В последние годы отрасль хранения энергии переживает взрывной рост.
Чтобы лучше завоевать рынок и получить большую экономическую выгоду, энергетические компании продолжают оптимизировать структуру и конструкцию аккумуляторных батарей для достижения большей плотности энергии и более длительного срока службы. Благодаря сотрудничеству ведущих производителей систем хранения энергии, разработка «большой емкости» также стала важной тенденцией в настоящее время.
Ламинированная коротконожевая батарея типа L500 емкостью 325 Ач, производимая компанией Honeycomb Energy, имеет толщину всего 21 мм, что на 2/3 тоньше, чем батарея емкостью 280 Ач;
В продукте компании Envision Power — аккумуляторе емкостью 315 Ач — плотность энергии увеличена на 11% при сохранении неизменных размеров;
Аккумуляторная батарея большой емкости 320 Ач, производимая компанией Penghui Energy, имеет увеличение емкости на 14% за один цикл;
Компания EVE Lithium Energy выпустила сверхбольшую батарею для хранения энергии емкостью 560 Ач, при этом одна батарея может хранить 1,792 кВт·ч энергии;
Однако большая емкость также создает новые проблемы для развития аккумуляторных батарей.
По мере увеличения емкости соответственно возрастает и плотность энергии внутри батареи, что приводит к большему высвобождению энергии и более серьезным рискам для безопасности.
В последние годы на электростанциях, использующих системы хранения энергии, периодически происходят пожары и взрывы, а в серьезных случаях могут даже погибать сотрудники. Безопасность систем хранения энергии всегда вызывала обеспокоенность.
На 4-й Международной конференции по обмену опытом в области новых энергетических транспортных средств и силовых батарей (CIBF2023 Шэньчжэнь) академик Китайской академии наук Оуян Мингао заявил, что литий-железо-фосфатные батареи в целом считаются относительно безопасными, и это справедливо, по сути, для небольших литий-железо-фосфатных батарей. Однако для батарей большой емкости внутренняя температура может превышать 800 градусов, что превышает температуру разложения катода из литий-железо-фосфата.
В случае малогабаритных батарей, из-за цепной реакции в середине процесса и наличия разделительной перегородки, материал положительного электрода практически не разлагается, пока температура не превысит 500 градусов, поэтому малогабаритные батареи не попадают в этот диапазон. Однако, батареи большой емкости могут нагреваться до 700-900 градусов, что может привести к прорыву и проникновению через разделительную перегородку и разложению материала положительного электрода. Современные батареи для хранения энергии, как правило, имеют емкость более 300 ампер-часов (Ач), что по-прежнему очень опасно.
С одной стороны, необходимо расширять мощности и снижать затраты, а с другой — поддерживать минимальный уровень рисков безопасности. Как найти баланс между этими двумя аспектами?
В индустрии хранения энергии большое значение придается безопасности батарей.
По мере развития электростанций с накопителями энергии в направлении увеличения мощности, безопасность и противопожарная защита систем хранения энергии также будут подвергаться более строгим испытаниям. Безопасность является основополагающим фактором для развития отрасли хранения энергии.
Согласно статистике Альянса производителей технологий хранения энергии Чжунгуаньцунь, с 2011 года в мире произошло более 70 аварий, связанных с безопасностью систем хранения энергии. В 2022 году, за исключением бытовых систем хранения энергии, в мире произойдет 17 таких аварий.
Китайский научно-исследовательский институт электроэнергетики в отчете об анализе аварии указал на две основные причины взрыва на электростанции: с одной стороны, первопричиной возгорания и взрыва литий-ионной батареи является тепловой разгон. Например, невозможно гарантировать безопасность и качество аккумуляторной батареи из-за теплового разгона; с другой стороны, дефекты качества BMS, PCS, трансформаторов и соответствующего релейного оборудования защиты, а также коммуникационного оборудования, входящего в состав системы хранения энергии на основе батарей, могут быть связаны с нестандартным процессом установки и ввода в эксплуатацию, нерациональными настройками и недостаточной изоляцией, что прямо или косвенно создает проблемы безопасности в системе хранения энергии.
В случае аварии, помимо опасностей, вызванных самим пожаром и взрывом, могут также происходить выбросы токсичных химических веществ, создающих химическую опасность, а также могут возникнуть электрические или физические опасности, когда соответствующий персонал будет ремонтировать или спасать систему хранения энергии.
Спрос на системы контроля температуры и противопожарной защиты для систем хранения энергии возрос. В издании 2014 года национального стандарта «Кодекс проектирования электрохимических энергоаккумулирующих электростанций» оказалось сложно удовлетворить быстрое развитие требований к безопасности систем хранения энергии. Помимо национальных стандартов, существуют лишь некоторые стандарты предприятий, групповые стандарты, местные стандарты, американские стандарты NFPA855, UL9540 и др., которые служат ориентиром. Стандарты безопасности систем хранения энергии по-прежнему нуждаются в дальнейшем регулировании.
