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储能消防事故推动政策重视 多家企业布局助力储能消防产品不断升级

一、电化学储能的安全性隐患带来储能消防行业的出现与发展

储能是指通过介质或设备把能量存储起来,在需要时再释放的过程。目前市场上主流的储能方式包括物理储能和电化学储能。虽然目前从占比来看,我国储能行业中物理储能占据绝大部分比重,但由于其对环境、地理地质条件的较高要求,极大地制约了相关技术的推广与应用;而反观电化学储能技术,随着技术的不断进步,其单位成本不断下降,而能量密度高、易于商业推广等优点推动着我国电化学储能行业的快速发展。因此,对于我国未来储能行业的发展而言,将更多依靠电化学储能带来的新兴增长。

但在电化学储能快速发展的同时,电化学储能所暴露出来的安全性缺点需要引起重视。由于电化学储能属于能量高度密集的化学集成设备,若出现过充、过放、过流、热失控和内部短路等电池滥用情况,易导致电池内部热量积聚,一旦超过临界点即会产生热失控。并且热失控传播迅速,会在电池模块、电池柜、乃至储能电池舱间传播,电池燃烧时释放的可燃气体将进一步延长燃烧时间,增加扑灭难度,甚至造成爆炸,最终导致严重的经济和人员损伤。

电化学储能应用场景

资料来源:派能科技招股书

为防止或减轻电化学储能的安全性隐患带来的损失,储能消防领域逐渐成为储能电站建设的关注重点,而目前锂电池储能作为电化学储能的主流技术,则是储能消防的重中之重。现阶段,我国储能电站的安全的三道防线可以分为:锂离子电池本体材料安全性、储能系统火灾预防以及火灾快速反应机制。储能消防主要针对第二道与第三道防线。

电化学储能电站的三道安全防线

<strong>电化学储能电站的三道安全防线</strong>

资料来源:观研天下数据中心整理

二、储能消防事故推动政策重视,储能电站带动消防需求不断增长

(一)储能电站火灾事故多发,生命财产损失巨大

1、锂电池储能的热失控成为储能电站火灾事故主要原因

锂电池(三元、磷酸铁锂)热失控主要由电滥用、热滥用和机械滥用引起。电滥用包括过冲、过放、强制放电、高放电倍率;热滥用包括外部加热、过热;机械滥用包括穿透、碰撞、抛下、震动、浸没,外部滥用是导致电池热失控的直接原因。

锂电池热失控过程:在各种滥用作用下电池内部温度升高出现SEI膜分解(~80°)→阳极与电解质发生反应(~100°)→电解质分解产生可燃气体(~110°)→电池内部压力增加(~120°)→隔膜融毁(~135°)→阴极发生化学反应(~200°);锂电池外部表现为气体逸出→安全阀破裂→着火→爆炸。整个过程发生一系列复杂化学反应,温度不断升高,放热速率越来越快,内部发生大规模短路,热量快速集聚触发热失控。

单个电池发生热失控后容易导致多米诺骨牌效应。单个锂电池着火后,在热滥用的作用下电池模组内部相邻电池也相继发生热失控,整个电池模组和电池簇会被点燃,最终导致储能电站出现火灾甚至爆炸。

单个电池热失控引发多米诺骨牌效应

<strong>单个电池</strong><strong>热失控引发</strong><strong>多米诺骨牌效应</strong>

资料来源:ARIZONA PUBLIC SERVICE

2、近年来全球储能电站火灾事故多发带来巨大的生命财产损失

2017年至今全球至少发生39起储能电站火灾事故。据不完全统计,2017年至今全球储能电站项目至少发生了39起火灾事故,其中,韩国34起、中国2起、比利时/美国/澳大利亚各1起。

火灾事故至少造成12人伤亡,损失数亿元。2019年美国亚利桑那州(APS)储能项目造成8位消防员受伤,2021年北京国轩福威斯光储充项目造成2位消防员牺牲,1位值班员工遇难,1位消防员受伤。韩国34起事故中的前32起储能电站火灾共造成466亿韩元(约合人民币2.49亿元)财产损失。

