助力电池储能行业走向更安全、更可持续的发展之路

LaTanya Schwalb主管工程师能源与工业自动化部 目录 电池储能系统和能源转型03应对不断变化的合规环境08环境影响和报废管理09鉴于电池储能系统的多样性，需要进行多方面的评估06新技术和新应用不断催生新的挑战及复杂问题05UL Solutions在提高电池储能系统的安全性和可持续性方面的作用11参考文献13 电池 储能 系统 和能 源转型 电池储能系统(BESS)是能源转型的基础。在全球、国家和地方层面，监管机构以及私营和公共部门组织正在制定远大的温室气体(GHG)减排目标。 平衡安全性、性能和部署速度 想要实现这个目标，电池储能系统将发挥至关重要的作用。据国际能源署(IEA)估计，为实现全球净零排放目标，全球电池储能系统的装机容量需从2023年不足200吉瓦(GW)，增长至本十年末的1太瓦(TW)以上，并在2050年达到5 TW。1 灾、造成442人受伤29人死亡。2虽然近年来电池的安全性有所提高，且与电动交通等其他设备和环境中使用的储能系统相比，工业环境中使用的储能系统不易发生灾难性故障，3但开发和部署安全性和可持续性更高的储能系统始终是赢得公众信任，以及赢得市场的基石。 自2019年以来，仅在纽约市，锂离子电池起火就已造成： 随着储能技术应 用的加快，储能上下游 企业（包括 制造商和原始 设备制造商、项目开发商、监管机构等）不能为了发展速度而牺牲安全性和性能。 除安全性外，本文还探讨了在开发和部署可持续性更高的电池储能系统方面所面临的其他关键挑战，以及如何主动应对这些挑战。 起火灾人受伤 消防安全正是一个突出的例子：电池储能系统存在热失控风险。热失控是一种自我蔓延的过程，会导致电池温度迅速、持续上升，并扩散至整个系 统，最 终可能引发 火 灾甚至 爆 炸 。自2019年以来，仅在纽约市，就有电动自行车等设备引发的锂离子电池起火事故共计733起火 人死亡 新技术 和 新应 用不 断催 生新的挑战 及 复杂问题 十年前，锂离子电池主要用于消费类电子产品和早期电动汽车(EV)。随着电动汽车和插电式混合动力汽车(PHEV)的销量激增，2024年7月已占中国新车销量的一半以上。4与此同时，2015年，大型电池储能系统项目才开始在电网中运行。至2024年，加州的电池储能系统运行容量达到了13 GW的里程碑，而且部署量每月还在增长。5 电池储能系统将继续在各种应用和环境中部署并扩大市场份额： 发电和电网应用 电池储能系统可通过调节电网频率和电压来减少排放和提高可靠性，因此其使用量正在大幅增长。 电池储能系统适用的产品类别并非单一或固定的，而是涵盖一系列不同的技术系统，其应用范围和环境都在不断扩大。 交通运输 电池储能系统正日益受到重视，部分原因在于政府补贴和成本下降，这推动了系统效率的提升和碳排放的减少。储能系统还可应用于电动汽车充电基础设施，以缓解充电对电网造成的压力；同时，电动汽车内置的储能系统还能够实现向家庭或电网回馈电能。 建筑环境 我们日常生活和工作所处的场所，以及日常使用的电器设备，如今正逐步成为电池储能系统集成的重点对象，并有望转变为动态互联的智能设备。电池储能系统的日益普及，既可为建筑提供备用电源，也可集成至电磁炉、热水采暖系统等家用设备中。 考虑到电池储能应用的多样性和技术本身的不断创新，在所有可预见的运行条件下测试电池储能系统的安全性和性能是一项艰巨的挑战。需要减轻的风险包括热失控等现有风险，以及网络安全风险等新出现的风险。随着越来越多的电池储能系统接入电网，网络安全风险也随之增加。 鉴于电池储能系统的多样性，需要进行多方面的评估 电池储能系统的产品、设计、性能属性和应用多种多样。各方面的性能属性可能各不相同，包括成本、能量密度、放电速度、温度敏感性和安全特性。一些电池化学成分（如锂离子）在能量密度等指标方面可能性能更佳，而其他电池化学成分可能成本更低，另外一些电池化学成分可能具有更高的安全性。