（本文來源：微信公眾號“儲能科學(xué)與技術(shù)”ID:esst2012 作者：唐亮 尹小波 吳候福 劉鵬杰 王青松 單位：中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟 中國電力工程顧問集團華北電力設(shè)計院有限公司 廣州鵬輝能源科技股份有限公司 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室）
隨著雙碳目標(biāo)成為全球共識，新能源將迎來跨越式發(fā)展，裝機規(guī)模在電力系統(tǒng)中的比重也將不斷增大。儲能作為保障新能源消納、提升電力系統(tǒng)靈活性、支撐新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵技術(shù)之一，也將迎來爆發(fā)式增長。根據(jù)中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟(CNESA)不完全統(tǒng)計，2021年全球新型儲能新增投運規(guī)模達10.2 GW，同比增長117%，新型儲能市場依然保持高速增長態(tài)勢。
電化學(xué)儲能技術(shù)由于能量密度、效率、成本、建設(shè)周期等優(yōu)勢，在新型儲能市場中取得了絕對優(yōu)勢地位。相對鈉電池、鉛蓄電池、液流電池等其他電化學(xué)儲能技術(shù)而言，鋰離子電池在儲能行業(yè)中的應(yīng)用最為廣泛，一方面因為其能量密度高、循環(huán)壽命長和成本低等優(yōu)勢，另一方面電動汽車的快速發(fā)展帶動了鋰離子電池規(guī)模化生產(chǎn)。根據(jù)CNESA不完全統(tǒng)計，截至2021年底，全球新型儲能累計裝機規(guī)模達25.4 GW，鋰離子電池技術(shù)占比超過90%，占據(jù)絕對主導(dǎo)地位。
目前儲能電站中采用的鋰離子電池主要包括三元、磷酸鐵鋰兩種材料體系，三元鋰離子電池?zé)岱€(wěn)定性較差，在熱失控情況下會發(fā)生析氧，與電解液發(fā)生反應(yīng)，具有更大的火災(zāi)危險性?；趪鴥?nèi)外鋰離子電池事故經(jīng)驗和安全考慮，根據(jù)CNESA的不完全統(tǒng)計，目前國內(nèi)投運的鋰離子電池儲能項目中，磷酸鐵鋰電池占據(jù)了98%以上的份額。鋰離子電池?zé)崾Э貢r會釋放H2、CO、CH4等多種易燃易爆氣體，安全隱患較大。特別是在儲能系統(tǒng)中，電池單體按特定要求經(jīng)串并聯(lián)連接后組成模組集中使用。一旦單個電池發(fā)生熱失控，所釋放的熱量可能會造成整個模組熱失控傳播。同時釋放的可燃氣體在儲能箱體封閉空間內(nèi)聚集，甚至可能導(dǎo)致整個儲能電站發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故。
在儲能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的同時，國內(nèi)外的儲能事故也屢見不鮮，安全已成為制約儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸之一。明確儲能安全標(biāo)準(zhǔn)要求，提升儲能準(zhǔn)入門檻，避免惡性儲能事故，已成為儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本需求?；诖耍竟ぷ魍ㄟ^對主要的儲能安全標(biāo)準(zhǔn)對比研究，指出國內(nèi)現(xiàn)行儲能安全標(biāo)準(zhǔn)亟待解決的問題，并對儲能安全標(biāo)準(zhǔn)的完善提出參考建議，旨在促使儲能系統(tǒng)安全建設(shè)運行。
1 近兩年儲能安全事故
根據(jù)CNESA不完全統(tǒng)計，近十年全球儲能安全事故發(fā)生60余起。2021年全球儲能市場爆發(fā)，大規(guī)模儲能項目越來越多，單個儲能項目規(guī)模越來越大，儲能安全隱患也隨之增大。截至目前，2021年、2022年全球共發(fā)生18起儲能項目事故(表1)，其中北京豐臺大紅門儲能項目事故發(fā)生起火爆炸，澳大利亞維多利亞特斯拉大電池儲能項目持續(xù)燃燒4天，美國亞利桑那Chandler電池儲能項目事故持續(xù)噴淋12天才控制住，消防救援時除采用水控制火勢之外，沒有其他更有效的措施。
表12021—2022全球儲能事故
注：不包括戶用儲能事故；項目信息來源：CNESA全球儲能數(shù)據(jù)庫。
從項目狀態(tài)來看，投運1年及以上的事故10起，投運不足1年的2起，運輸中1起，建設(shè)調(diào)試中的3起，其余2起狀態(tài)未知；從電池類型來看，其中三元鋰離子電池事故最多，共11起，磷酸鐵鋰5起，其余2起電池類型未知。
很多事故的直接起因并不一定是電池，但鋰離子電池是導(dǎo)致事故發(fā)展難以控制的關(guān)鍵因素。目前相關(guān)的電池標(biāo)準(zhǔn)僅針對新電池，而安全事故往往是在運行過程中發(fā)生。電池隨著運行發(fā)生老化，性能衰減，電池間不一致性不斷加大，安全風(fēng)險也在不斷增大。此外近兩年事故還包括建設(shè)中、調(diào)試中、運輸中的儲能項目，這些都對相關(guān)的安全要求提出了需求。