2017-2022全球部分储能电站火灾情况

时间

地点

储能技术

用途

事故类型

2017.5

中国山西

三元锂电池

调频

充电后休止

2017.11

比利时

锂离子电池

-

-

2017.7-2022.1

韩国(34起)

三元锂电池

太阳能、风电、调频、需求响应

主要为充电后等待中

2019.4

美国亚利桑那

三元锂电池

需求响应

-

2021.4

中国北京

碳酸铁锂

光储充

充电中

2021.7

澳大利亚

锂电池

需求响应

安装调试

资料来源:北极星储能网,观研天下数据中心整理

(二)储能电站消防安全标准体系不断完善,行业标准趋严

 根据观研报告网发布的《中国储能消防行业发展趋势分析与投资前景调研报告(2022-2029年)》显示,近年来,随着我国电化学储能的不断发展与商业应用,政府与行业协会对于我国储能电站消防安全的重视程度不断提高,相关安全标准体系不断完善,政策体系要求不断趋严。

在安全标准体系建设方面,2021年底《电化学储能电站安全规程》征求意见完成,相对于2014年《电化学储能电站设计规范》在消防安全方面规定更加严格:

(1)新增要求储能电站要实现PACK级别探测:规范规定储能电站每个电池模块宜单独配置探测器。

(2)新增要求储能电站要安装需具备火灾识别功能的视频监控系统,并与火灾报警报警系统联动。

(3)新增对火灾灭火剂性能提出要求:规范要求储能电站灭火要以电池模组为单位,灭火介质具有良好的绝缘性和降温性能,能扑灭电池火灾和电气设备火灾,且防止复燃。

新旧电化学储能电站安全标准对比

时间

规范名称

火灾自动报警系统

不同类型探测器

视频监控系统

PACK级别探测及灭火

自动灭火是否要求实现远程控制

灭火剂选择是否要求防止火灾复燃

2014

《电化学储能电站设计规范》

2021

《电化学储能电站安全规程》(待发布)

资料来源:观研天下数据中心整理

在法律法规制定方面,2021年12月30日国家将电化学储能设施消防安全纳入《“十四五”国家应急体系规划》,作为安全生产攻坚重点。

2022年2月10日国家发改委、能源局印发《“十四五”新型储能发展实施方案》,相较于2021年7月发布的《关于加快推动新型储能发展的指导意见》,新政策细化了储能安全标准体系的具体覆盖内容,如加快制定消防灭火标准,明确了储能安全技术突破方向,如突破电化学系统安全预警、高效灭火技术等等,为储能大规模装机及稳定安全运行创造有利条件。

我国储能安全政策梳理

时间

政策

主要内容

2021.7

《关于加快推动新型储能发展的指导意见》

提出健全储能技术标准及管理体系。按照储能发展和安全运行需求,发挥储能标准化信息平台作用,统筹研究、完善储能标准体系建设的顶层设计,开展不同应用场景储能标准制修订,建立健全储能全产业链技术标准体系,推动建立储能设备制造、建设安装、运行监测的安全管理体系。

2021.12

《“十四五”国家应急体系规划》

将电动汽车、电动自行车、电化学储能设施等新产业新业态的消防安全列入安全生产治本攻坚重点

2022.2

《“十四五”新型储能发展实施方案》

1)基本原则:立足安全、规范管理。加强新型储能安全风险防范。明确新型储能产业链各环节安全责任主体,建立健全新型储能技术标准、管理、监测、评估体系、保障新型储能项目建设运行的全过程安全。

2)安全技术突破方向:突破电池本质安全控制、电化学储能系统安全预警、系统多级防护结构及关键材料、高效灭火及防复燃、储能电站整体安全性设计等关键技术,支撑大规模储能电站安全运行。

