Pogoste nesreče pri shranjevanju energije spodbujajo naraščajoče povpraševanje po požarni varnosti v ESS
Elektrokemično shranjevanje energije je energetsko zelo intenzivna kemijsko integrirana naprava. Če pride do zlorabe baterije, kot je prekomerno polnjenje, prekomerno praznjenje, preobremenitev toka, termični odtok in notranji kratek stik, bo to zlahka povzročilo kopičenje toplote v bateriji. Ko je kritična točka presežena, bo prišlo do termičnega odtoka, ki se bo hitro razširil med baterijskimi moduli, baterijskimi omarami in celo predelki za shranjevanje energije. Vnetljivi plini, ki se sproščajo med gorenjem baterije, bodo dodatno podaljšali čas gorenja, otežili gašenje in celo povzročili eksplozijo, kar bo na koncu povzročilo resno gospodarsko in osebno škodo.
Delež vrst baterij v nesrečah s shranjevanjem energije (enota: %)
Nesreče v elektrarnah za shranjevanje energije se dogajajo pogosto, zato je treba nujno obravnavati vprašanja varnosti shranjevanja energije: Glede na nepopolne statistične podatke Mednarodnega energetskega omrežja se je od leta 37 do januarja 2011 po vsem svetu zgodilo skupno 2022 eksplozij v elektrarnah za shranjevanje energije, od tega 4 na Kitajskem. 16. aprila 2021 je nesreča v elektrarni za shranjevanje energije v podjetju Beijing Guoxuan Fuweis Solar Storage and Charging Technology Co., Ltd. povzročila eno smrt, dva gasilca sta umrla, en gasilec je bil poškodovan, neposredna škoda na premoženju pa je znašala 16.61 milijona juanov; z vidika nesreč z novimi energetskimi vozili je bilo po podatkih, ki jih je objavil Urad za gasilsko in reševalno delo Ministrstva za izredne razmere, v prvem četrtletju 2022 na Kitajskem prijavljenih skupno 640 novih požarov z energetskimi vozili, kar je 32 % več kot v enakem obdobju lani; Z vidika vrste nesreč z baterijami je bilo 82 % nesreč s shranjevanjem energije posledica ternarnih litijevih baterij, predvsem zato, ker je temperatura razgradnje materiala pozitivne elektrode ternarne litijeve baterije le 200 °C, kar je nagnjeno k toplotnemu pobegu in s tem požaru.
Zgodnje opozarjanje: prva obrambna linija za varnost ESS, ki se razvija s strožjimi zahtevami glede termičnega pobega
Zgodnje opozarjanje: Zahteve glede termičnega pobega se povečujejo, kar postavlja višje zahteve glede tehnologije zgodnjega opozarjanja. Tehnologija zgodnjega opozarjanja na termični pobeg v glavnem združuje mehanizem varnosti baterije pred odpovedjo s tehnologijo umetne inteligence za velike podatke, da bi vzpostavila varnostne modele zgodnjega opozarjanja za različne načine odpovedi. Pogosto uporabljeni vključujejo notranji kratek stik baterije, odlaganje litija, nepravilnosti v kapaciteti itd. Te nenormalne spremembe v bateriji se kažejo kot nepravilnosti ali nenormalne poti napetosti, temperature, toka in drugih podatkov v podatkih o delovanju baterije. Z večdimenzionalno analizo napetosti, toka, temperature in drugih podatkov, ki jih BMS zabeleži med delovanjem baterije, je mogoče prepoznati informacije o napaki baterije in oceniti varnostno tveganje baterije, da se doseže namen zgodnjega opozarjanja. Z nenehnim izboljševanjem zahtev industrije glede termičnega pobega se je ciljni čas termičnega pobega povečal s prvotnih 5 minut na 30 minut, 60 minut in celo več kot 24 ur brez odprtega ognja/brez širjenja, kar postavlja višje zahteve glede tehnologije zaščite in zatiranja termičnega pobega v baterijskem sistemu.
V prihodnosti bo še vedno treba razviti občutljivejše in zanesljivejše senzorje na obstoječi osnovi ter zmanjšati njihove stroške, hkrati pa raziskati, ali obstajajo učinkovitejše metode zgodnjega opozarjanja za nadaljnje izboljšanje varnosti in zanesljivosti litij-ionskih baterijskih sistemov. Na primer, v sistemu zgodnjega opozarjanja, kjer je temperatura glavni karakteristični parameter, imajo termočleni ali senzorji, ki so se v preteklosti uporabljali za neposredno merjenje temperature površine, določene napake. Trenutno strokovnjaki in znanstveniki razmišljajo o uporabi infrardečega zaznavanja ali vgrajenih senzorjev za izboljšanje natančnosti izmerjenih podatkov o temperaturi. V prihodnosti se lahko za spremljanje temperature baterije uporabijo natančnejše metode merjenja temperature in vgrajeni temperaturni senzorji, odporni na visoke temperature in visoko natančni. Natančnost bi morala biti vsaj višja od najvišjih zahtev obstoječih standardov natančnosti. Poleg tega se lahko sistem za spremljanje baterije kombinira s tehnologijo napovedovanja temperature baterije za pridobitev natančnejših podatkov o temperaturi baterije.
