Tiêu chuẩn an toàn về lưu trữ năng lượng của pin lithium-ion – Phần 1

Hệ thống lưu trữ năng lượng điện hóa có đặc điểm là lắp đặt thuận tiện và linh hoạt, tốc độ phản hồi nhanh và khả năng kiểm soát tốt, có thể cải thiện đáng kể khả năng tiêu thụ lưới điện của các nguồn năng lượng tái tạo như gió và ánh sáng, cải thiện chất lượng điện, làm trơn tru luồng lưới điện, giảm đầu tư tài sản điện và đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy quá trình chuyển đổi và phát triển chuyển đổi năng lượng. Trong những năm gần đây, hệ thống lưu trữ năng lượng pin lithium-ion đã có thể phát triển mạnh mẽ trong ngành điện ở các quốc gia trên thế giới do những ưu điểm đáng kể của chúng như mật độ năng lượng cao, tốc độ xả lớn và chi phí giảm. Đồng thời, việc chuẩn bị và phát hành các tiêu chuẩn liên quan đến lưu trữ năng lượng cũng liên tục được cập nhật theo sự phát triển của ngành lưu trữ năng lượng. Các tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật này đã tích cực hướng dẫn và thúc đẩy sự phát triển của ngành lưu trữ năng lượng, nhưng vẫn còn một số vấn đề trong quá trình ứng dụng cụ thể. Trong số đó, tác động quan trọng nhất đến ngành pin lithium-ion là các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn liên quan đến an toàn.

Hiện nay, các tiêu chuẩn an toàn hệ thống lưu trữ năng lượng pin lithium-ion có ảnh hưởng quốc tế là UL1973 và IEC62619 , Nhật Bản, Úc, Hàn Quốc và các quốc gia khác đã tham chiếu hoặc biên soạn các tiêu chuẩn áp dụng trong nước của họ theo hai bộ tiêu chuẩn này và Trung Quốc đã ban hành một số tiêu chuẩn quốc gia liên quan đến hệ thống lưu trữ năng lượng vào năm 2017 và 2018. Mặc dù vậy, tính an toàn của các nhà máy điện lưu trữ năng lượng pin lithium vẫn tương đối nổi bật, từ tháng 8 năm 2017 đến tháng 5 năm 2019, đã có 23 vụ cháy tại các nhà máy điện lưu trữ năng lượng ở Hàn Quốc; Vào tháng 4 năm 2019, một vụ hỏa hoạn đã xảy ra tại hệ thống lưu trữ năng lượng ở Arizona, Hoa Kỳ; Vào tháng 8 năm 2018, một ngọn núi lửa đã xảy ra tại Hệ thống lưu trữ năng lượng của Yangzhong ở tỉnh Giang Tô. Điều này cho thấy các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn liên quan đến lưu trữ năng lượng pin lithium còn lâu mới hoàn hảo.

Ngược lại, các nhà máy điện lưu trữ năng lượng ở Bắc Mỹ và Châu Âu đang hoạt động tốt hơn và có ít tai nạn an toàn lưu trữ năng lượng được báo cáo hơn. Mặc dù an toàn của lưu trữ năng lượng là một vấn đề phức tạp và toàn diện, liên quan đến nhiều yếu tố như loại kỹ thuật, trình độ kỹ thuật, kịch bản ứng dụng, chất lượng pin, quy định của địa phương, v.v. của hệ thống lưu trữ năng lượng, các tiêu chuẩn an toàn tiên tiến và hoàn hảo có thể đảm bảo hoạt động an toàn của hệ thống lưu trữ năng lượng. Thông qua nghiên cứu so sánh các tiêu chuẩn an toàn pin lithium-ion của các hệ thống lưu trữ năng lượng chính của UL và IEC, bài báo này phân tích và so sánh một cách có hệ thống các yêu cầu cụ thể của từng điều khoản, khám phá ưu điểm và nhược điểm của từng tiêu chuẩn và đưa ra một số đề xuất cải tiến tiêu chuẩn, để cung cấp tài liệu tham khảo để cải thiện và nâng cấp các tiêu chuẩn an toàn của hệ thống lưu trữ năng lượng mới.

1.Đặc điểm của tiêu chuẩn an toàn hệ thống lưu trữ năng lượng hiện hành

Trên phạm vi quốc tế, các tiêu chuẩn an toàn cho hệ thống lưu trữ năng lượng chủ yếu bao gồm các tiêu chuẩn IEC và tiêu chuẩn UL. Châu Âu và Nhật Bản chủ yếu tham khảo các tiêu chuẩn IEC để phát triển các tiêu chuẩn an toàn tương ứng, chẳng hạn như EN62619 ở Châu Âu và JISC8715-28 ở Nhật Bản, được sửa đổi và biên soạn theo IEC62619. Các tiêu chuẩn UL được sử dụng rộng rãi ở Bắc Mỹ và các tiêu chuẩn an toàn pin của họ rất toàn diện và nghiêm ngặt, có ảnh hưởng đáng kể. Các tiêu chuẩn của Úc và tiêu chuẩn IEC đã được thông qua và Viện Tiêu chuẩn Úc đã bắt đầu soạn thảo DRAS/NZS5139 vào năm 2017 và vẫn chưa được công bố chính thức. Để hợp tác với chính sách năng lượng mới của Hàn Quốc, vào năm 2015, Hàn Quốc đã ban hành một loạt các tiêu chuẩn liên quan đến lưu trữ năng lượng, bao gồm tiêu chuẩn an toàn KBIA-10104-01, chủ yếu đề cập đến các tiêu chuẩn liên quan đến IEC, điểm khác biệt lớn nhất là ít thử nghiệm thả rơi và thử nghiệm khuếch tán ngắn mạch/nhiệt bên trong hơn và nhiều thử nghiệm đùn, nhúng, kiểm soát ngắn mạch bên ngoài và kiểm soát quá tải hơn.