公開的事故調(diào)查報告也表明，當(dāng)前為有效預(yù)防儲能事故、控制事故危害，需要進一步規(guī)范儲能的選址布局，明確儲能設(shè)計、施工、驗收等要求。針對儲能系統(tǒng)安全，除了關(guān)注電池安全之外，還需要從電氣安全、系統(tǒng)集成、監(jiān)控、事故預(yù)警、滅火和應(yīng)急措施等不同層面加以改進。
2 儲能安全標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀
國際電工委員會(IEC)成立了TC120負責(zé)制定儲能相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。美國和中國儲能市場大、應(yīng)用場景復(fù)雜和需求多樣，儲能相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)推進較快，歐洲、日本、韓國等更多直接等同或修訂采用IEC標(biāo)準(zhǔn)。
2.1 IEC儲能安全標(biāo)準(zhǔn)
IEC TC120成立于2012年，主要關(guān)注所有能夠儲存、釋放電能的儲能技術(shù)，以及儲能系統(tǒng)與電力系統(tǒng)之間的互聯(lián)。TC120下設(shè)5個工作組分別負責(zé)術(shù)語、性能參數(shù)、規(guī)劃建設(shè)、環(huán)境和安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。表2為目前TC120制定的儲能安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
表2IEC TC120制定的電力儲能系統(tǒng)安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
IEC 62933-5明確了接入電網(wǎng)的儲能系統(tǒng)全生命周期過程中的安全注意事項，提供了儲能系統(tǒng)的危險因素、風(fēng)險評估和降低危害的必要措施以及相應(yīng)的測試驗證。
除TC120外，IEC堿性和非酸性蓄電池分技術(shù)委員會TC21/SC21A是制定鋰離子電池相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)最主要的組織。表3為SC21A制定的儲能相關(guān)的鋰離子電池安全標(biāo)準(zhǔn)。
表3IEC SC21A制定的鋰離子電池安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
IEC 62619涵蓋了各種工業(yè)設(shè)備用鋰離子電池和電池組的基本安全要求，通過外部短路、撞擊、跌落、熱濫用、過充電、強迫放電、內(nèi)部短路、熱失控蔓延等試驗來對電池安全進行評估，并需要通過功能安全測試來驗證電池系統(tǒng)的過充電流保護、過充電壓保護、過溫保護功能可靠性。此外在最終的應(yīng)用時需要滿足相應(yīng)的電氣安全、電磁兼容要求。
IEC 63056在IEC 62619的基礎(chǔ)上，規(guī)定了最大直流電壓不超過1500 V的電能存儲系統(tǒng)的附加要求和特殊要求，增加了異常高溫、反接保護、過放保護、運輸安裝時的電氣絕緣和短路保護以及安裝運維時的跌落等測試要求。圖1為IEC 63056適用范圍示意圖
圖1IEC 63056標(biāo)準(zhǔn)適用范圍
2.2 美國儲能安全標(biāo)準(zhǔn)
為解決儲能安全問題，美國能源部(DOE)2014年發(fā)布儲能安全戰(zhàn)略規(guī)劃，并于2015年成立儲能安全工作組。標(biāo)準(zhǔn)工作組是儲能安全工作組下設(shè)的三個工作組之一，主要推動和協(xié)調(diào)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)制定機構(gòu)(SDO)制修訂儲能安全相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。DOE通過項目支持儲能相關(guān)研發(fā)，并與SDO合作，填補儲能標(biāo)準(zhǔn)空白。
美國儲能標(biāo)準(zhǔn)主要覆蓋儲能項目建設(shè)、儲能系統(tǒng)、儲能技術(shù)本體和關(guān)鍵設(shè)備等層級，與儲能安全相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要有下列標(biāo)準(zhǔn)。
美國消防協(xié)會(NFPA)制定的NFPA 855“Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems”2019年正式發(fā)布，規(guī)定了電池儲能系統(tǒng)部署要求，列出了各種儲能項目設(shè)計和安裝注意事項，包括不同場所中的間距、消防裝置、通風(fēng)以及相關(guān)的防火等要求。