Izzivi gašenja požarov: Visoka nevarnost požara in težavno gašenje v sistemih za shranjevanje energije
Konec gašenja požara:
»Toplotni pobeg« je glavni vzrok varnostnih tveganj litij-ionskih baterij: Mehanizem toplotnega pobega litij-ionskih baterij vključuje tri stopnje. Prva stopnja: začetna stopnja toplotnega pobega litijevih baterij. Zaradi notranjih in zunanjih dejavnikov se notranja temperatura baterije hitro dvigne na 90–100 ℃. V tem času se pasivacijska plast SEI na površini negativne elektrode razgradi in sprosti ogromno toplote, zaradi česar se notranja temperatura baterije hitro dvigne; ko temperatura doseže 135 ℃ oziroma 166 ℃, se začneta taliti PE in PP membrana. Ko temperatura še naprej narašča, se membrana skrči, pozitivna in negativna elektroda pa se dotakneta druga ob drugo, kar povzroči kratek stik in s tem nenehno sproščanje toplote baterije. Druga stopnja: stopnja izbočenja baterije: pri temperaturi približno 250–350 ℃ litij reagira z organskim topilom v elektrolitu in sprošča vnetljiv ogljikovodik. Tretja faza: toplotni izpad akumulatorja, faza eksplozije in odpovedi. V tej fazi material pozitivne elektrode v stanju polnjenja še naprej doživlja burno oksidacijsko razgradnjo z elektrolitom, kar ustvarja visoko temperaturo in veliko količino strupenega plina, zaradi česar akumulator močno gori ali celo eksplodira.
Sistemi za shranjevanje energije z litij-ionskimi baterijami so pretežno predstavljene s montažnimi shranjevalnimi enotami kontejnerskega tipa. Ti sistemi so običajno sestavljeni iz več deset baterijskih celic, povezanih zaporedno in vzporedno, da tvorijo baterijske module. Ti moduli so nato zaporedno povezani, da tvorijo baterijske nize, ki so nato vzporedno integrirani v eno samo omarico za shranjevanje energije.
Požari, ki vključujejo sisteme za shranjevanje energije v litij-ionskih baterijah, kažejo več različnih značilnosti:
- Intenzivno zgorevanje in hitro širjenje toplote
- Visoka toksičnost, gost dim in znaten potencial nevarnosti
- Visoka nevarnost ponovnega vžiga in precejšnje težave pri gašenju
Posledično so varnostni pomisleki, povezani s sistemi za shranjevanje energije na osnovi litij-ionskih baterij, v zadnjih letih deležni vse večje pozornosti.
Izzivi pri gašenju požarov: pomanjkanje ciljno usmerjenih gasilnih sredstev
Pomanjkanje ciljno usmerjenih sredstev za gašenje požarov za sisteme za shranjevanje energije:
Glede na visoko požarno tveganje in težave pri gašenju, povezane s sistemi za shranjevanje energije, se trenutna sredstva za gašenje požarov pogosto izkažejo za neučinkovita pri požarih litij-ionskih baterij. Na primer, gasilni aparati na suh prah imajo le malo ali nič učinka pri gašenju takšnih požarov. Sredstva, kot so Halon 1301, CO₂ in FM-200 (heptafluoropropan), lahko pogasijo le odprte plamene, vendar ne morejo bistveno preprečiti nastanka toplotnega pobega ali preprečiti ponovnega vžiga. Ta sredstva nimajo tako hladilnih kot učinkovitih zmogljivosti za gašenje požara, zaradi česar niso primerna za požare litijevih baterij.
Sistemi za vodne škropilnike, čeprav tehnično dovršeni, stroškovno učinkoviti in okolju prijazni, ponujajo učinkovito hlajenje in gašenje požara. Vendar pa ima voda kot gasilno sredstvo znatne pomanjkljivosti: zahteva velike količine, dolgotrajno gašenje požara in predstavlja veliko tveganje za kratke stike in nepopravljivo škodo na baterijah, zaradi česar postaja za shranjevanje energije po požaru ni več uporabna.
