"는 리튬 이온 배터리 안전 위험의 근본 원인입니다. 리튬 이온 배터리의 열 폭주 메커니즘은 세 단계로 구성됩니다. 첫 번째 단계: 리튬 배터리의 열 폭주 초기 단계. 내외부 요인으로 인해 배터리 내부 온도가 90~100℃로 급격히 상승합니다. 이때 음극 표면의 SEI 부동태층이 분해되어 막대한 열을 방출하여 배터리 내부 온도가 급격히 상승합니다. 온도가 각각 135℃와 166℃에 도달하면 PE 및 PP 격막이 녹기 시작합니다. 온도가 더 상승함에 따라 격막이 수축하고 양극과 음극이 서로 접촉하여 단락이 발생하여 배터리의 지속적인 열 방출이 발생합니다. 두 번째 단계: 배터리 팽창 단계. 약 250~350℃의 온도에서 리튬은 전해액의 유기 용매와 반응하여 가연성 탄화수소 가스를 휘발시킵니다. XNUMX단계: 배터리 열 폭주, 폭발 실패 단계. 이 단계에서는 충전 상태의 양극재가 전해액과 격렬한 산화 분해 반응을 계속 일으켜 고온과 대량의 유독 가스를 발생시켜 배터리가 격렬하게 연소하거나 심지어 폭발하게 됩니다.
리튬 이온 배터리 에너지 저장 시스템 주로 조립식 컨테이너형 저장 장치로 대표됩니다. 이러한 시스템은 일반적으로 수십 개의 배터리 셀을 직렬 및 병렬로 연결하여 배터리 모듈을 형성합니다. 이 모듈들은 다시 직렬로 연결되어 배터리 스트링을 형성하고, 이 스트링들은 병렬로 통합되어 단일 에너지 저장 배터리 캐비닛을 구성합니다.
리튬 이온 배터리 에너지 저장 시스템에 관련된 화재는 다음과 같은 몇 가지 뚜렷한 특징을 보입니다.
- 강렬한 연소와 빠른 열 전파
- 독성이 강하고 연기가 짙으며 위험 가능성이 매우 높습니다.
- 재점화 위험이 높고 소화가 상당히 어려움
그 결과, 리튬 이온 기반 에너지 저장 시스템과 관련된 안전 문제가 최근 몇 년 동안 점점 더 많은 주목을 받고 있습니다.
화재 진압 과제: 표적 소화제 부족
에너지 저장 시스템을 위한 표적형 화재 진압제 부족:
에너지 저장 시스템과 관련된 높은 화재 위험과 소화의 어려움을 고려할 때, 현재의 소화약제는 리튬 이온 배터리 화재에 종종 효과가 없는 것으로 나타났습니다. 예를 들어, 건식 분말 소화기는 이러한 화재 진압에 거의 또는 전혀 효과가 없습니다. 할론 1301, CO₂, FM-200(헵타플루오로프로판)과 같은 소화약제는 화염을 소화할 수 있을 뿐, 열폭주 발생을 근본적으로 억제하거나 재점화를 방지할 수는 없습니다. 이러한 소화약제는 냉각 기능과 효과적인 화재 진압 기능이 모두 부족하여 리튬 배터리 화재에 적합하지 않습니다.
스프링클러 시스템은 기술적으로 성숙하고 비용 효율적이며 환경 친화적이지만, 효과적인 냉각 및 화재 진압 기능을 제공합니다. 그러나 소화 매체로서 물은 상당한 단점을 가지고 있습니다. 많은 양의 물을 필요로 하고, 소화 시간이 길며, 단락 및 배터리의 돌이킬 수 없는 손상을 유발하여 화재 발생 후 에너지 저장 시스템을 작동 불가능하게 만들 위험이 높습니다.