钠离子电池虽然尚未广泛销售或使用，但由于其相对较低的热失控风险，正迅速走向商业化，中国6和美国正在建造大规模的生产工厂。7 电池储能系统的产品配方、设计、性能属性和应用多种多样。 测试与合规管理 鉴于设计的多样性、技术变革的速度、采用需求以及能源脱碳的必要性，制造商、监管机构和标准制定组织(SDO)面临着推进测试、检验和认证的压力，以支持设计、开发和部署更安全、可持续的电池储能系统。 综合性的安全标准可用于适用的安全要求对各种电池储能系统进行测试和认证，例如UL 1973《固定式、车辆辅助动力和轻型电动轨道(LER)的电池标准》。虽然储能系统及应用在不断发展，具体的测试参数可能会根据不同的储能系统设计或预期应用进行修改，但UL 1973等标准助力简化测试和认证流程。 创新对测试和认证能力提出了挑战，随着电池和系统尺寸的不断增大。这些较大的电池会产生更多热量，导致电池内部温度分布不均。有效管理温度变化对于减少热点至关重要，因为热点会影响电池性能与安全性，甚至引发热失控。更大的电池还要求更精细地评估单个电池的健康状况，因为单个电池故障可能显著降低整个系统的容量，甚至导致整组电池故障。新建的电池测试与合规管理设施，如位于美国密歇根州奥本山市的ULSolutions设施，可以根据相关标准和要求助力对大型电池和系统进行测试、评估和认证。 应对不断变化的合规环境 为助力降低这些风险，制造商可与第三方合作，对产品和系统进行测试和认证，以确认其是否符合全球不同的标准。在UL Solutions，我们根据许多标准和要求对电池储能系统进行测试和认证，包括针对特定地区的标准和要求，包括《联合国锂金属、锂离子和钠离子电池试验和标准手册》(UN/DOT 38.3)以及联合国欧洲经济委员会(UNECE)针对四轮汽车和两轮汽车的国际电动道路车辆要求（R100和R136）。 欧盟委员会最近出台并完善新法规8，以保护其国内制造业，并为电池储能系统、电池组件和原料进口制定安全和可持续性标准。如《欧盟电池法规》引入了新的要求，如产品碳足迹报告，而制造商可能很难将这些要求融入其设计、开发、测试和认证工作中。 我们还针对全球其他广泛认可标准机构发布的标准制定机构发布的标准提供性能和可靠性测试，包括国际电工委员会(IEC)制定的以下标准： •《用于工业应用的二次电池和电池组的安全要求》(IEC62619)•《含有碱性或其他非酸性电解质的二次电池和电池组⸺用于工业应用的二次锂电池和电池组》(IEC 62620)•《含有碱性或其他非酸性电解质的二次电池和电池组⸺用于电能储能系统的二次锂电池和电池组的安全要求》(IEC 63056) 不同辖区和地区的法 规 、规范 和认证的差异也会带来合规风险。如果一个辖区的法规和要求与另一个辖区不同，而一家公司同时或计划在两个辖区运营，则市场或地区之间的差异可能会使质量保证、测试和认证以及开发和设计计划变得更复杂。 我们的团队拥有丰富知识和经验，积极参与标准制定小组和技术委员会的工作，协助客户及时了解和应对各种国际要求。 环境影响和报废管理 磷酸铁锂(LFP)正极化学物质已变得越来越受欢迎，部分原因是其不含钴，2019年至2023年10在轻型汽车领域的市场份额将从3%上升至27%。但钴的例子表明，电池储能系统供应链中的问题依然存在，而且电动汽车等使用电池储能系统的产品虽然具有显著的环境效益，但可能会带来环境和道德问题，需要制造商、原始设备制造商和监管机构加以管理。如果不能充分、主动地应对这些挑战和问题，公司的声誉就会受到损害，并在面对新法规或新要求时，迫使公司调整设计和开发方式，延迟产品上市时间，同时降低与其他利益相关者之间的信任度。 电池储能系统的制造和原料采购本身就存在环境问题。虽然电池储能系统有助于减少其生命周期内的温室气体排放，但生产所需的采矿、材料精炼和制造可能会对环境造成重大影响，而且还可能受到新法规的约束。 