2024电池储能设施场地的风险评估报告

Pierce, Vijay Raghunathan Stephen Jones, Carol Liffman, CarrieKaplan, Michael Kleinberg 白皮书 目录 执行摘要 03 1. 定义能源存储行业中的风险 10 1.1 当前储能产业定位111.1.1 工业部门比较121.1.2 车辆比较131.2 “风险”的概念131.3 识别和管理风险141.3.1 步骤 1：危害识别141.3.2 第2步：后果分析141.3.3 步骤 3：频率分析141.3.4 风险评估与缓解15 2. 锂离子电池故障风险及缓解措施 2.1 锂离子电池的常见故障场景182.2 后果分析192.2.1 有毒影响192.2.2 火焰辐射202.2.3 可燃性202.2.4 超压影响202.3 频率分析212.4 风险评估222.5 安全措施和最佳实践242.6 层级防护27 3. 结论 30 4. 参考文献 32 图表目录 图1-1 能源来源单位电力生产死亡人数 [4]12图 1-2 通用风险矩阵13图1-3 风险评估进程14图1-4 样本风险矩阵练习15图2-1 常见风险场景比较27图2-2 鱼骨图概览28图2-3-弓形简化的螺纹路径部分（图2-2的左侧）28图2-4-简化后的蝴蝶结后果路径部分（图2-2的右侧）29图3-1 比较未采取措施的BESS风险（A）和采取措施的BESS风险（B）31 表格目录 表 2-1常见锂离子电池故障与安全措施18表 2-2最大顺风距离（以8.5英尺释放点高度计，从源头起英尺数）的CO 19表 2-3火灾危害 - 地面以上3.3英尺高度的辐射水平（源自距离）20表 2-4LFL 在地面以上 8.5 英尺的高度（从源头起英尺）20表 2-5常见故障原因及故障频率（CCPS，参考文献[22]）21表2-6比较示例场景死亡率与英国HSE风险标准（无安全措施）的比较。24表 2-7常见的保障措施和故障概率24表 2-8比较示例场景死亡率与英国HSE风险准则（包括安全措施）的对比26表 2-9保障或障碍有效性行业类别27 摘要 评估电池储能系统的风险 电池在BESS中的故障很少见。锂离子电池的故障原因包括电气故障、机械故障、极端环境、热故障和人为错误。 近年来，对储能技术的兴趣急剧上升。随着世界实施巴黎协定（2015年在法国巴黎举行的联合国气候变化会议（COP21）通过），公用事业和能源供应商必须继续安全、公平地减少排放。电池储能系统1（BESS）因其对电力公司和其客户众多益处而日益受到欢迎。 与其它技术一样，BESS（电池能量存储系统）包含需要深思熟虑考虑的应用和风险。BESS中通常部署的锂离子电池含有在过热或受到其他滥用时可能燃烧或爆炸的材料，一系列火灾（尤其是来自消费产品的火灾）增加了对这些系统安全和有效性的担忧。 BESS可存储由可再生能源（通常是太阳能和风能）以及其他发电技术产生的大量能源，从而在长时间内实现可再生能源发电量的增加和成本节约。锂离子（Li-ion）电池彻底改变了我们为便携式电子设备和电动汽车等消费产品供电的方式。BESS有助于管理电力系统上的即时供需，替代燃料动力峰值发电厂（这些发电厂运行频率低，仅在系统需求高峰期间运行），并在设备故障时作为备用电源。 直到最近，有关电池事故的公开数据仍然有限。然而，DNV公司却进行了 numerous studies 以更好地理解锂离子电池为何会失效，以及哪些保障措施和最佳实践可以降低事故发生的可能性及事故后果的严重程度。 此外，我们在评估当BESS和其他设施超出预期运行条件（可能导致火灾）的场景时，评估了石油和天然气、公用事业和石化行业的数据。DNV使用这些来源、统计分析以及风险评估工具来估算灾难性电池故障的风险，包括有毒气体释放、火灾和爆炸。然而，我们没有根据已知的电池故障事件来分析故障或确定故障率。相反，我们提供了一个关于BESS失效的可能性和对工人以及公众影响的有无安全措施的定量评估。