10月12日-13日，瑞港消防受邀参加CFIC2024中国消防安全产业大会。会议中，欧盟科学院院士、中国科学技术大学教授孙金华发表主题演讲《新型储能产业发展与消防创新》。
欧盟科学院院士、中国科学技术大学教授孙金华
瑞港消防将持续创新，为新型储能产业发展与消防安全赋能
新型储能
要实现双碳目标的话，依靠我们现在传统的能源结构肯定是不行的。目前，我们的能源结构中燃煤占比56%左右，这是一个高碳的现状，是没法实现双碳目标。因此，必须要进行新能源革命，要发展以可再生绿色能源为主体的，像光伏、风能、水电能等等一些能源。对于这些可再生的新型能源，它最大的问题是随机性、波动性和间隙性，要解决这样一个问题，我们必须大力发展储能产业。从我们国家目前的储能产业来讲，主要还是以抽水蓄能为主，电化学储能次之，后面还有一些极少部分的，像压缩空气储能、机械储能等等。未来，根据用能场所的需求（有不同的储能发展），比如是调频调幅，还是应急电源，还是长期供能等等，未来是电化学储能、氢气储能、抽水蓄能并举的局面。
这几年电化学储能得到了迅猛发展。2018年作为我国电化学储能的元年，首次装机规模超过了GW；从2019年到到2023年底，基本上增长是指数式地增长。举个例子，2022年和2023年，连续两年单年新增装机规模超过前面所有年份总和。从这个增长态势来看，我认为如果储能不降价，2025年前或许会实现万亿产业。未来的发展趋势将一如既往的、还会是一个高的增长态势，到2027年累计装机规模保守估计将达到97个GW，乐观估计将达到138.4GW，有望在2030年左右实现万亿产业。从现在新型储能、电化学储能的发展来讲，总体还是呈现一锂独大的局面，主要的新型储能以锂离子电池为主体，它占到了97.3%。“一锂独大”的局面并不是好事，一锂独大不如百花齐放，为什么呢？我们国家的锂资源占全球的7%，其中优质资源只有4%，但是我们消费了全球70%的锂资源，更有80%要依赖进口，容易形成“卡脖子”的局面。所以我们必须要对锂资源进行有序使用，并且发展一些新型的电池，比如钠电池、液硫电池等等，实现多点开花的局面。
现在的技术制造出来的锂离子电池，对于单体电池来说，是足够安全的。它的失效概率大概是千万分之一到万万分之一。对单体电池很安全，但对于储能电站就不一样了，因为大型的储能电站往往是有几万甚至几十万个电池组成，它的累积概率就会很大，而且储能电站一旦形成了电池的系统，它一系列的电气故障又来了，会进一步增加它火灾发生的概率。
储能电站由于电池规模大，事故后果也会更为严重。据有关储能电站火灾的统计，像韩国在一个阶段里面火灾发生概率达到1.5%，这样一个概率是非常高，或者也是不可接受的概率。包括发达国家美国，他在去年火灾发生的概率大概2.1%，也依然非常高。全球平均大概是在千分之四。我们国家储能电站的火灾概率在千分之四到六，这也是非常高的一个火灾概率。应该说安全已经成为电化学行业发展的一个痛点问题。
新型储能快速发展，传统消防难以满足它的消防安全需求。
储能电池热失控机理
锂离子电池的电池体系包含正极材料、负极材料、电解液、隔膜等。其中，电解材料多为金属氧化物，属于氧化剂，会分解产生氧气；电解液如碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯等以及隔膜等则为还原剂和可燃剂，且可能产生副反应并释放热量。如此一来，锂离子电池的材料满足了燃烧的三要素——氧化剂、可燃剂、热量。 关于锂电池着火的原因，首先从材料体系来看，对不同正极材料进行研究后发现，电池正极材料分解会释放大量热量，并伴随产生氧空位，使氧迁移并放出。在对电解液的系统分析研究中，对其危害性进行了比对和排序，同时得到了电解液分解的化学动力学特性和热力学特性参数。 在电池中，由于材料成体系存在，正极材料与电解液、负极材料与电解液都会发生反应。对于这些反应的激励机制、化学反应动力学及特征参数、放出的热量等方面，我们进行了系统研究。 最后，对整个电池材料体系进行研究。可以看到，该体系包含正极、负极、电解液、隔膜等，反应十分复杂。结合前面对于电池材料单体反应所获知识，再运用数学分析方法，可以将这个复杂反应进行解耦，分解为 A、B、C、D、E、F、J、H、I、G 等反应。从这些反应中，能够分辨出哪些是造成锂离子电池热失控的诱导反应，哪些是隔膜融化、焦耳热等物理过程产生的热量，以及哪些是诱导热失控反应最主要的诱导反应和决定电池热失控的主控反应。 最后，我们会得到这样一个图，厘清了锂离子电池热失控过程中的分阶段反应及主控反应。随着温度的变化，就可以看到不同的温度发生的反应，反应中产生什么气体、多少热量。到了50度以上，正极就会分解，分解正极会产生氧气，氧气和可燃气发生反应，再加上热量就会发生火灾。 从我们研究的角度来看，发生化学反应最低的温度也要80度，而我们正常的电池使用要求在45℃以下，常温到45℃是一个最佳的使用温度。那么，为什么会发生这个化学反应？发生这个化学反应的热量从哪里来？我们又对电池在充放电过程当中产生的热量进行了系统研究，比如说用0.1C充电、0.5C充电或者1C充电，不同的充放电倍率产生的热量是不一样的。举个例子，比如手机看视频时会发热，充电时也会发热，而且充电越快发热量越大。这些热量你如果不及时把它导走，就会产生热积累，使电池的温度升高，当电池的温度达到它发生化学反应的温度时，就会诱发化学反应。
消防创新
储能电站成为系统以后，它的输出电压是在1500伏到2500伏之间，这时候如果水大量浇上去，往往就会形成外短路使事故扩大化。对于初期火灾，我们一定要用电的不良导体的灭火药剂，而且这个灭火药剂要具有良好的降温效果，因为我们看到好像电池的火灾火是在外面，但是它的根源是在电池内部，所以我把电池外部的火给它扑灭了还不行，必须同时要把电池的温度降下来，把电池内部的化学反应降下来，甚至停止，这才实现灭火的目的。
◆ 智能高效
锂电火灾具有火势猛、蔓延快的特点，火灾初期灭火显得更加重要，智能、高效的消防系统必不可少。
◆ PACK级防护
锂电火灾的根源往往在电池内部，因此，采用PACK级消防方案，以单个电池包为保护单位、进箱式灭火是比较精细的解决方案。
◆ 绝缘灭火剂
火灾初期如果用大量水灭火，往往会形成外短路，使事故扩大化。而全氟己酮具有绝缘性，对于该类火灾具有非常强的针对性。
◆ 绿色环保
全氟己酮的臭氧损耗潜能值(ODP) =0，全球温室效应潜能值(GWP)=1，绿色环保。
新型储能新特点，需要结合电池的火灾特性，通过大量的实验来发展基于多参数融合的电池热失控火灾报警的技术和灭火方案，而且这些参数的阈值等都要通过大量的实践，不断优化。
综合资讯推荐
更多>>