工商业储能C2C双链安全白皮书

前言PREFACE随着碳中和成为全球发展共识，全球低碳能源转型投资正在加速。2023 年全球低碳能源转型投资增长17%，达到 1.77 万亿美元，创下了年度投资的新纪录1截止目前，中国已有 17 个省市出台了储能相关补贴政策。随着用电电价上涨，光储能成本下降，光储部署已实现商业闭环，工商业储能项目的投资回报显著提高。2023 年，全球工商业储能的需求开始爆发，其装机增速超越了源网侧储能和户储，实现了翻倍的增长2然而，随着全球工商业储能的需求爆发，安全事故的发生频率也急剧上升。据 CESA 储能应用分会产业数据库不完全统计，自 2009 年 11 月以来在全球范围内共发生 117 起储能相关事故，其中近 3 年以来就发生了 61 起事故，占比超一半，且事故发生频率还在不断上升中。2024 年前 10 个月所发生的储能相关事故已超过 2023 年全年数据3因低成本竞争而牺牲产品质量和安全标准；非专业的集成商跨行参与项目导致项目的事故风险增加；以及行业缺乏严格的安全规范和标准。工商业储能直面工厂、医院、商场、园区等应用场景，较传统电站储能场景更复杂、消防难度更大、人员资产更密集，其对于安全的需求尤为凸显。为避免行业安全事故的频发，引导行业实现更高的安全标准，华为数字能源和TÜV莱茵联合发布“工商业储能 C2C 双链安全白皮书”。本白皮书旨在指出电芯及系统的安全设计对于工商业储能系统建设的重要性，指出目前行业安全标准的不足，和面向未来的创新技术理念和方向，供行业参考。1-数据引自：<https://energy.pku.edu.cn/tzgg/yjyxw/da500e29ab3e40a49e3aff9aee3fa7ae.htm>2-数据引自：中关村储能产业技术联盟<https://www.cnesa.org/information/detail/?column_id=1&id=6708>3-数据引自：<https://finance.sina.com.cn/roll/2024-11-19/doc-incwqkxu2986592.shtml > 。同时，碳税及补贴政策加速了企业的低碳转型。。。其中，工商业储能的事故占比达到了四分之三。事故频发的原因包括企业间 2.1 安全风险源和热失控发展机理2.2 传统安全设计的不足和挑战1.1 工商业储能市场快速增长1.2 工商业储能安全尤为重要1.3 全球储能安全事故案例分析3.1 C2C 双链安全架构理念 - 天生安全，一生安全3.2 电链路安全 - 预防隔离，防短路3.3 热链路安全 - 消减抑制，防起火3.4 构筑以强电安全为核心的质量体系4.1 行业安全标准现状4.2 储能安全分级必要性4.3 等级划分与标准介绍5.1 全面安全测试，严于行业标准5.2 极端热失控测试：不扩散、不燃爆、不伤人5.3 卓越安全：业界首个最高安全等级认证01. 安全是工商业储能发展的基石前言03.C2C 双链安全，构建全面安全架构04. 安全分级是行业可持续发展的关键05. 严苛安全测试，行业最高安全等级06. 总结与展望02. 工商业储能安全风险分析与挑战 020102-0304-0506-0708-1010-161718-2122-2627-29303132-333435-42430817303444 全球工商业储能的需求从 2023 年开始爆发，其装机增速超越了源网侧储能和户储，实现了翻倍的增长。储能系统价格直接影响工商业储能项目的投资总额和经济性。2023 年以来，碳酸锂价格回落，叠加市场参与方快速增加、竞争激烈程度不断提高，推动着各类储能系统价格快速下降，降幅普遍超过了 50%，这使得工商业储能项目的投资回报显著提高。工商业储能的主要需求从最初的应急备电的刚需，逐渐转变为工商业节能减排、降低用电成本、光储充一体化等多元且成熟的商业场景。图1.