수계 소화제는 화재 냉각 및 소화에 비교적 효과적입니다. 일반적으로 고체 소화제는 리튬 이온 배터리 에너지 저장 시스템의 화재 진압에 거의 효과가 없습니다. 가스 소화제는 소화 효율이 낮고 냉각 효과도 제한적입니다. 수계 소화제는 친환경적이고 저렴할 뿐만 아니라 상당한 냉각 및 소화 효과를 제공합니다. 따라서 리튬 배터리, 특히 대규모 에너지 저장 리튬 배터리 시스템의 화재 위험에 대한 소화 보호가 수행되고 있으며, 새로운 고효율 재점화 방지 소화제와 소화제 방출 시스템 및 장치가 설계 및 개발되어 화재 발생 시 신속한 대응이 가능합니다. 리튬 이온 배터리 에너지 저장 시스템의 대규모 상업적 적용.
EV 전원 배터리에 비해 에너지 저장 시스템 화재는 더 큰 위험을 초래합니다.
전력저장용 배터리와 전기자동차용 전력배터리의 규모 및 성능 요구 사항의 차이점을 고려하여 주로 다음과 같은 측면에서 분석합니다.
배터리 시스템 규모: 리튬이온 에너지 저장 시스템과 전기 자동차 48v 60v 72v 96v 리튬 이온 배터리 배터리는 기본 단위로, 그 구성 요소는 배터리 셀, 모듈, 배터리 팩, 시스템의 네 가지 수준으로 구분할 수 있습니다. 그러나 에너지 저장 시스템의 배터리 셀 수는 전기차 배터리 시스템을 훨씬 능가하며, 에너지 저장 장치의 전체 에너지는 전기차 배터리 시스템보다 1~2배 더 높아 화재 사고의 규모와 피해가 더욱 심각합니다.
화재 사고 메커니즘: 에너지 저장 시스템 화재와 전기차 배터리 화재는 모두 배터리 오용으로 인해 발생하며, 이는 단일 배터리의 열 폭주로 이어져 대규모 화재 사고를 유발합니다. 그러나 두 화재의 확산 특성은 완전히 동일하지는 않습니다. 전기 자동차 화재가 발생하면 열 폭주 배터리 셀의 온도가 상승하여 인접한 배터리 셀이나 모듈에서 화재가 발생합니다. 에너지 저장 시스템은 일반적으로 12개 이상, 심지어 수십 개의 모듈로 구성되며, 단일 배터리의 열 폭주로 인해 화재가 모듈 사이에서 확산되는 경우가 많습니다.
화재 예방 및 관리 조치: Lifepo4 배터리 에너지 저장 시스템의 화재 예방 및 관리는 일반적으로 모듈 안전 설계, 배터리 관리 시스템, 화재 경보 시스템, 그리고 소화 시스템을 고려해야 합니다. 그러나 배터리 격실의 용량 제한으로 인해 전기차 배터리 시스템의 화재 예방 및 관리는 일반적으로 처음 두 단계만 고려합니다. 에너지 저장 시스템의 경우, 리튬 이온 배터리의 열 폭주는 연쇄적으로 발생하여 화재가 빠르게 확산되기 때문에 경보 시스템의 적시성과 소화 시스템의 효율성이 매우 중요합니다.
안전성 평가 기준: 전기차용 전력 배터리의 안전성 평가는 UL2580-2013 "전기차 배터리 안전 규격 표준" 및 GB/T 31485-2015 "전기차용 전력 배터리의 안전 요건 및 시험 방법" 및 기타 표준 및 규격을 참조하십시오. 현재 에너지 저장 배터리 안전성에 대한 정량적 평가 기준은 없습니다. 실제 적용에서는 전기차용 리튬 이온 배터리 관련 시험 기준의 대부분이 인용됩니다. 에너지 저장 시스템의 안전성 평가 체계를 정량화하는 방법에 대한 심층적인 연구가 필요합니다.
에너지 저장 시스템의 조기 경보 및 소방 용도에 대한 실제 수요 증가와 전기 자동차 전원 배터리와의 차이점 및 비교를 고려할 때, 에너지 저장 산업의 급속한 발전에 따라 에너지 저장 소방 용도에 대한 수요가 크게 증가할 수 있으며, 이는 산업 발전에 좋은 기회가 될 것이라고 생각합니다.