美國保險商實驗室(underwrites laboratories，UL)制定的UL 9540和UL 9540A目前已成為所有電池儲能系統(tǒng)安全保證的基礎(chǔ)測試標(biāo)準(zhǔn)。NFPA 1“Fire Code”、NFPA 70“National Electrical Code (NEC)”以及International Code Council (ICC)制定的“International Fire Code”等要求儲能系統(tǒng)必須通過UL 9540認證。UL 9540“Energy Storage Systems and Equipment”第一版2014年發(fā)布，2020年發(fā)布第二版，涵蓋了電化學(xué)儲能系統(tǒng)、機械儲能系統(tǒng)和儲熱系統(tǒng)的建設(shè)要求，并要求電池滿足UL 1973標(biāo)準(zhǔn)，逆變器等滿足UL 1741標(biāo)準(zhǔn)。
UL 9540A“Test Method for evaluating Thermal Runaway Fire Propagation in Battery Energy Storage Systems”是評估電池?zé)崾Э靥匦缘臏y試方法，通過測試熱失控下產(chǎn)生的各種氣體的濃度以及燃燒速率、爆炸壓力等來評估火災(zāi)、爆炸的危害。NFPA 855等標(biāo)準(zhǔn)中要求電池容量、距離等超出限制時，需要向監(jiān)管部門提供UL 9540A的測試結(jié)果。
UL 1973“Batteries for Use in Stationary，Vehicle Auxiliary Power and Light Electric Rail (LER) Applications”對電池的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要求、電氣試驗、機械試驗、環(huán)境試驗、銘牌標(biāo)識、用戶手冊、出廠測試要求等作出了規(guī)定，并在附錄中給出了零部件應(yīng)符合的標(biāo)準(zhǔn)以及高溫鈉電池、液流電池測試要求。
UL 1741“Inverters，Converters，Controllers and Interconnection System Equipment for Use With Distributed Energy Resources”覆蓋了光伏并網(wǎng)逆變器、儲能并網(wǎng)變流器、光儲并網(wǎng)逆變器、DCDC變流器和快速關(guān)斷設(shè)備等產(chǎn)品，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要求、人身危害風(fēng)險防護、輸出功率特性和電網(wǎng)適應(yīng)性、安全性能、標(biāo)識、出廠測試等作出了規(guī)定，并在附錄中明確基于IEEE 1547、IEEE 1547.1的附加驗證要求。
IEEE 1679“IEEE Recommended Practice for the Characterization and evaluation of Energy Storage Technologies in Stationary Applications”為不同的儲能技術(shù)提供了一個統(tǒng)一的性能、壽命和安全的評估方法，主要包括能量效率、自放電性能、存儲性能、日歷壽命等性能要求，老化和失效機制以及安全設(shè)計、標(biāo)識要求、使用和濫用等安全考慮，有助于儲能開發(fā)商、用戶等來評估和比較不同的儲能技術(shù)和產(chǎn)品。
2.3 國內(nèi)儲能安全標(biāo)準(zhǔn)
全國電力儲能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(SAC TC550)2014年正式成立，負責(zé)電力儲能領(lǐng)域國家標(biāo)準(zhǔn)的管理，已形成覆蓋規(guī)劃設(shè)計、設(shè)備及試驗、施工及驗收、并網(wǎng)及檢測、運行與維護、評價等方面的儲能標(biāo)準(zhǔn)體系[10]。目前與儲能安全相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要有：① GB 51048—2014《電化學(xué)儲能電站設(shè)計規(guī)范(修訂中)》；② GB/T 34120—2017《電化學(xué)儲能系統(tǒng)儲能變流器技術(shù)規(guī)范》；③ GB/T 34131—2017《電化學(xué)儲能電站用鋰離子電池管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》；④ GB/T 36276—2018《電力儲能用鋰離子電池》；⑤ GB/T 36558—2018《電力系統(tǒng)電化學(xué)儲能系統(tǒng)通用技術(shù)條件》；⑥ GB/T 40090—2021《儲能電站運行維護規(guī)程》；⑦ DB11/T 1893—2021《電力儲能系統(tǒng)建設(shè)運行規(guī)范》；⑧ 《電能存儲系統(tǒng)用鋰蓄電池和電池組安全要求(在編)》。