工商业储能近年增长数据41.1工商业储能市场快速增长4-数据引自：中国储能网讯<https://finance.sina.cn/2024-11-19/detail-incwqkxu2986592.d.html,2024-11-19>< Wood Mackenzie >,2024 预计至 2025 年，全球工商业储能累计装机可达 11.5GW，中国和欧洲等区域的装机占全球工商业储能的比例将超过50%5。这些地区的工商业比较发达，工商业储能支持政策力度较高，推动了工商业储能的快速发展。同样随着组件价格下降，以及光储 ROI 的缩短，分布式光伏配储刺激了工商储新增装机规模增长。欧盟通过了“Fit for 55”计划和 REPowerEU 计划，明确了可再生能源发展目标，到 2030 年可再生能源发电量占比提升至 45%，并提出从 2026 年开始，屋顶面积大于 250 平方米新建的公共建筑和商业楼宇，必须安装屋顶光伏系统，这些措施直接促进了储能装机需求的提升6。近两年，中国工商业储能政策呈现“国家顶层设计 + 地方灵活创新”的特点，通过电价改革、财政补贴、市场准入和技术标准多维度发力，推动行业从试点示范向规模化发展转型。2024 年 1 月至 4 月，国家发改委、国家能源局连续发布储能相关政策文件，完善分时电价机制，提升储能项目收益，并且鼓励企业建设分布式能源和储能设施。同时，地方也密集出台补贴政策，2022 年至今，浙江、广东、江苏、重庆、安徽、天津等地陆续发布超 40 个工商业储能直接补贴政策，推动了工商业储能项目的落地7。同时，随着能源价格波动的加剧、同时电池技术的不断改进和成本的降低，商业和工业部门更经济地采用储能系统。在欧洲，许多公司已经开始使用储能来推动生产过程的电气化，例如德国、英国和荷兰等国家，越来越多的中小型企业和工业厂房将逐步实现能源自给自足。5-数据引自：中国化学与物理电源行业协会ǒ2023中国工商业储能发展白皮书Ǔ6-数据引自：<https://www.consilium.europa.eu/en/infographics/fit-for-55-making-buildings-in-the-eu-greener/>7-数据引自：<https://www.escn.com.cn/news/show-2066389.html；https://www.desn.com.cn/news/show-1616404.html> 储能系统由于电池自身特点，本身安全风险就很高。目前储能产品主要采用磷酸铁锂电芯。由于锂离子的活跃性很高，锂离子电芯一旦因为外部或者内部的原因触发电芯内部正负极物质的剧烈反应，产生的热失控是非常难控制的。尤其众多的电芯组成的储能系统，具有容量大、电压高等特点，热失控的威力更是巨大，储能系统的安全风险尤为突出。1.2.2储能产品本身具有较高安全风险1.2工商业储能安全尤为重要图2. 储能发展关键制约因素8-数据引自：<大东时代 & 电池中国网 CBEA.com>, ǒ2024年全球储能行业趋势预测报告Ǔ, 2023-12根据TÜV莱茵的一项跟踪调查显示，随着储能行业的发展，近 5 年来，市场对“储能安全问题”和“行业标准缺失问题”的关注明显上升8。1.2.1 储能安全成为行业关注重点 与传统地面电站场景不同，工商业场景储能应用环境更加复杂，消防难度更大，人员、资产更密集。储能系统距离资产人员更近、使用频率更高，一旦发生安全风险，造成的损失和社会影响也更大。工商业储能建设有以下特征及痛点：工商业储能应用在工厂、医院、商场、园区等用电场景，同时不同场景下储能系统部署的位置也不相同，有些储能系统所在的位置存在四周空间狭小、消防道路曲折不通畅、旁边有重资产等情况，所以进一步增加了消防的难度。相比大多建在远离人口密集区域的源网侧的储能电站，工商业储能电站往往更靠近人们的生活与工作场所。因此必须尽最大努力降低其事故率和事故危害程度，确保设施周围人员的人身安全。在 工 商 业 储 能 应 用 中， 储 能 系统直接关系到企业的核心资产和运营。