我们还与其他公众熟悉的行业和应用领域比较了BESS部门，以深化跨行业关于电池BESS安全性的讨论。 DNV 对来自20个不同制造商、容量从2安时（Ah）到300 Ah不等的大量电池单元进行了破坏性测试，以及数十项中大型测试和多次火灾及故障调查。破坏性测试是一种测试方法，其主要目标是故意损坏或摧毁一个组件、材料或产品，以评估其在极端条件下的性能、耐用性和故障特性。在锂离子电池测试中， 破坏性测试包括将电池单元置于过充、过放、短路、机械损坏和极端温度等条件下。这些测试有助于我们了解电池在火灾和其他故障条件下的行为。所得数据旨在指导制造商、系统设计师、安全专家和许可当局确定BESS设施所需的火灾和爆炸防护措施。 以下为DNV针对常见问题所作出的发现。 为什么锂离子电池变得如此流行？ 在众多储能方案中，锂离子电池因其高能量密度和降低的成本脱颖而出。尽管一些事故导致了对其的审查，但锂离子电池由于其应用范围广泛（从个人电子产品到电动汽车，再到静止式储能系统BESS），其在电力系统平衡供需方面的重要作用使得它仍然备受青睐。 各种国家，尤其是美国，积极追求提高储能部署的策略。这包括解决成本竞争力、监管框架和行业接受度等问题，其中加利福尼亚州、德克萨斯州和纽约州在储能系统（BESS）的部署方面处于领先地位。 为什么以及多经常在BESS中的锂离子电池会失效？ 电池在BESS（电池储能系统）中的失效较为罕见。锂离子电池的失效原因包括电气故障（例如，导致电池过充或过放的电池管理系统故障）、机械故障（例如，制造中使用有缺陷的材料）、极端环境（例如，电池暴露在设计温度以上的温度）、热故障（例如，冷却系统故障）和人为错误（例如，安装不当）。失效的类型也各不相同——失效可能意味着电池存储能量的能力下降，可能意味着电池停止工作，或可能意味着电池起火。本报告着重于与锂离子电池火灾相关的风险。 估算失败的可能性需要采用定性和定量两种方法。定性分析依赖于领域专家的专长。相比之下，定量分析利用历史可靠性数据或事件数据库来确定精确的故障率。DNV使用了来自各个行业的数据库，例如核能、公用事业、石油和天然气以及石化行业，并使用统计工具来定量估计故障的可能性。这些电池能量存储系统（BESS）组件故障率的数量级是一年一次到一百年一次。需要注意的是，这些是设备的故障率，而不是与故障相关的伤害或死亡率的比率。 电池锂离子电池故障的后果和严重程度是什么？ 后果分析评估了故障情景的严重性，采用定性专家知识和定量建模工具。通过使用我们的电池火灾测试数据和电池制造商的数据，我们评估了锂离子电池储能系统（BESS）故障对周边社区的有毒、易燃和热影响。我们的建模包括以下气体：氢气（H2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、甲烷以及低浓度的其他烃类（乙烷、乙烯和丙烷）。2 DNV 建立了一个例子，包含40个每个2兆瓦时（MWh）的电池储能系统（BESS）机柜，可储存/放电80兆瓦时电能。我们的模拟表明，在BESS机柜中心50英尺范围内，没有造成致命伤害或严重财产损失的影响发生。我们的分析包括适用于示例地点的相关大气条件。 风险有哪些？ 风险是两个组成部分的函数：事件发生的可能性（也称为概率或频率）和严重性（也称为影响）。如下面的方程所示： 风险 = 可能性 x 严重性 一个常用于报告石油化工行业风险的指标称为个体风险，它定义为在危害附近的人所面临的风险，以伤害的性质、伤害的可能性以及发生的时间跨度来衡量。它通常的报道方式是“每10,000年发生一次伤害/死亡。”DNV对工人和公众的风险进行了建模。根据我们对样本电池储能系统（BESS）设施估计，考虑到标准安全措施，估计每100,000年发生一次工人死亡（相当于每年10-5次死亡）和每1,000,000年发生一次涉及公众成员的死亡（相当于每年10-6次死亡）。