儲能電站火災風險與防范措施分析

中國大唐集團科學技術研究院有限公司火力發電技術研究院 李冠贏

根據中關村儲能產業技術聯盟的統計數據，截至2020年底，中國電化學儲能的新增投運容量為1559.6MW，首次突破GW 規模，在全球占比32.98%，累計裝機容量為3269.2MW，在全球占比為23.03%，其中鋰離子電池累計裝機容量為2902.4MW，在各類電化學儲能技術中占比為88.78%；同時，鋰離子電池系統成本降至1500元/kWh 以下，繼續推動鋰離子電池儲能裝機容量的快速增長[1]。

政策方面，中國20多個省市已發布文件鼓勵或強制要求新能源配套儲能，疊加“雙碳”目標，《儲能產業研究白皮書（2021）》保守估計，2021-2025年，電化學儲能累計規模復合增長率為57.4%，市場將呈現快速增長的趨勢[1]，進一步助推構建以新能源為主體的新型電力系統。

但是，對待如此成績斐然、未來可期的產業，我們仍需在實踐中保持一份冷靜并承認一個事實，即電化學儲能產業（尤指鋰離子電池儲能產業）仍處于大規模應用的初期。為了中國電化學儲能產業的健康長久發展，盡早建成以新能源為主體的新型電力系統，以及保障中國人民的生命財產，電化學儲能電站（尤指鋰離子電池儲能電站）的安全性問題必須引起高度重視并著手解決。

1 鋰離子電池儲能電站風險分析

鋰離子電池儲能電站一旦發生事故，輕則損失數百萬至數千萬財產，重則危及生命。韓國靈巖儲能電站起火爆炸，經濟虧損約2600萬人民幣；美國亞利桑那州儲能電站起火爆炸，除了造成巨大的經濟損失，還致使4名消防員受傷；中國北京大紅門儲能電站起火爆炸，歷經11個小時才將明火撲滅，還導致2名消防員犧牲、1名消防員受傷和1名電站員工失聯，這是中國迄今發生的最嚴重的儲能安全事故。研究鋰離子電池儲能電站風險點和風險特征，有利于風險監測、預警、處理，避免風險蔓延擴散，將生命財產損失控制在最小范圍內。

1.1 電池制造瑕疵和老化

韓國儲能事故調查報告（以下簡稱“調查報告”）顯示“充電后休止中”發生事故的概率極高[2]，占比超過60%，因為該階段電池本體通常處于滿充狀態，SOC 大于90%，一方面更易受外部濫用影響觸發熱失控，另一方面電池可能存在局部過充問題，又因為該階段系統通常處于斷路狀態，外部電氣故障等外部激源觸發電池熱失控的概率很低，所以該階段發生事故往往是由電池本體引發的[3]。電池單體在生產制造過程中，可能存在極片褶皺、涂布不均、金屬污染物顆?；烊?、邊緣毛刺、隔膜孔隙不均等缺陷，均會造成電池安全性明顯下降。

即便在正常的循環充放電過程中，鋰離子電池也會發生副反應，導致電解質分解、正負極表面膜堵塞等現象，進而影響電池內部的電導率、阻抗等參數，造成電池容量降低、一致性降低等后果，如果再疊加運行環境惡劣、充放電策略不科學等因素，會加快電池老化速度，逐漸演化出安全問題。

1.2 電池系統設計缺陷

電池系統通常由單體電池經串并聯構成的電池模塊、熱管理系統、電池管理系統等組成，設計缺陷會從外部引發電池熱失控。以山西京玉電廠AGC 調頻儲能電站火災事故為例，事故發生在系統恢復啟動過程中，主要原因就是BMS 箱體內在設計上采用了螺栓螺母形式的接觸點，但未設置浪涌保護裝置，浪涌效應引起固定螺栓頂部對BMS外殼持續放電拉弧產生高溫，進而引發了電池熱失控[4-5]。

1.3 儲能電站設計缺陷

儲能電站一般包含電池系統、電氣系統和土建三個部分。電氣系統主要包括雙向變流器（PCS）、電氣一次部分（變壓器、出線等）和二次部分（中央控制系統、消防系統等）[6]。土建主要包括艙體基礎或建筑物及場區相關工程。