Về mặt an toàn vận chuyển pin lithium, UN38.3 là tiêu chuẩn phổ biến hơn trên thế giới, yêu cầu pin lithium khi vận chuyển phải vượt qua mô phỏng cao, thử nghiệm nhiệt, rung, sốc, ngắn mạch bên ngoài 55 °C, thử nghiệm va đập, thử nghiệm quá tải, thử nghiệm xả cưỡng bức, để đảm bảo an toàn cho việc vận chuyển pin lithium. Hầu hết các quốc gia trên thế giới đều áp dụng tiêu chuẩn này. So với tiêu chuẩn UN38.3 , sự khác biệt chính giữa IEC62281 và tiêu chuẩn UN38.3 là số lượng mẫu thử nghiệm và yêu cầu về trạng thái hoạt động khác nhau, và các mục thử nghiệm về cơ bản là giống nhau.

1.1 Tiêu chuẩn an toàn IEC cho hệ thống lưu trữ năng lượng

Tiêu chuẩn an toàn IEC cho các sản phẩm hệ thống lưu trữ năng lượng chủ yếu được xây dựng và ban hành bởi Nhóm công tác tiêu chuẩn IEC TC21/SC21A và TC120 của Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế, TC21/SC21A tập trung vào các tiêu chuẩn an toàn của tất cả các loại pin thứ cấp, trong khi TC120 tập trung vào các tiêu chuẩn liên quan đến hệ thống lưu trữ năng lượng điện hóa (EES) cho các ứng dụng lưới điện. Các tiêu chuẩn an toàn chính cho hệ thống lưu trữ năng lượng IEC như sau: IEC 62619, IEC 62485-5, IEC 62933-5-1, IEC 62933-5-2, IEC 63056, IEC 62281.

IEC62619 quy định các hạng mục kiểm tra chung và các yêu cầu an toàn tối thiểu của pin lithium thứ cấp trong sử dụng công nghiệp và IEC định vị nó như một “tiêu chuẩn chung” cho nhiều ứng dụng sản phẩm công nghiệp, bao gồm các trạm gốc truyền thông, hệ thống nguồn điện liên tục (UPS), hệ thống lưu trữ năng lượng, sản phẩm lắp đặt cố định đèn nguồn khẩn cấp, cũng như xe xếp chồng, xe golf, xe không người lái (AGV), đường sắt, vận tải biển, không bao gồm vận tải đường bộ cho các ứng dụng điện. Đối với nhiều ứng dụng sản phẩm khác nhau, IEC tiếp tục phát triển các tiêu chuẩn an toàn pin lithium chuyên dụng để ứng phó, chẳng hạn như IEC63056 cho hệ thống lưu trữ năng lượng.

IEC62619 nhấn mạnh rằng hệ thống pin phải được đánh giá an toàn trong điều kiện lạm dụng có thể dự đoán được một cách hợp lý, bao gồm các thử nghiệm ngắn mạch bên ngoài, thử nghiệm va đập, thử nghiệm thả rơi, thử nghiệm lạm dụng nhiệt, thử nghiệm quá tải và thử nghiệm xả cưỡng bức. Ngoài ra, trong quá trình đánh giá tính an toàn của ngắn mạch trong pin, có hai thử nghiệm tùy chọn: thử nghiệm ngắn mạch trong cell pin hoặc mạng thử nghiệm khuếch tán nhiệt của hệ thống pin, đây là một cách tiếp cận thỏa hiệp hơn.

IEC63056 chỉ định các yêu cầu an toàn đối với pin lithium thứ cấp và bộ pin cho hệ thống lưu trữ năng lượng có điện áp định mức dưới 1500V (DC). IEC62485-5 quy định các yêu cầu an toàn đối với việc lắp đặt, sử dụng, kiểm tra, bảo trì và thải bỏ pin lithium trong các ứng dụng cố định, tập trung vào tính an toàn khi vận hành pin lithium cố định 7: IEC62933-5-2 quy định các yêu cầu an toàn hệ thống đối với các hệ thống lưu trữ năng lượng điện hóa bao gồm các ứng dụng pin lithium khi chúng được tích hợp vào lưới điện. IEC62281 quy định các yêu cầu an toàn đối với pin lithium chính và phụ và bộ pin trong quá trình vận chuyển.

Tóm lại, mức độ tiêu chuẩn an toàn lưu trữ năng lượng IEC tương đối rõ ràng và bao gồm nội dung toàn diện. Tuy nhiên, do là tiêu chuẩn quốc tế nên mối quan hệ giữa tổ chức và thành viên tham gia vào quá trình chuẩn bị rất phức tạp, liên quan đến nhiều tranh chấp lợi ích quốc gia, tiến độ chậm và tụt hậu so với sự phát triển của ngành, ngoài IEC62619, IEC62281 đã được ban hành.