化学储能设施消防安全管理研究

李波

摘要：化学储能设施火灾最典型的特征是释放的气体成分均显示出易燃性和毒性，储能设施消防安全管理的智能化研究，涉及较密闭空间，在保持较好通风环境下，采用红外光谱仪实现极早期低浓度逸出气体的探测，早于热失控停止关联电池模组充放电，防止发生热失控，为应急处置赢得宝贵的时间;当热失控发生时，使用水和氮的混合系统实现灭火，其中，通过高压氮气实现空间内易燃易爆气体置换，达到窒息灭火效果;通过细水雾实现冷却灭火效果。

关键词：消防;化学储能;热失效

一、背景

全球的气候变化关系到整个人类社会发展进程，绿色健康的生活是我们共同的愿景，碳减排成为了全球重要国家形成的共识。国家大力发展新能源建设，其中比较重要的领域是风电和光电，由于区域经济存在的差异，对能源的需求不均衡，使得储能设施迅速发展，特别是大规模储能设施。储能可以提高常规发电和输电的效率，保障其安全性和经济性，实现可再生能源平滑波动、调峰调频，满足可再生能源大规模接入，同时它也是分布式能源系统、智能电网系统的重要组成部分，在能源物联网中具有举足轻重的地位，发达国家已经将大规模储能技术和产业发展上升为国家战略，并在电力基础设施建设中大范围示范推广。据世界能源研究公司的最新预测，世界各地的储能装置将在2030年底达到358～1028GWh的累计值，比2020年底的17～34GWh大二十倍以上。2015～2030年全球累计储能装置，如图1所示。

巨量的能源需求，尤其是大规模化学能储能的兴建，为消防安全管理和应急救援提出了严峻的考验。消防救援队伍改革转制后，担负起应对处置各类灾害事故的重要职责，实现了从原来的灭火救援为主向“全灾种、大应急”的拓展，但是储能设施的消防应急救援是一个全新的领域，面临着巨大的挑战。2021 年 4 月 16 日，北京丰台区某光储充一体化项目发生火灾爆炸，造成了不同程度的生命和财产损失，我们在总结经验教训的同时，也需要通过科学的方法实现对储能设施的消防安全管理。

二、储能技术

储能即能量的存储，主要包括化学储能、物理储能和电磁储能三大类。根据能量存储形式的不同，广义储能包括电储能、热储能和化学储能三类。电储能是最主要的储能方式，按照存储原理的不同又分为电化学储能和机械储能两种技术类型。电化学储能是指各种二次电池储能，主要包括锂离子电池、铅蓄电池和钒液流电池等;机械储能主要包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能等。化学储能是消防安全管理的重点和难点，涉及到固体的存放、液体的泄漏和气体的释放，电池电芯泄漏或者热失控会产生氢气、甲烷、一氧化碳、碳酸甲乙酯等易燃易爆气体成分，尤其是受限空间大量气体聚集，与空气混合形成爆炸性气体，因电火花而引发电池模组、柜体、箱体、管廊，甚至建筑爆炸。化学储能灾害如图2所示。

电池燃烧产物如图3所示，电池火灾会产生近20种化学物质，大多数是易燃、易爆和有毒物质。特别是在极早期会出现甲烷、一氧化碳和氢气混合气体，其爆炸下限均为4%，爆炸浓度下限分别为50000ppm、12500ppm和40000ppm。会对人的健康造成威胁的物质包括甲烷、一氧化碳、硫化氢、氟化氢、盐酸、二氧化硫和氰化氢等，其中，剧毒物质是氟化氢和氰化氢，在30ppm和50ppm的气体环境浓度下，会对人的健康造成危害。所以，保持化学储能设施较密闭空间的通风，尤为重要，特别是火灾发生时和发生后的消防救援人员的个人安全防护，以及火灾区域的燃烧残余物的处置、受污染水源和土壤的净化，需要专用的装备，也需要科学、标准、规范的方法和流程。