磷酸铁锂(LFP)正极化学物质已越来越受欢迎，部分原因是其不含钴。 钴是许多锂离子电池的核心原料之一，但也伴随道德和环境问题。全球大部分钴来自刚果民主共和国(DRC)，该国的采矿活动可能涉及童工。9大公司面临着相当严格的审查，以确定其电池中使用的钴是否以及在多大程度上来自对环境和道德有负面影响的矿山。这些公司已承诺，到2025年，通过采用不含钴的替代化学成分或100%使用回收钴，逐步在其供应链中淘汰钴。 报废管理 报废管理也是同样的道理。鉴于电池储能系统及其内部许多金属和矿物的高价值，回收和再利用这些系统的机会愈加突出，且随着更多系统的部署，以及在任何特定应用中达到报废时限，这种机遇将持续增长。例如，当电动汽车电池在其汽车应用中达到使用寿命时，其储能容量仍可保留高达80%，11这使得这些电池有潜力应用于电网等其他领域。因此，电池再利用工作正稳步推进。例如，2024年5月，一个53兆瓦时(Mwh)的并网电池储能系统装置开始向西德克萨斯州的电网供电，该系统完全采用再利用的电动汽车电池。12 诸如此类的项目展现了对废旧电池储能系统精心规划的再利用方式，但也带来了新的安全和性能挑战。电池储能系统重新部署到二次应用时，可能需要额外的测试和认证。在UL Solutions，我们提供针对大型电池再利用设施的认证服务，评估电池分类和分级方式、确定电池继续使用可行性的流程及未来使用的评级机制。一旦我们确认设施流程的可行性，便可以为其颁发二次电池设施认证，例如UL 1974《电池再利用或再制造评估标准》认证。 例如，当电动汽车电池在其汽车应用中达到使用寿命时，其储能容量仍可保留高达 %，这使得这些电池有潜力应用于电网等其他领域。 UL Solutions在提高电池储能系统的安全和可持续性方面的作用 无论创新技术、部署规模或应用领域如何，都不能为了追求速度而牺牲电池的安全性和性能。从长远来看，安全或性能方面的缺陷对可持续性和能源转型成功造成的阻碍，都要大于短期内追求快速上市或实现装置部署。 同时，为了助力促进开发、部署和再利用更安全、更具可持续性的电池储能系统，必须积极进行测试和认证。跟上行业发展的步伐，包括与第三方供应商合作，对于评估现有及未来设计和开发计划所面临的影响，并及时获悉测试与认证方面的新要求，至关重要。 在UL Solutions，我们与众多制造商、原始设备制造商及其他利益相关者建立了长期合作关系，助力设计、开发和部署包括电池储能系统在内的各类能源转型技术。凭借在安全科学、测试和认证方面的深厚专业知识，我们协助制造商和原始设备制造商提供更安全、更具可持续性的电池储能系统。我们为电池储能系统提供的综合测试、检验和认证服务包括： •电池和电池模块测试•电池组和系统测试•消防安全和热失控测试•电气安全和性能测试 •电网集成和互操作性测试•环境测试和耐久性测试•软件网络安全测试（鉴于软件在各领域中日益重要） 我们根据《储能系统(ESS)和设备标准》(UL 9540)等标准执行测试和认证，13助力证明系统合规性。该标准涵盖电池储能系统和其他类型储能系统的安全性，对从充电、放电、保护、控制、设备间通信、流体运动等系统属性进行综合性评估。 此外，我们还协助客户确定预防和纠正措施，并提供有助于降低整个开发和部署生命周期风险的专项研究，包括电池老化研究、司法鉴定故障分析和现场实地评估。 作为全球安全科学专家，我们提供测试和认证服务，并积极参与电池储能系统和能源转型领域的工作组和行业委员会，从而协助客户加快复杂问题转化为竞争优势。 请与我们联系，进一步了解我们如何助力支持创新企业，推进实现更安全、更可持续的储能技术。 UL.com/EnergyTransition 参考文献 1《世界能源展望特别报告：电池和可靠的能源转型》，国际能源署(IEA)，2024年4月，https://www.iea.org。2《纽约市长亚当斯采取新措施减少致命的锂离子电池起火，促进电动自行车的安全充电和