В последние годы отрасль накопления энергии пережила бурный рост.
Чтобы лучше завоевать рынок и получить более высокую экономическую выгоду, энергетические компании продолжают оптимизировать структуру и конструкцию аккумуляторных батарей для достижения большей плотности энергии и увеличения срока службы. В настоящее время, в сочетании с рядом ведущих компаний-производителей накопителей энергии, разработка аккумуляторов «большой ёмкости» также стала важной тенденцией.
Ламинированная аккумуляторная батарея типа L500 с коротким ножом емкостью 325 А·ч, производимая Honeycomb Energy, имеет толщину всего 21 мм, что на 2/3 тоньше, чем аккумуляторная батарея емкостью 280 А·ч;
Элемент хранения энергии емкостью 315 А·ч от Envision Power имеет повышенную плотность энергии на 11 % при сохранении неизменным размера;
Аккумуляторная батарея большой емкости 320 А·ч, произведенная компанией Penghui Energy, имеет единовременное увеличение емкости на 14%;
Компания EVE Lithium Energy выпустила сверхбольшую ячейку хранения энергии емкостью 560 А·ч. Одна батарея может хранить 1,792 кВт·ч энергии;
Однако большая емкость также ставит новые задачи перед разработкой аккумуляторных батарей.
По мере увеличения емкости соответственно увеличивается и плотность энергии внутри аккумулятора, что приводит к большему высвобождению энергии и более серьезным рискам для безопасности.
В последние годы на электростанциях, использующих накопители энергии, время от времени происходят пожары и взрывы, серьёзные случаи которых могут даже приводить к жертвам среди персонала. Безопасность систем накопления энергии всегда вызывала беспокойство.
На 4-й Международной конференции по новым источникам энергии для транспортных средств и аккумуляторных батарей (CIBF2023 Shenzhen) академик Китайской академии наук Оуян Мингао заявил, что литий-железо-фосфатные аккумуляторы, как правило, считаются относительно безопасными, и это в основном относится к небольшим литий-железо-фосфатным аккумуляторам. Однако в аккумуляторах большой емкости внутренняя температура может превышать 800 градусов Цельсия, что превышает температуру разложения катода из литий-железо-фосфата.
В случае аккумуляторов малого размера, поскольку в середине происходит цепная реакция, существует перегородка, и материал положительного электрода практически не разлагается, пока температура не превысит 500 градусов, поэтому аккумуляторы малого размера не относятся к этому диапазону. Однако при температуре аккумулятора 700–900 градусов может произойти пробой разделителя, что приведет к разложению материала положительного электрода. Емкость современных аккумуляторов обычно превышает 300 ампер-часов (А·ч), что по-прежнему представляет опасность.
С одной стороны, необходимо расширять мощности и снижать затраты, а с другой — поддерживать минимальный уровень рисков безопасности. Как сбалансировать эти два фактора?
Индустрия накопления энергии уделяет большое внимание безопасности аккумуляторных батарей.
По мере того, как электростанции с накопителями энергии развиваются в сторону увеличения мощности, безопасность накопителей энергии и противопожарная защита также подвергаются более строгим испытаниям. Безопасность — это ключевой фактор развития отрасли накопления энергии.
Согласно статистике Альянса технологий накопления энергии Чжунгуаньцунь, с 2011 года в мире произошло более 70 аварий, связанных с безопасностью накопителей энергии. В 2022 году в мире произойдет 17 аварий, связанных с накопителями энергии, не считая бытовых.
Китайский научно-исследовательский институт электроэнергетики в отчёте об анализе аварий указал на две основные причины взрыва на электростанции: с одной стороны, первопричиной возгорания и взрыва литий-ионного аккумулятора является его тепловой разгон. Например, тепловой разгон не может гарантировать безопасность и качество аккумуляторной батареи. С другой стороны, дефекты качества систем управления зданием (BMS), управления электропитанием (PCS), трансформатора и соответствующего оборудования релейной защиты и связи, входящих в систему накопления энергии, могут быть вызваны нестандартными процессами монтажа и наладки, необоснованными настройками и недостаточной изоляцией. Всё это напрямую или косвенно вызывает проблемы безопасности в системе накопления энергии.
В случае аварии, помимо опасностей, вызванных самим пожаром и взрывом, также может произойти выброс токсичных химикатов, вызывающих химическую опасность, а также могут возникнуть электрические или физические опасности, когда соответствующий персонал ремонтирует или спасает систему накопления энергии.
Спрос на контроль температуры и противопожарную защиту накопителей энергии возрос. Национальный стандарт «Нормы и правила проектирования электрохимических электростанций с накопителями энергии» 2014 года не смог удовлетворить быстро меняющиеся требования к безопасности накопителей энергии. Помимо национальных стандартов, существуют лишь некоторые стандарты предприятий, групповые стандарты, местные стандарты, а также американские стандарты NFPA855, UL9540 и т. д. Стандарты безопасности накопителей энергии по-прежнему нуждаются в дальнейшем регулировании.