Gasilna sredstva na vodni osnovi so relativno učinkovita pri hlajenju in gašenju požarov: Na splošno so trdna gasilna sredstva skoraj neučinkovita pri gašenju požarov v sistemih za shranjevanje energije z litijevimi ionskimi baterijami; gasilna sredstva na plin imajo slabo učinkovitost gašenja požara in omejene hladilne učinke; gasilna sredstva na vodni osnovi niso le okolju prijazna in poceni, temveč imajo tudi znatne hladilne in gasilne učinke. Zato se za požarno nevarnost litijevih baterij, zlasti velikih sistemov za shranjevanje energije z litijevimi baterijami, izvaja zaščita pred požarom, in se zasnujejo in razvijajo nova visoko učinkovita gasilna sredstva in sistemi ter naprave za sproščanje gasilnih sredstev, kar prispeva k... obsežna komercialna uporaba sistemov za shranjevanje energije z litij-ionskimi baterijami.
V primerjavi z baterijami za električna vozila predstavljajo požari v sistemih za shranjevanje energije večjo nevarnost
Glede na razlike med zahtevami glede obsega in zmogljivosti baterij za shranjevanje energije in baterij za električna vozila analiziramo predvsem z naslednjih vidikov:
Lestvica baterijskega sistema: Tako litij-ionski sistemi za shranjevanje energije kot litij-ionske baterije za električna vozila 48 V 60 V 72 V 96 V kot osnovne enote, njihove komponente pa lahko razdelimo na štiri ravni: baterijske celice, module, baterijske sklope in sisteme. Vendar pa število baterijskih celic v sistemih za shranjevanje energije daleč presega število baterijskih sistemov električnih vozil, skupna energija naprav za shranjevanje energije pa je za 1 do 2 velikostna reda višja kot pri baterijskih sistemih električnih vozil, zaradi česar sta obseg in vpliv požarov resnejša.
Mehanizem požarnih nesreč: Tako požari v sistemih za shranjevanje energije kot požari v baterijah električnih vozil nastanejo zaradi zlorabe baterije, kar vodi do toplotnega pobega ene same baterije in s tem do obsežnih požarov. Vendar pa se značilnosti širjenja ognja pri obeh vrstah ne ujemajo. Pri požarih električnih vozil se temperatura termične celice akumulatorja dvigne, kar povzroči požare v sosednjih celicah ali modulih akumulatorja; medtem ko so sistemi za shranjevanje energije običajno sestavljeni iz več kot ducata ali celo ducatov modulov, toplotni pobeg ene same baterije pa običajno povzroči širjenje požarov med moduli.
Ukrepi za preprečevanje in nadzor požarov: Preprečevanje in nadzor požarov v sistemih za shranjevanje energije z baterijami lifepo4 običajno zahtevata upoštevanje varnostne zasnove modulov, sistema za upravljanje baterij, sistema za požarno opozarjanje in sistema za gašenje požarov. Vendar pa zaradi omejene prostornine baterijskega prostora preprečevanje in nadzor požarov v sistemih baterij električnih vozil običajno vključuje le prvi dve ravni. Pri sistemih za shranjevanje energije sta pravočasnost opozorilnega sistema in učinkovitost sistema za gašenje požarov zelo pomembna, saj se toplotni pobeg litij-ionskih baterij pojavlja verižno in se ogenj hitro širi.
Standardi za ocenjevanje varnosti: Za oceno varnosti baterij za električna vozila glejte UL2580-2013 »Standard za varnostne specifikacije baterij za električna vozila« in GB/T 31485-2015 »Varnostne zahteve in preskusne metode za baterije za električna vozila« ter druge standarde in specifikacije. Trenutno ni kvantitativnega standarda za ocenjevanje varnosti baterij za shranjevanje energije. V praktični uporabi se navaja večina ustreznih preskusnih standardov za litij-ionske baterije za električna vozila. Kako kvantificirati sistem za ocenjevanje varnosti sistemov za shranjevanje energije, je potrebna poglobljena raziskava.
Glede na dejansko povečanje povpraševanja po sistemih za shranjevanje energije za zgodnje opozarjanje in gašenje požarov ter razlike in primerjave z baterijami za električna vozila menimo, da se lahko z razcvetom industrije shranjevanja energije znatno poveča povpraševanje po gašenju požarov s shranjevanjem energije, kar bo dobra priložnost za razvoj industrije.