资产密集区域的储能系统一旦发生故障，不仅威胁人员安全，还可能导致巨大的经济损失。目前资产密集区域包括精密制造工厂及充电场站等。1.2.3 工商业场景储能安全挑战更大环境复杂人员密集资产密集 010203 1.3全球储能安全事故案例分析根据中国化学与物理电源行业协会（CESA）储能应用分会的统计，自 2009 年 11 月以来在全球范围内共发生 117 起储能相关事故，其中工商业储能事故占到了约四分之三。2024 年 9 月，仅在半个月内，包括澳大利亚、法国、德国、奥地利等地就连续发生 8 起储能安全事故。上至源头锂电生产基地起火，下到终端数据中心火灾。在更早前，德国尼尔莫尔商业区发生储能起火及二次爆炸导致 2 名消防员受伤，韩国工厂事故更是造成 23 人死亡。通过事故原因分析，这些事故主要是由于电气绝缘失效、短路故障扩散等引发的。同时由于热失控抑制和消防措施不足，导致事故范 围扩大，损失陡增，甚至出现人员伤亡风险。图3. 德国尼尔莫尔商业区储能起火柜门炸开导致2名消防员受伤9图5.美国亚利桑那州McMicken2MW/2.47MWh储能站事故11图4.法国Saint-Esprit养鸡场爆炸造成资产损失上百万欧元图6.韩国忠南光伏太阳能电站储能项目火灾现场9-10-数据引自：中国储能网新闻中心11-数据引自：FOX News12-数据引自：韩国消防局 1012 13-数据引自：美国电力研究院（EPRI）BESS Failure Incident Database这些储能事故案例中，所采用的储能产品通常都经过了常规标准的检测认证，有些还通过了当前的欧洲标准或北美标准，但仍然不能避免事故的发生。由此可见，目前储能市场上的标准并不能满足储能设施的安全需求，还有很大的细化和提升空间。 2.1安全风险源和热失控发展机理表2. 储能安全风险源分析储能热失控风险触发原因根据机理特点，可以分为机械滥用、电气滥用、热滥用三类。机械滥用：储能设备在制造、运输、安装过程中因外部机械力（跌落、振动、碰撞、挤压、穿刺等）导致电池结构破坏或内部缺陷，如电芯壳体变形、隔膜破坏、电解液漏液等。电气滥用：因不当的电气操作或电路故障（如过充、过放、绝缘失效、控制失效、外部短路等）导致的电池内短路安全风险；热滥用：因外部高温环境或内部热扩散等导致的电池异常高温及热失控风险。工商业储能安全风险分析与挑战2.1.1 储能系统安全风险源机械滥用运输/安装跌落运输振动/冲击/碰撞PACK结构强度不足PACK密封缺陷雷击能量注入高压回路故障电气链接绝缘破损外部异常高压/电流电气滥用 通流高温/链接故障环境高温外部火源/异常高温PACK内热扩散热滥用 图7. 电气短路故障产生的原因电气短路等电链路故障是造成储能安全风险的源头，从电芯、电池包、系统内部电路、外部电路，任何环节出 现短路故障，都可能扩散， 从而引发热失控。电气短路产生的原因通常包括：外部和环境风险、电气风险、内部缺陷故障和控制失效风险等多种因素。如原因导致电芯内部短路失效（如被撞击，过充过放等），生产缺陷导致模组内部或外部短路，或者更进一步的系统失效（如 BMS 失效、功能安全失效、操作失误等）。热失控扩散是储能安全风险扩大的过程。热失控一般从电芯热失控开始，逐渐扩大范围，造成电池包起火、系统柜内燃爆、爆炸解体和柜间扩散，波及周边资产和人员。我们知道，锂离子电池热失控过程会发生剧烈的产热反应，加速热失控过程。一般来说，单个电池包内有约 60-100 个电芯，单个电芯之间排布紧密，单个电芯热失控后会迅速热蔓延，导致其他电芯热失控，进一步扩散至电池 包及整个储能系统。锂离子电池的热失控过程反应剧烈、发生迅速，发热量可使电池温度快速升高到 400-1000℃。同时，锂离子电池热失控过程中会产生大量可燃气体（CO、H2氧气结合，浓度达到爆炸极限时，遇高温或明火易点燃，从而发生爆炸和火灾蔓延。电链路短路故障，是储能系统热失控产生的源头热链路热失控扩散 , 扩大储能安