電池安全標(biāo)準(zhǔn)方面，GB/T 36276—2018規(guī)定了儲能用鋰離子電池的技術(shù)要求，其中包括電池過充、過放、絕緣、耐壓、短路、擠壓、跌落以及熱失控和熱失控擴散等安全要求。2021年底強制性國家標(biāo)準(zhǔn)《電能存儲系統(tǒng)用鋰蓄電池和電池組安全要求》正式立項，由中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院組織起草中。
儲能設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)方面，GB/T 36558—2018規(guī)定了儲能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率、充放電時間等性能要求以及保護、監(jiān)控、通信、計量等要求，GB/T 34120—2017規(guī)定了儲能變流器的功能和性能要求，GB/T 34131—2017規(guī)定了電池管理系統(tǒng)的功能和性能要求。
儲能建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)方面，最早的標(biāo)準(zhǔn)GB 51048—2014于2014年發(fā)布，規(guī)定了儲能電站的站址選擇、規(guī)劃布置、電氣、土建、通風(fēng)、給排水、消防等要求，目前仍在修訂中。儲能電站運維方面，GB/T 40090—2021規(guī)定了儲能電站的正常運行、異常運行及故障處理、維護等過程的技術(shù)要求。為滿足北京市儲能項目安全建設(shè)需求，2021年12月28日北京市地方標(biāo)準(zhǔn)DB11/T 1893—2021《電力儲能系統(tǒng)建設(shè)運行規(guī)范》正式發(fā)布，以“事前預(yù)防為主、安全監(jiān)控為輔”為原則，明確了儲能系統(tǒng)設(shè)計、施工、驗收、運行維護及退役和應(yīng)急處置要求。
與IEC、美國等儲能安全標(biāo)準(zhǔn)對比，國內(nèi)儲能建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)GB 51048—2014制定已有8年，有待修訂；針對儲能應(yīng)用的電池安全標(biāo)準(zhǔn)仍在制定中，儲能系統(tǒng)相關(guān)的電氣安全、功能安全、電池?zé)崾Э芈印⒒馂?zāi)試驗等相關(guān)要求有待進一步明確。
3 儲能安全標(biāo)準(zhǔn)亟待解決的問題
從2011年美國夏威夷發(fā)生儲能事故以來，儲能事故已伴隨儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展十多年。儲能安全一直被行業(yè)所重視，但從未得到根本解決。要確保儲能安全，首先要從設(shè)計建設(shè)之初詳細考慮各種安全風(fēng)險因素和應(yīng)對措施，其次是在投運階段做好運維監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患并加以解決。
3.1 設(shè)計建設(shè)
GB 51048—2014《電化學(xué)儲能電站設(shè)計規(guī)范》對鋰離子電池火災(zāi)危險性客觀認識不足，而大量研究表明鋰離子電池的火災(zāi)危險性較高，同時由于熱失控產(chǎn)生大量的易燃易爆氣體，存在爆炸危險。儲能的設(shè)計建設(shè)有待根據(jù)不同儲能技術(shù)的安全風(fēng)險，進一步明確相關(guān)的選址、布局、通風(fēng)、排煙防爆和消防安全等要求以及相應(yīng)的施工建設(shè)要求，以指導(dǎo)儲能項目建設(shè)，以及監(jiān)管部門、用戶等對儲能項目的評估。此外根據(jù)韓國儲能火災(zāi)調(diào)查報告電氣絕緣故障是造成事故的重要因素，有必要進一步明確儲能系統(tǒng)電氣安全要求以降低火災(zāi)隱患。
3.2 運輸
在鋰電池運輸安全方面，UN 38.3作為國際通行標(biāo)準(zhǔn)，明確了鋰電池運輸狀態(tài)條件的一系列測試要求，包括高度模擬、熱測試、振動、沖擊、55 ℃外短路、撞擊試驗、過充電試驗、強制放電試驗等?！秶H海運危險貨物規(guī)則》(IMDG Code)將儲能電池集裝箱等類似產(chǎn)品歸類為UN3536，并執(zhí)行SP389要求。目前針對成套儲能系統(tǒng)的運輸，還未有其他的明確要求。
3.3 運維
鋰離子電池在使用過程中會發(fā)生衰減，為避免事故，需要對電池進行實時監(jiān)測，準(zhǔn)確計算電池健康狀態(tài)。通過對電池的健康狀態(tài)、容量、溫度、釋放氣體以及儲能系統(tǒng)的環(huán)境溫度、告警信息等運行狀態(tài)實時監(jiān)測和評價，對各種潛在風(fēng)險進行早期預(yù)警并及時處理，有望實現(xiàn)儲能“零事故”。部分儲能事故是在系統(tǒng)投運一段時間后發(fā)生，證實了有待進一步明確儲能系統(tǒng)運維監(jiān)測相關(guān)要求。
3.4 消防安全