調查報告指出，應對電氣故障的保護體系不周也是引發電站火災的重要原因[2]。而且，中國發生的火災事故有半數以上是電氣故障引起的[7]，電氣故障誘發電池火災概率也很大。調查報告還指出，BMS、PCS 和EMS 之間信息共享不完備和不及時，PCS 與電池之間的保護配置與協調不當、測量裝置及管理系統之間發生沖突、電池保護裝置質量不佳等問題，可能導致故障無法得到及時有效管控，進而演化為火災事故。

現有滅火劑，如七氟丙烷、惰性氣體、干粉、氣溶膠，對鋰離子電池火災只能滅火效果未得到驗證，降溫效果不佳[7]，而高壓細水霧、消防水噴淋滅火劑降溫效果好，成本低廉，能凈化廢氣和煙塵[8]，但是撲救時間長，且大量噴淋消防水可能引發其他部分的短路，造成事故擴大。以美國亞利桑那州McMicken 儲能電站火災事故為例，盡管早期煙霧探測系統報警30秒后，Novec1230滅火劑按設計條件噴出，但是此類滅火劑只適用于火災初期，并不能防止或抑制鋰離子電池系統的級聯熱失控。因此，消防滅火裝置的優化設計和新型滅火劑的研發應用對于防范和控制儲能電站火災十分重要。

據不完全統計，2017年至2020年世界各國公布的鋰離子電池儲能電站事故共36起，按照服役時間劃分，服役1年及以下電站發生13起，服役1-2年電站發生5起，服役2年以上電站4起，未知服役期電站發生14起，各占比分析情況如圖1所示。這說明如果儲能電站在設計上存在安全隱患，在投入運行的第1年，安全隱患便會暴露，并進一步引發事故，因此我們需要格外關注儲能電站投運第1年的運行狀態，實際驗證其是否存在設計缺陷，若發現設計缺陷，應引起足夠重視。

圖1 2017年至2020年世界各國火災事故電站服役期統計

1.4 操作風險

對應調查報告中提及的“安裝中（包含調試、施工與保管）”和“修理檢查中”等操作環節，該環節發生事故的概率較高[2]，原因是該階段必須人為介入，這不僅牽涉到儲能產品設計是否人性、安全，還牽涉到施工、調試、檢修等流程工作是否科學、規范以及人員的專業素質、作業紀律和精神狀態[9]是否良好等。目前，中國的儲能行業制造端參與者眾多、設計水準不齊、產品質量不一，同時欠缺在鋰離子電池儲能電站施工、調試、檢修等方面的安全標準，未能科學指導此類作業。以江蘇省揚中市用戶側儲能事故為例，該事故發生在施工調試過程中，主要就是由于電池模組正負極插口未采用差異化結構設計，且施工調試的工作制度不合理、不規范，同時由于大量重復工序，人員麻痹大意將電池功率線正負極反接導致的[10-11]。

1.5 運行環境管理風險

調查報告提出，運營環境管理不足，水分、粉塵、鹽水等會導致各部件接觸電阻增大、絕緣性能下降等問題，進而誘發電池熱失控，發生火災事故[2]。因此，對運行環境的維護，也應引起重視。

2 鋰離子電池儲能電站安全防范措施

從儲能電站投資運營商的角度出發，電池系統、儲能電站的設計均不出自其手，又不是其專業強項，但是儲能電站一旦發生火災或爆炸事故，卻要蒙受最直接、最嚴重的經濟損失甚至人員傷亡，因此制定鋰離子電池儲能電站的安全防范措施對儲能電站投資運營商來說顯得尤為重要。本文從4個角度出發，為儲能電站投資運營商提供鋰離子電池儲能電站的安全防范措施的思路。

2.1 加快制定儲能安全標準

目前，中國電力儲能行業在電池性能、PCS 性能、儲能電站并網、儲能電站運行評估等方面制定了20余項國家標準，與電動汽車行業的100多項國家標準相比，電力儲能行業的標準數量嚴重不足；同時相較于國際標準，中國欠缺諸如IEC63056、IEC62485-5、IEC62281和NFPA855等關 注儲能電池風險和火災風險的專門標準[12-13]。

建議加快制定適用于自身需求的儲能安全標準，將其應用于儲能設備招標采購和儲能電站的施工等過程中，除現有國家標準中的相關安全要求外，還可著重從以下方面考慮：明確對BMS 功能安全的要求與評估，以及對BMS、PCS、EMS之間協調控制的要求；明確對外殼、端子、線纜等關鍵組件的要求；明確對消防系統和滅火劑的要求；制定儲能電站施工、調試、檢修等安全操作標準。