에너지 저장 분야 정책 지원 붐, 화재 안전: 장기 성장 궤도
정책은 에너지 저장 화재 보호의 안전성을 강조하여 산업 발전에 이롭습니다.2021년 14월에 발표된 "전기화학 에너지 저장 발전소 안전 규정(초안)"은 에너지 저장 화재 보호를 비디오 감시 시스템에 통합하고 보다 정교하고 기술적인 체계적 솔루션을 구축하도록 요구하며 에너지 저장 발전소 장비 안전 기술 요구 사항, 운영, 유지 관리, 점검, 테스트 등에 대한 안전 요구 사항을 규정합니다.2022년 2025월에 발표된 "제XNUMX차 XNUMX개년 국가 소방 공사 계획"은 새로운 에너지 저장 시설 주변의 화재 보호 설계 및 소스 관리를 강화할 것을 제안했습니다.각종 정책은 에너지 저장 발전소의 건설 및 관리에 대한 세부 요구 사항을 제시하고 에너지 저장 발전소 운영의 안전성을 향상시키기 위한 지원 에너지 저장 화재 보호 시설의 건설을 안내하며 XNUMX년 목표 설비 용량과 비용 절감 및 효율 개선 목표를 제시하고 정책은 에너지 저장 시장의 발전을 안내합니다.
에너지 저장 화재 안전 관련 여러 정책 및 표준이 시행됨에 따라 에너지 저장 설비 용량이 빠르게 증가할 것으로 예상됩니다. 새로운 표준 하에서 에너지 저장 화재 예방의 중요성은 계속해서 강조될 것입니다. 에너지 저장 화재 예방 투자 비중은 더욱 증가할 것으로 예상되며, 에너지 저장 화재 예방 산업은 장기 침체기를 맞이할 수도 있습니다.
에너지 저장의 다양한 하류 응용 분야, 화재 안전이 급속히 확대될 전망
하류 적용 시나리오가 다각화되고 있으며, 제14차 XNUMX개년 계획 기간 동안 에너지 저장 방화 제품의 생산량이 증가할 것으로 예상됩니다. 에너지 저장 방화 제품 산업 체인의 상류 원자재는 주로 구조 부품, 전자 부품, 섀시 및 소화제입니다. 에너지 저장 발전소 외에도 에너지 저장 방화 제품의 하류 적용 시나리오에는 신에너지 자동차, 전기 자전거, 가정용 에너지 저장 장치 등이 포함됩니다. 하류 산업의 에너지 저장 규모가 확대됨에 따라 방화 기준이 더욱 엄격해지고 에너지 저장 방화 제품에 대한 수요는 더욱 확대될 전망입니다.
2025년까지 국내 에너지 저장 및 방화 시장 규모는 6.514억 113만 위안에 달할 것으로 예상되며, 2021년부터 2025년까지 연평균 성장률은 XNUMX%에 달할 것으로 전망됩니다. 미래 에너지 저장 및 방화 시장은 길고 가파른 성장세를 보일 것으로 예상됩니다. 주요 가정은 다음과 같습니다.
중국의 전기화학 에너지 저장 신규 설비 용량: 에너지 저장 산업 연구 백서 2023에 따르면, 2024년 중국의 전기화학 에너지 저장 신규 설비 용량은 1559.6MW입니다. 64년부터 2021년까지 전기화학 에너지 저장 누적 설비 용량은 연평균 2025%의 성장률을 기록할 것으로 예상합니다. GGII에서 산출한 중국 주요 성(省)별 에너지 저장 비율을 기준으로, 저장 시간은 2시간으로 가정했습니다.
방화 투자 비율: 청냐오 소방회사 공고에 따르면 현재 중국의 방화 지출 비중은 약 2%로 해외보다 높습니다. "전기화학 에너지 저장 발전소 안전 규정"이 발표됨에 따라 방화 투자 비중이 계속 증가할 것으로 예상되며, 7년에는 방화 투자 비중이 2025%에 도달할 것으로 예상됩니다.
에너지 저장 입찰 평균 가격: 지방신에너지네트워크(Jibang New Energy Network) 자료에 따르면, 2024년 대표적인 에너지 저장 프로젝트의 평균 입찰 가격은 1.476위안/Wh에 달했습니다. 국가에너지국(National Energy Administration) 등은 에너지 저장 발전소 개발 과정에서 비용 최적화를 강조했습니다. 에너지 저장 프로젝트 비용은 매년 5%씩 감소할 것으로 예상됩니다.