3)相关重点标准:储能电站安全设计、安全监测及管理、消防处理、安全应急系统并网、设备试验检测、电化学储能循环寿命评价、退役电池梯次利用等。

4)安全标准覆盖内容:针对不同技术路线的新型储能设施,研究制定覆盖电气安全、组件安全、电磁兼容、功能安全、网络安全、能量管理、运输安全、安装安全、运行安全、退役管理等全方位安全标准。加快制定电化学储能模组/系统安全设计和评测、电站安全管理和消防灭火等相关标准。

资料来源:观研天下数据中心整理

(三)电化学储能装机量不断增长是储能消防行业发展的需求来源

近年来,我国电化学储能行业快速发展,随着技术进步以及单位成本的不断下降,我国电化学储能行业的商业化程度不断提升,累计装机量不断增长,为我国储能消防行业发展提供了稳定的需求支撑。

截至2021年底,中国电化学储能市场累积装机功率规模为5.43GW,同比增长66.06%,新增电化学储能累积装机功率规模达到2.16GW,首次突破2GW。

截至2021年底,中国电化学储能市场累积装机功率规模为5.43GW,同比增长66.06%,新增电化学储能累积装机功率规模达到2.16GW,首次突破2GW。

资料来源:观研天下数据中心整理

三、储能消防产品不断升级,消防企业纷纷进场布局

(一)产品:火灾发生前以热失控系统为重,火灾发生时追求灭火响应时间

1、热失控预警:储能电站消防安全的前置防线

热失控预警是储能电站安全的前置防线。主要针对前文所述储能电站三道安全防线中的第二道防线—储能系统火灾预防,预防的重点是强调过程安全,通过监控锂电池运行过程中的安全状态,在锂电池发生异常时及时进行预警,争取将火灾遏制在发生之前或者发生初期。具体来讲,热失控预警作用即是在火灾前通过与BMS系统联动在发生热失控时切断电源,如果模组内部发生火灾会触发灭火系统并进行pack级别灭火,阻止火灾进一步蔓延。相较于火灾报警系统,热失控预警针对的是火灾发生前,对锂电池内部化学物理参数进行探测,判断热失控是否发生,一旦发生就可以立即采取措施,相较于火灾报警,火灾预警系统是阻止火灾进一步蔓延的重要措施。

目前,热失控探测需要借助传感器,将探测到的物理信号转变为电信号进行传输,传感器属于火灾预警系统的前端触发设备,是集成了物理传感技术、自动控制、计算机技术、数据传输等技术的高附加值产品,在技术含量和生产工艺方面均存在较高的技术壁垒。

2、灭火技术:储能电站火灾消防的快速反应机制

灭火技术主要针对的是储能电站消防安全三道方向中的最后一道防线,即火灾快速反应机制,是在火灾发生后阻隔其蔓延,并进行灭火、防复燃的关键所在。而对于灭火技术来讲,现阶段消防实测中,水降温效果最好,七氟丙烷灭火响应时间最短,水、全氟已酮、七氟丙烷等介质均可以扑灭火灾并阻止复燃。在实验中,5种灭火剂明火消失时间均小于2秒,只有CO2灭火剂出现了复燃情况,在降温方面,水的降温效果最好,电池表面温度上升率最低。

采用高压细水雾灭火,压强越大,温度下降的速度越快,灭火时间越短。在高压细水雾对电池模组灭火的实验中,无灭火措施的情况下,火灾继续扩大,温度不断上升,在A处出现明火60秒后释放不同压强细水雾,火灾温度立马下降,在2Mpa和6Mpa压强下持续喷10分钟以上可以有效扑灭锂电池火灾并阻止复燃。