2.2 加強儲能項目安全審查

當前，儲能項目多與光伏、風電等新能源項目配套規劃與實施，搶裝并網現象時有發生，設計規范性、設備質量、施工質量等有時未加重視，此類情況如果發生在儲能項目中，發生事故的概率比光伏、風電項目更高，應引起足夠重視，可從以下方面著手：

應按照國家標準、國際標準或企業標準對儲能系統加以嚴格審查，加強對儲能系統（包括電池本體，電氣組件、設備、系統，BMS 保護閾值，熱管理系統，消防系統）的風險識別與安全評估；

應委托具有相關資質的機構，按照國家標準、國際標準或項目單位的要求，對電池、BMS 等關鍵設備進行嚴格的抽檢測試，抽檢測試應覆蓋電池單體、電池模組、電池簇、電池單元和儲能系統等多個層級，應覆蓋成組前、出廠前、并網前和投運一年后等多個關鍵節點；

應制定儲能電站施工、調試、檢修相關的科學化、人性化的管理制度和操作流程，可規定在施工、調試、檢修過程中保持消防系統正常運行，加強對相關人員的專業技能培訓，同時嚴格按照相關制度進行監督檢查，發現問題及時整改。

2.3 建立儲能電站消防安全應急機制

鋰離子電池儲能電站是近年來新興的一種能量調節裝置，反應機理復雜，電池狀態受諸多因素影響，電池內部材料層級的安全隱患較難發現，又因為經常安裝在用戶側，一旦發生火災，可能危及人身安全。但是人們對鋰離子電池火災的預防、預警和撲救手段，仍存在技術難題，這就需要建立更加完善和謹慎的消防安全應急機制，盡可能將生命財產損失控制在最低水平，可以從以下方面加以完善：

應研究總結鋰離子電池儲能電站可能發生的各類事故，并聯合電力、公安、消防、環保、醫療、宣傳等多部門[6]，探討其危害程度、影響范圍，劃分事故等級，以此為基礎，制定相對應的事故應急預案；

應定期開展儲能電站聯合消防演習，提升應對此類新型事故的應對能力；

應建立事故追查制度，查明事故原因，厘清事故責任，及時開展事故追責和財產損失賠償工作。

2.4 建立儲能電站風險早期預警系統

鋰離子電池是一種高能設備，儲能電站一旦發生火災，容易導致火災蔓延擴散，現有消防手段難以在短時間內撲滅和降溫，并且容易發生復燃，最終導致整個或數個電池艙報廢，損失數百萬至數千萬財產甚至威脅人身安全。由于現有滅火劑僅對早期火災有抑制作用，因此儲能電站火災的早期預警十分關鍵，可從以下方面加以研究：

研發基于氣體濃度探測、煙霧探測、激光干擾探測、溫度探測、視頻探測等多維度的高精度傳感系統，尤其需要重視對單體電池表面溫度、CO 和H2的準確感知，應做到發生事故，立即知曉并投入保護；

建立儲能電站大數據監測中心，通過挖掘儲能電站的海量數據，識別電池本體的演化特征，包括內短路發展預測、容量衰減計算、不一致性發展評估、絕緣老化發展評估等，應做到提前預測事故，防范于未然。

3 結語

近年來，鋰離子電池儲能規模效應逐漸顯現，系統成本快速降低，裝機容量快速增長，疊加可再生能源發展和政策支持，在可預見的未來，鋰離子電池儲能裝機仍會快速增長。但不斷暴露的安全問題，并沒有因為采用磷酸鐵鋰技術路線而消失，已成為影響鋰離子電池儲能行業發展的重要因素。

本文分析了鋰離子電池儲能電站從電池單體到儲能電站運行存在的各種風險，包含：電池制造瑕疵和老化風險、電池系統設計缺陷、儲能電站設計缺陷、操作風險、運行環境管理風險。

同時，有針對性地提出了四個方面的電池火災防范措施：加快制定儲能安全標準；加強儲能項目的安全審查；建立儲能電站消防安全應急機制；建立儲能電站風險早期預警系統。

儲能安全是一個系統工程，從電池本體到儲能電站，從硬件選型到軟件策略再到施工質量等都至關重要，但是從理論上講，儲能安全都能通過技術和管理手段去解決，因此不必因噎廢食。試想我們都能將核電站控制在足夠低的風險水平，儲能電站又有何不能呢？