英国健康与安全执行局（UK HSE）为可能导致每百万年死亡不超过一次的情景建立了工人和公众的“可接受风险”标准。如果事故发生不超过每1,000年一次，则认为涉及工人的死亡是“可容忍”的风险；如果情景发生不超过每10,000年一次，则认为对公众是“可接受”的。根据这些标准，我们模型化的BESS示例场地的风险对公众来说是普遍可接受的，对工人来说是可容忍的。此外，当将BESS故障风险与社会已经熟悉的背景事件进行比较时，风险是低的。 如何减轻锂离子电池的风险？ 当风险可容忍或更糟时，最佳做法是识别和安装额外的安全措施以进一步降低风险。纳入电池储能系统（BESS）的安全措施可减少电池故障事件的可能性和严重性。DNV在本研究中考虑的常见行业标准安全措施示例包括加热通风和空调单位（HVAC），这些单位控制电池柜中的温度和湿度，电池管理系统（BMS），保险丝和断路器，以及主动灭火。国家消防协会（NFPA）列出了其他防火要求，如爆炸控制和与公众的分离距离。既可防止故障又可减轻故障严重性的安全措施可以用蝴蝶结可视化表示。2以下是一个简化的示例，如下所示。在蝴蝶结可视化中，对于已识别的危险和事件（例如“一个BESS设施着火”），可视化识别了左侧的威胁和右侧的后果。防止威胁导致事件的障碍物显示在左侧，而降低事件影响的障碍物，如果尽管采取了预防措施事件仍然发生，则显示在蝴蝶结的右侧。管理障碍物的健康状态对于确保在紧急情况下它们的性能至关重要。 BESS故障风险与其他行业相比如何？ BESS故障的风险与日常活动（如驾驶或成为汽车乘客）相关的风险相当甚至更低。例如，在BESS工作或居住在BESS附近的风险低于开车或在农业/林业/渔业/狩猎业或交通运输/仓储业工作时的风险，考虑到死亡率（每10万人中的年度死亡人数）。2023年，美国与汽车和小型卡车事故相关的死亡人数约为1,000人[1]。考虑到大约有2.43亿名驾驶员[2]，这一比率是每年每10万名驾驶员17人死亡（尽管事故会杀死驾驶员、乘客、其他车辆的乘客以及车外的人，如行人和非机动车骑行者）或每年每10万人12人死亡。2022年，美国农业/林业/渔业和狩猎业的每10万名工人中有19人死亡（总死亡人数为417人），交通运输和仓储业的每10万名工人中有14人死亡（总死亡人数为1,053人）[3]。虽然BESS场所的每名工人死亡率未知，但可以估算每年和每兆瓦时发电量的死亡率，并将其与其他行业的死亡率进行比较。在发电领域，BESS场所每兆瓦时能源（或太瓦时）的死亡率，与其他能源来源（如煤炭、石油或天然气）相比，在每千瓦时发电量方面的死亡率要低得多（见第9页上的图表）。第1.1节更详细地讨论了每年的死亡率。 BESS设施如何保持安全？ 为确保电池储能系统（BESS）保持在可接受的风险水平，其所有者和运营商应遵循设计标准和最佳实践，定期维护系统设备（以及安全系统和相关设备），培训人员，并与当地紧急响应人员就储存系统的危害进行沟通。 在能源存储产业中定义风险 1.3 识别和管理风险14 1.3.1 步骤 1：危害识别14 1.3.2 步骤 2：后果分析第14步 1.3.3 步骤3：频率分析14 1.3.4 风险评估与缓解15 1. 定义能源存储行业中的风险 以下部分描述了储能市场并介绍了风险作为一种组合，包括事件严重性和发生概率。 1.1 当前储能产业定位 然而，在这些值中，在美国和海外，大约96%的容量由大型抽水蓄能电站代表。尽管电化学电池代表了近57%的已安装项目，但它们仅对全球容量贡献了1800兆瓦，对美国容量贡献了787兆瓦。在这个子部分中，锂离子化学占全球安装容量的77%（1390兆瓦），以及近85%（667兆瓦）的美国电化学安装[8]。 电池储能系统正日益成为公用事业运营商和能源供应商改善电网可靠性和效率、减少排放的极具吸引力的选择。包括美国（US）在内的多个国家已制定策略，通过解决成本竞争力、性能与安全性、市场和定价法规以及行业接受度等问题，来增加能源存储的使用 [5]。美