不同灭火剂的灭火效果

灭火剂

七氟丙烷

二氧化碳

ABC干粉

全氟已酮

明火消失时间/S

2

2

2

2

2

灭火剂响应时间/S

1

1

3

2

2

灭火剂释放时间/S

13

13

9

13

10

是否复燃

复燃时间

-

灭火剂停止释放后1s

-

-

-

复燃后燃烧时间/S

-

58

-

-

-

电池表面温度上升率

2.57℃/s

6.14℃/s

4.40℃/s

2.11℃/s

2.53℃/s

资料来源:观研天下数据中心整理

(二)企业端:青鸟消防一枝独秀,国安达开始追赶

目前,我国国内消防企业中,对于储能消防进行布局的代表企业为青鸟消防股份有限公司与国安达股份有限公司。

1、青鸟消防股份有限公司

青鸟消防作为消防报警行业龙头,目前正致力于在储能消防整体解决方案领域成为龙头企业。2021年青鸟消防已中标美国Broad Reach Power独立发电商项目、多规格储能集装箱气体灭火系统项目等。

在储能消防领域,青鸟消防目前对于储能电池模组的解决方案的核心思路在于针对电池模组进行精准消防探测、聚焦式灭火:在精准探测方面,发挥“朱鹮”芯片、感温/感烟/气体探测三位一体的跨界、复合型能力,打造出小型化的集约型探测器,前置/内置于电池模组内,只有这样才有可能早发现、早行动、早隔离,精准的探测到具体的电池模组;在灭火端,采用将气体灭火与高压细水雾等产品相配套的复合型方案,以防止复燃。

青鸟消防在储能消防领域的布局

项目

措施

锂电池热失控探测技术

在精准探测方面,发挥“朱鹮”芯片、感温/感烟/气体探测三位一体的跨界、复合型能力,打造出小型化的集约型探测器,前置/内置于电池模组内,只有这样才有可能早发现、早行动、早隔离,精准的探测到具体的电池模组。

灭火技术内容

第一种方案:采用七氟丙烷灭火系统(舱级)+细水雾灭火系统(舱级)。发生火灾后,先喷放七氟丙烷进行全淹没灭火,再启动细水雾灭火系统进行局部灭火、并冷却降温,细水雾喷放时每个电池模块的细水雾喷头均会同时喷雾,可有效扑灭明火和抑制复燃。第二种方案:柜式七氟丙烷灭火装置+高压细水雾灭火装置(簇级)。发生火灾后,先喷放七氟丙烷进行全淹没灭火,再打开对应簇及其相邻簇的细水雾分区控制阀,进行局部灭火、并冷却降温,细水雾喷放时相应电池簇的每个电池模块细水雾喷头均会喷雾,可有效扑灭明火和抑制复燃,同时簇级的高压细水雾设置可降低火灾损失。

资料来源:观研天下数据中心整理

2、国安达

目前,国安达在储能消防领域的布局暂时落后于青鸟消防,但仍处于行业领先位置。目前国安达储能消防产品正在进行小批量试点应用。在2022年发展规划中,国安达将储能消防业务定义为重点布局业务,也显示出国安达对于储能消防领域的持续看好。

具体产品层面,国安达的锂电池储能柜火灾防控和惰化抑爆系统产品可应用于储能电站等特殊领域的消防安全防护。其储能消防产品的主要竞争优势有:使用自主研发的多组份混合灭火剂,灭火效能更好、环保性更强、性价比更高,可持续抑制、惰化抑爆;灭火产品做到了PACK电芯级,能够深入到电芯内部探测锂电池内部化学成分的变化,由芯片对各种参数的变动情况进行分析计算,从而判断是否启动灭火措施,能够较早期地干预火灾的发生,阻止锂电池热失控扩展及储能柜爆炸的发生,进行点对点、精准灭火;同时,国安达凭借近十年锂电池消防技术的沉淀,在产品研发时就与储能及锂电池厂商共同合作,直接与客户的电池参数对接,生产出来的产品专用性更强,不容易被替代。(wqf)

国安达在储能消防领域的布局

项目

措施

锂电池热失控探测技术

采用非温感探测技术,能够实现较早期干预火灾的发生。

灭火技术内容

采用比全氟己酮、七氟丙烷灭火效能更高、环保性更强、性价比更高的多组份混合灭火剂,持续抑制,惰化抑爆。

资料来源:观研天下数据中心整理(WQF)

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