大規模鋰離子儲能電站火災事件的回顧與思考

背景

能源危機使鋰離子電池儲能系統在過去幾年得到了更加廣泛的使用，但也出現了一些危險事故造成設施和環境的損壞，經濟損失、甚至人員傷亡。調查發現即使儲能系統已符合電池系統相關的標準，如UL 9540和UL 9540A，但還是發生了熱失控以及火災。因此，從以往的案例中吸取經驗教訓，分析風險及其對策，將有利于儲能系統技術的后續發展。

以上事故發生的原因可以總結為以下兩個：

【資料圖】

1)內部電芯失效，引發電池與模組的熱失控，最后引起整個儲能系統的著火或爆炸

電芯熱失控引發的故障呈現的現象基本上是先起火再爆炸：如，2019年發生在美國亞利桑那州的McMicken電站和2021年中國北京豐臺電站事故均是在起火后發生爆炸;這種現象產生的原因是單個電芯失效，引發內部化學反應，釋放熱量(放熱反應)，溫度持續上升，且傳播到附近的電池和模組，引發火災甚至爆炸。電芯的失效模式一般由過充或控制系統故障、熱暴露、外部短路和內部短路(可由各種情況引起，如壓痕或凹痕、材料雜質、外部物體滲透等)引起。

電芯熱失控之后會產生可燃氣體?？梢钥吹角叭鸢咐l生爆炸的原因都是可燃氣體不能及時排出而引發的。此時電池與模組，集裝箱的通風系統則顯得格外重要。一般電池是通過排氣閥排出氣體，排氣閥的壓力調節可以減少可燃氣體的堆積。模組階段一般會使用外部風扇或外殼自身散熱設計來避免可燃氣體聚集。最后在集裝箱層面，也需要有通風設施及監測系統來疏散可燃氣體。

2)外部輔助系統故障引發的儲能系統故障

由輔助系統故障而引發的整個儲能系統故障一般發生在電池系統的外部，可能會發生外部元器件的燃燒或冒煙，當系統及時監測與響應后，不會對電池系統的電芯產生失效或熱失控的影響。在2021年Vistra Moss Landing 1期和2022年的2期事故中，由于當時在調試階段，故障監控和電氣故障安全裝置被關閉，無法及時響應，才產生了冒煙與火災。這種火焰燃燒通常從電池系統外部開始，最后才會蔓延到電芯內部，所以不會發生劇烈的放熱反應與可燃氣體聚集的情況，通常不會發生爆炸。且如果此時噴淋系統能及時開啟，也不會造成大面積的設施損壞。

而2021年在澳大利亞吉朗發生的“Victorian電站”火災是由于冷卻劑泄漏引起的電池短路，造成起火。此時電池系統的物理隔離也是值得我們注意的地方。外部設施最好與電池系統保持一定的獨立空間，避免相互干擾。電池系統最好自身也保持一定的絕緣功能，避免外部短路。

應對方案

從以上分析可知，發生儲能系統事故的原因為電芯的熱失控及輔助系統的故障，如果不能防止故障發生，那么減少阻斷故障發生后的進一步惡化，則也能減少損失。這些措施可以從以下幾個方面的考慮：

1、阻斷電芯熱失控后的熱蔓延

? 在電芯之間增加隔絕屏障，在電芯之間增加隔絕屏障阻斷電芯熱失控后的蔓延，隔絕屏障可以安裝在電芯與電芯之間，模組之間，機架之間，這在NFPA 855(固定式儲能系統安裝標準)的附錄部分也有提到相應要求。隔絕屏障的具體措施包括電芯之間插入冷水板，氣凝膠等。

? 在電池系統中增加滅火裝置，當單個電芯發生熱失控后可以迅速反應啟動滅火裝置。鋰離子火災隱患背后的化學反應導致了儲能系統滅火設計與常規消防方案不同，不僅要撲滅大火，還要降低電池的溫度。否則，電芯的放熱化學反應將繼續發生，并引發重燃。

在選取滅火材料的時候也需格外注意。如將水直接噴灑在燃燒的電池外殼上可能會產生可燃氣體混合物。且如果電池外殼或機架為鋼材料，水并不能阻止熱失控。一些案例表明水或其他類型的液體接觸到電池端子也可能加劇火勢。如2021年9月發生Vistra Moss Landing電站火災事件，報告表明電站冷卻軟管和管道接頭出現故障，導致水噴灑在電池架上，最終造成電池短路與電弧。

2、可燃氣體及時排放

上述的所有案例報告都指出，聚集的可燃氣體是爆炸的主要原因。因此，場地設計與布局，氣體監測和通風系統，對于降低這種風險非常有效。NFPA 855標準已經要求要有連續氣體檢測系統的這一要求，當檢測到一定水平的可燃氣體(即LFL的25%)時，該系統會啟動排氣通風。另外UL 9540A試驗中也有收集排氣，檢測氣體LFL下限的要求。

除通風外，還建議使用泄爆板。在NFPA 855中提到，儲能系統安裝和維護要按照NFPA 68(爆燃通風防爆標準)和NFPA 69(防爆系統標準)進行。但當系統符合防火和爆炸測試(UL 9540A或同等標準)時，則可以豁免此項要求。但測試的條件并不能完全代表真實情況，因此建議加強通風和防爆。

3、輔助系統的故障預防

在Victorian電站和Vistra Moss Landing電站事故中，不完善的軟件/固件編程和調試/啟動前程序也是引起火災的原因之一。在Victorian電站火災中，其中一個模組引發的熱失控沒有被識別或阻斷，熱失控之后的火災也沒有被中斷。因為當時不需要調試，所以系統被手動關閉，包括禁用遙測系統，故障監控和電氣故障安全裝置;監控和數據采集(SCADA)也系統尚未運行，因為需要24小時才能建立設備連接。

因此，建議任何閑置的模組都應有主動遙測、故障監控和電氣安全裝置，而不是通過鎖開開關手動關閉。所有電氣安全保護裝置都應保持在主動模式。此外，還應增加額外的警報系統來識別和響應各種緊急事件。

在Vistra Moss Landing1期和2期電站中也發現了一個軟件編程錯誤。盡管沒有超過啟動閾值，但電池的散熱系統被激活。同時水管接頭故障與電池單元上層泄露，進水使電池模組短路。這兩個例子顯示了軟件/固件編程在啟動程序之前的檢查和調試是多么重要。

總結

通過對幾起儲能電站火災事故的分析，應高度重視通風和防爆控制，合適的安裝和調試程序，包括軟件編程檢查，這些都可以避免電池事故。此外，應制定全面的應急響應計劃的，以應對有毒氣體和物質的產生。

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