儲能相關(guān)電力設(shè)備可以參考DL 5027《電力設(shè)備典型消防規(guī)程》進行消防安全管理，確定防火滅火措施，但是針對鋰離子電池的防火滅火，目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求沒有給出明確措施，可能導(dǎo)致實際項目難以執(zhí)行。國家標(biāo)準(zhǔn)《電化學(xué)儲能電站安全規(guī)程》征求意見稿中對于滅火介質(zhì)要求絕緣、降溫，能夠撲滅火災(zāi)且防止復(fù)燃，但從國內(nèi)外事故和相關(guān)研究來看，傳統(tǒng)的干粉、七氟丙烷、全氟己酮、CO2等滅火劑難以滿足該需求，3M公司在2017年8月對NFPA 855委員會表示其氣體滅火劑Novec 1230無法有效預(yù)防、阻止鋰離子電池?zé)崾Э?。此外針對儲能模組、儲能柜、儲能集裝箱等不同尺寸級別的火災(zāi)特性有待進一步研究，這些相應(yīng)的相關(guān)要求都有待進一步明確以便于落地執(zhí)行。
3.5 應(yīng)急救援
2019年美國亞利桑那儲能事故、2021年北京大紅門儲能事故發(fā)生人員傷亡、2021年澳大利亞儲能事故連燒4天、2022年美國亞利桑那儲能電站事故持續(xù)兩周，這些事故引發(fā)了社會廣泛關(guān)注。鋰離子電池一旦發(fā)生熱失控，滅火非常困難；此外儲能項目中鋰離子電池布置方式導(dǎo)致消防水很難直接作用于事故電池。有效的滅火手段和應(yīng)對措施仍有待行業(yè)研究。
3.6 退役回收
鋰離子電池儲能退役如果處置不當(dāng)可能會帶來兩大問題：一是環(huán)境污染；二是存在嚴重的安全隱患。工信部發(fā)布的《新能源汽車廢舊動力蓄電池回收利用管理暫行辦法》《新能源汽車廢舊動力蓄電池回收利用溯源管理暫行規(guī)定》和《新能源汽車廢舊動力蓄電池綜合利用行業(yè)規(guī)范條件》，要求對動力蓄電池全生命周期過程實施監(jiān)測，建立動力蓄電池回收渠道和溯源管理平臺。未來儲能電站的退役可借鑒動力電池退役相關(guān)要求，但回收過程中電池運輸、貯存以及后期處理的安全風(fēng)險仍有待研究。
4 結(jié)論
儲能產(chǎn)業(yè)處于爆發(fā)式發(fā)展時期，儲能技術(shù)更新迭代較快，儲能應(yīng)用不斷創(chuàng)新，但儲能安全問題依舊突出。為進一步支撐儲能產(chǎn)業(yè)的安全發(fā)展，推進儲能安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制修訂，本工作歸納對比了IEC、美國和國內(nèi)主要儲能安全標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)地分析和比較了各標(biāo)準(zhǔn)特點。同時，通過對近兩年典型儲能事故進行統(tǒng)計梳理，分析了儲能安全標(biāo)準(zhǔn)亟待解決的問題，總體有以下建議：
（1）監(jiān)管部門應(yīng)優(yōu)先推動制定儲能安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在沒有可靠解決方案的情況下，從做好安全監(jiān)控、事故預(yù)防和危害控制等方向適當(dāng)提高安全準(zhǔn)入要求，減少事故發(fā)生，杜絕重大事故；
（2）盡快推動儲能電站設(shè)計規(guī)范、鋰離子電池安全標(biāo)準(zhǔn)出臺，從源頭為儲能項目的安全建設(shè)提供指導(dǎo)，針對實際項目中難以落地的要求加快推進相關(guān)研究，支持標(biāo)準(zhǔn)未來進一步的更新完善；
（3）鼓勵儲能產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)從市場需求出發(fā)，從不同層面不斷提升儲能本質(zhì)安全和防護安全水平，大力支持儲能安全研究，為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂提供實際數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，推動標(biāo)準(zhǔn)的落地應(yīng)用；
（4）儲能產(chǎn)業(yè)和監(jiān)管部門應(yīng)鼓勵對儲能事故公開討論，分析研究事故原因，充分總結(jié)事故經(jīng)驗，并在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制修訂中充分考慮，避免重蹈覆轍，同時積極引入保險為儲能產(chǎn)業(yè)未來的快速發(fā)展做好保障；
（5）鼓勵出海企業(yè)積極參與相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)，做好國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)銜接，進一步推動國內(nèi)儲能產(chǎn)業(yè)安全、健康發(fā)展。相信未來在產(chǎn)業(yè)鏈各方共同努力下，儲能安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不斷完善，儲能將會迎來更為廣闊的應(yīng)用前景。