三、化学储能设施消防安全管理

（一）电池火灾特点

锂电池或电池芯有三种常见类型：锂金属、锂离子和锂离子聚合物，当电池进入热失控时，剧烈燃烧爆炸会产生喷射弹片、熔融金属、燃烧的电解液和有毒有害气体。储能模块中三层电池热失控温度变化曲线如图4所示，将电池集成到储能系统的模块中，分别位于高层、中层和底层，三层电池在热失效的情况下，相邻电池内部的温度会继续升高，直到最终达到峰值，并长时间保持300℃以上的高温。在电池火灾灭火救援及应急处置的过程中，要保持高压细水雾持续冷却。即使在全尺寸模块测试期间用水灭火，热危害仍然存在于电池之间，导致未燃烧的电池在延迟级联现象中点燃，凸显了锂离子电池火灾的深层性质所带来的严峻挑战。

（二）模型设计

化学储能设施火灾最典型的特征是释放的气体成分均显示出易燃性和毒性，比如氟化氢、一氧化碳和甲烷，在比较多的灭火剂灭电池火对比测试中发现，水的冷却效果是比较理想的，特别是亚微米级的细水雾。基于此，设计储能设施消防安全管理系统模型，如图5所示。在较密闭空间，使用水和氮组成的混合灭火系统，使用细水雾和惰性气体来灭火，水和惰性气体在灭火系统中共同作用实现氧气置换和热量吸收，其中，通过高压氮气实现空间内的易燃易爆气体置换，达到窒息灭火效果;通过细水雾实现冷却灭火效果。

（三）智能化管理

采用红外光谱仪实现极早期一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、氯化氢、氟化氢和氢气等气体的探测，检测到低浓度逸出气体，早于热失控，通过应急联动智能化管理系统停止电池模组充放电，阻止热失控的发生。极早期低浓度逸出气体浓度如图6所示，从电池火灾极早期气体的逸出到热失控的发生，是一个较为漫长的過程，可以通过消防安全智能化管理为应急救援处置赢得宝贵的时间。

四、消防安全管理及应急救援的几点建议

在化学储能设施灾害应急处置的过程中，建议消防安全管理人员、灭火指挥员与战斗员应注意以下事项：

（1）储能设施环境要恒温恒湿，并保持排风良好。

（2）所有电气电子设备均需做防爆设计。

（3）在出风口实现气体浓度数据的采集、传输、处理与安全阈值判断，实时传输报警信息。

（4）化学储能设施所处的是高温、高压、强电流、有毒及腐蚀环境，救援现场要做好环境信息探测，包括气体、漏电和漏液，并做好个人防护，包括躯体防护和呼吸防护。

（5）燃燒与爆炸不分先后，与储能设施保持安全警戒距离。

（6）实时监控环境核心区域易爆气体浓度，随时准备撤离现场。

（7）使用水进行灭火降温可能会导致电池短路，加剧火灾风险。

（8）火焰熄灭之后，仍要保持降温通风，直到设施能量放尽、温度归零，环境中仍会残留有毒有害气体液体，人员安全防护等级不能降低。

参考文献：

[1]He X， Restuccia F， Zhang Y， Hu Z， Huang X， Fang J. Experimental Study of Self-heating Ignition of Lithium-ion Batteries During Storage and Transport ： Effect of the Number of Cells. Fire Technology （Under Review） 2019.

[2]Anderson CD， Anderson J. Electric and Hybrid Cars. Second. McFarland & Company; 2010.

[3]Grauers A， Sarasini S， Karlström M， Industriteknik C. Why Electromobility and What is it？ In： Sandén B，Editor. Systems Perspectives on Electromobility， Chalmers University of Technology， Göteborg; 2013.

[4]BP. Statistical Review of World Energy 2018 2018：1–53.

[5]Bisschop R， Willstrand O， Amon F， Rosengren M. Fire Safety of Lithium-Ion Batteries in Road Vehicles. Borås： 2019.

[6]Bisschop R， Willstrand O， Rosengren M. Handling Lithium-Ion Batteries in Electric Vehicles - Preventing and Recovering from Hazardous Events. 1st International Symposium on Lithium Battery Fire Safety， Hefei， China： 2019.