Новый национальный стандарт безопасности накопителей энергии GB/T 42288-2022 «Правила безопасности электрохимических станций накопления энергии» был утвержден Государственной администрацией по регулированию рынка (Комитет по стандартам) и официально вступит в силу в июле этого года. Стандарты безопасности накопителей энергии постепенно совершенствуются и ужесточаются, двигаясь к стандартизации, что является новым этапом масштабного развития.
В связи с частыми авариями на электростанциях с накопителями энергии стандарты безопасности накопителей энергии в моей стране приближаются к мировым стандартам, постоянно совершенствуясь и ужесточаясь. Ожидается значительное повышение важности систем пожарной безопасности и контроля температуры накопителей энергии, а также их дальнейшее развитие.
Как сделать электростанции накопления энергии более безопасными?
Ян Юйшэн, академик Китайской инженерной академии, считает, что в настоящее время не следует фокусироваться на разработке высокоэнергетических аккумуляторов, таких как тройные аккумуляторы с высоким содержанием никеля, и существует неопределенность относительно успеха полностью твердотельных аккумуляторов. В настоящее время литий-железо-фосфатные аккумуляторы, по всей видимости, отличаются высокой безопасностью и долговечностью, не содержат никель и кобальт. Они могут стать основным источником энергии, но их соотношение цена/качество необходимо постоянно улучшать.
По словам Хуэйдуна, главного эксперта Китайского научно-исследовательского института электроэнергетики, теоретически литий-железофосфат не абсолютно безопасен, но относительно безопасен. Наблюдавшиеся до сих пор аварии на электростанциях, связанных с накоплением энергии, часто происходят из-за отсутствия или запоздалого раннего оповещения. Кроме того, существующие меры противопожарной защиты не рассчитаны на предотвращение пожаров, что в конечном итоге приводит к серьёзным авариям.
Согласно неполной статистике глобальной базы данных по системам хранения энергии CNESA, в 2021–2022 годах ожидается множество аварий с тройными литий-ионными аккумуляторами, однако в последние два года проекты с тройными аккумуляторами использовались редко и, по сути, представляли собой уже существующие проекты. В шести случаях речь идёт о литий-железо-фосфатных аккумуляторах, в одном — о свинцово-кислотных, а остальные типы аккумуляторов неизвестны.
Конечно, учитывая ключевую позицию накопления энергии в цели «двойного углерода» и рост числа вводимых в эксплуатацию проектов, надзору за безопасностью накопления энергии и связанным с этим исследованиям также уделяется все больше внимания.
Академик Оуян Мингао недавно заявил, что индекс взрываемости литий-железо-фосфата в батареях большой емкости в два раза выше, чем у тройных батарей.
Учитывая многочисленные пути развития технологий накопления энергии, многие эксперты заявили, что, хотя в настоящее время существует множество путей развития технологий аккумуляторных батарей, эти существующие технологии не станут основными в будущем, и в будущем обязательно появятся прорывные технологии.
В будущем целью технологии электрохимического хранения энергии станет «низкая стоимость, длительный срок службы, высокая безопасность и простота переработки», что потребует революционных инноваций и прорывов в технологиях.
Для повышения безопасности работы электростанций накопления энергии необходимо принять ряд мер:
Во-первых, необходимо усилить создание системы раннего оповещения, включая мониторинг в режиме реального времени таких параметров, как температура, напряжение, ток и давление на электростанциях с накоплением энергии, чтобы обеспечить своевременное выявление и реагирование на потенциальные риски безопасности. Во-вторых, учитывая специфику электростанций с накоплением энергии, разработаны специальные меры противопожарной защиты и планы действий в чрезвычайных ситуациях, таких как пожары. Кроме того, необходимо уделить внимание конструкции и технологическому процессу аккумуляторной системы, использовать передовые теплоизоляционные материалы и технологии отвода тепла, эффективно контролировать температуру и энерговыделение аккумуляторной батареи, а также снижать потенциальные угрозы безопасности. Одновременно необходимо усилить обучение и управление персоналом, чтобы гарантировать, что операторы обладают необходимыми знаниями и навыками безопасности для правильного реагирования на различные чрезвычайные ситуации.
Национальное энергетическое управление также заявило о необходимости усиления контроля за подключением к сети. Электросетевые предприятия должны активно сотрудничать с процессом подключения и приёмки электростанций с электрохимическим накопителем энергии, а также не допускать «неправильного подключения» к сети для электростанций, не соответствующих требованиям национальных (отраслевых) технических стандартов подключения к сети. План работы диспетчеризации должен быть оптимизирован, а безопасный интервал работы электростанции должен быть указан в соглашении о подключении к сети и строго соблюдаться.
Время публикации: 22 сентября 2023 г.