Новый национальный стандарт безопасности систем хранения энергии GB/T 42288-2022 «Правила безопасности электрохимических накопительных электростанций» был утвержден Государственным управлением по регулированию рынка (Комитетом по стандартам) и будет официально введен в действие в июле этого года. Стандарты безопасности систем хранения энергии постепенно совершенствуются и ужесточаются, двигаясь к стандартизации — новому этапу масштабного развития.
В связи с частыми авариями на электростанциях, использующих системы хранения энергии, стандарты безопасности систем хранения энергии в нашей стране приближаются к мировым стандартам, постоянно совершенствуются и ужесточаются. Ожидается значительное повышение важности систем противопожарной защиты и контроля температуры в системах хранения энергии, и прогнозируется их дальнейшее развитие.
Как можно повысить безопасность электростанций, использующих накопители энергии?
Ян Юшэн, академик Китайской инженерной академии, считает, что в настоящее время разработка высокоэнергетических батарей, таких как высоконикелевые тройные батареи, не должна быть приоритетной, и существует неопределенность относительно успеха твердотельных батарей. В настоящее время, по-видимому, литий-железо-фосфатные батареи обладают высокой безопасностью и длительным сроком службы, а также не используют такие металлы, как никель или кобальт. Они могут стать основной движущей силой, но необходимо постоянно улучшать их экономические показатели.
По словам Хуэйдуна, главного эксперта Китайского научно-исследовательского института электроэнергетики, теоретически фосфат лития-железа не является абсолютно безопасным, но относительно безопасным. Аварии на электростанциях с накопителями энергии, наблюдаемые до сих пор, часто происходят из-за отсутствия или задержки системы раннего предупреждения. Кроме того, существующие меры противопожарной защиты не рассчитаны на предотвращение пожаров, что в конечном итоге приводит к серьезным авариям.
Согласно неполной статистике глобальной базы данных CNESA по системам хранения энергии, в 2021-2022 годах ожидается множество аварий с участием тройных литий-ионных батарей, однако проекты с тройными батареями в последние два года использовались редко и в основном касались предыдущих проектов. Зафиксировано 6 случаев аварий с литий-железо-фосфатными батареями, 1 — со свинцово-кислотными батареями, а типы остальных батарей неизвестны.
Безусловно, с учетом ключевой роли систем хранения энергии в достижении цели «двойного углеродного баланса» и увеличения числа введенных в эксплуатацию проектов, вопросам контроля безопасности систем хранения энергии и соответствующим исследованиям уделяется все больше внимания.
Академик Оуян Мингао недавно заявил, что показатель взрывоопасности фосфата лития-железа в высокоемкостных батареях вдвое выше, чем в тройных батареях.
В условиях множества перспективных направлений развития технологий хранения энергии многие эксперты отмечают, что, хотя в настоящее время существует множество направлений в области аккумуляторных технологий, эти существующие технологии не станут основными в будущем, и обязательно появятся прорывные технологии.
В будущем целью электрохимических технологий хранения энергии станут «низкая стоимость, длительный срок службы, высокая безопасность и простота переработки», что потребует революционных инноваций и технологических прорывов.
Для повышения безопасности электростанций, использующих накопители энергии, необходимо принять ряд мер:
Во-первых, необходимо усилить систему раннего предупреждения, включающую мониторинг в реальном времени таких параметров, как температура, напряжение, ток и давление на электростанциях с накопителями энергии, чтобы обеспечить своевременное выявление потенциальных угроз безопасности и реагирование на них. Во-вторых, с учетом специфики электростанций с накопителями энергии, следует разработать специальные меры противопожарной защиты и планы действий в чрезвычайных ситуациях, таких как пожары. Кроме того, необходимо уделить внимание проектированию и технологическому процессу аккумуляторной системы, использовать передовые теплоизоляционные материалы и технологии теплоотвода, эффективно контролировать температуру и выделение энергии в батарее и снижать потенциальные угрозы безопасности. Одновременно следует усилить подготовку и управление персоналом, чтобы обеспечить наличие у операторов необходимых знаний и навыков в области безопасности для правильного реагирования на различные чрезвычайные ситуации.
Национальное управление энергетики также заявило о необходимости усиления приемки электростанций, подключенных к сети. Предприятия электросетевого хозяйства должны активно сотрудничать с электростанциями, подключенными к сети и принимающими электрохимические накопители энергии, и предотвращать «ненадлежащее подключение к сети» электростанций, не соответствующих требованиям национальных (отраслевых) технических стандартов подключения к сети. План работы электростанции должен быть оптимизирован, а безопасный интервал работы должен быть указан в соглашении о графике подключения к сети и строго соблюдаться.
Дата публикации: 22 сентября 2023 г.