Politično podprt razcvet požarne varnosti pri shranjevanju energije: dolgoročna pot rasti
Politika poudarja varnost protipožarne zaščite za shranjevanje energije, kar je koristno za razvoj industrije: »Predpisi o varnosti elektrarn za shranjevanje energije (osnutek za pripombe)«, izdani septembra 2021, zahtevajo, da se protipožarna zaščita za shranjevanje energije vključi v sistem video nadzora in vzpostavi sistematične rešitve, ki so bolj izpopolnjene in tehnološke, ter določajo varnostne zahteve za varnostne tehnične zahteve za opremo elektrarn za shranjevanje energije, delovanje, vzdrževanje, remont, testiranje itd. »14. petletni načrt za nacionalna protipožarna dela«, izdan februarja 2022, je predlagal okrepitev načrtovanja protipožarne zaščite in upravljanja virov okoli novih objektov za shranjevanje energije. Različne politike predstavljajo podrobne zahteve za gradnjo in upravljanje elektrarn za shranjevanje energije; usmerjajo gradnjo podpornih objektov za protipožarno zaščito za shranjevanje energije za izboljšanje varnosti delovanja elektrarn za shranjevanje energije; predstavljajo cilje za leto 2025 glede nameščene zmogljivosti in zmanjšanja stroškov ter izboljšanja učinkovitosti, politike pa usmerjajo razvoj trga shranjevanja energije.
Z uvedbo številnih politik in standardov, povezanih s požarno varnostjo shranjevanja energije, je mogoče predvideti, da se bo obseg nameščene zmogljivosti shranjevanja energije hitro povečal. Pomen požarne zaščite shranjevanja energije bo v okviru novih standardov še naprej poudarjan. Pričakuje se, da se bo delež naložb v požarno zaščito shranjevanja energije še povečal, industrija požarne zaščite shranjevanja energije pa bi lahko pričakovala dolg snežni pobočje.
Raznolike nadaljnje aplikacije shranjevanja energije za požarno varnost so pripravljene na hitro širitev
Scenariji uporabe v nižjih delih industrije so raznoliki, pričakuje pa se, da se bo obseg izdelkov za protipožarno zaščito shranjevanja energije v obdobju 14. petletke povečal: surovine v industrijski verigi izdelkov za protipožarno zaščito shranjevanja energije v zgornjem delu proizvodnje vključujejo predvsem strukturne dele, elektronske komponente, šasije in sredstva za gašenje požara; poleg elektrarn za shranjevanje energije scenariji uporabe izdelkov za protipožarno zaščito shranjevanja energije v nižjih delih proizvodnje vključujejo tudi nova energetska vozila, električna kolesa in shranjevanje energije v gospodinjstvih. Z naraščanjem obsega shranjevanja energije v nižje delni industriji se bodo standardi požarne varnosti zaostrili, povpraševanje po izdelkih za protipožarno zaščito shranjevanja energije pa bo imelo široke možnosti.
Pričakujemo, da bo do leta 2025 domači trg protipožarne zaščite za shranjevanje energije dosegel 6.514 milijarde juanov, s 113-odstotno letno stopnjo rasti od leta 2021 do 2025; prihodnja pot protipožarne zaščite za shranjevanje energije je dolga in strma ter naj bi dosegla hitro rast. Glavne predpostavke so naslednje:
Nova nameščena zmogljivost elektrokemičnega shranjevanja energije na Kitajskem: Glede na belo knjigo o raziskavah industrije shranjevanja energije iz leta 2023 je nova nameščena zmogljivost elektrokemičnega shranjevanja energije na Kitajskem v letu 2024 znašala 1559.6 MW. Predvidevamo, da se bo kumulativna nameščena zmogljivost elektrokemičnega shranjevanja energije od leta 64 do 2021 povečevala s sestavljeno letno stopnjo rasti 2025 %; na podlagi razmerja shranjevanja energije v glavnih provincah na Kitajskem, ki ga je izračunal GGII, predpostavljamo, da je čas shranjevanja 2 uri;
Razmerje naložb v protipožarno zaščito: Glede na objavo gasilske družbe Qingniao je trenutni delež izdatkov za protipožarno zaščito na Kitajskem približno 2 %, kar je v tujini več; pričakujemo, da se bo z objavo "Varnostnih predpisov za elektrarne na področju elektrokemijskih shranjevalcev energije" delež naložb v protipožarno zaščito še naprej povečeval, ob predpostavki, da bo delež naložb v protipožarno zaščito do leta 7 dosegel 2025 %;
Povprečna cena ponudb za shranjevanje energije: Po podatkih omrežja Jibang New Energy Network je skupna povprečna ponudbena cena tipičnih projektov shranjevanja energije v letu 2024 dosegla 1.476 RMB/Wh, Nacionalna uprava za energijo in drugi pa so poudarili, da bi morale elektrarne za shranjevanje energije med razvojem optimizirati stroške. Predvidevamo, da se bodo stroški projektov shranjevanja energije vsako leto zmanjševali za 5 %.
