電化學儲能電站火災特點及滅火救援策略研究

張威東

摘要：為了降低電化學儲能電站發(fā)生火災事故的可能性，避免人民生命安全和財產(chǎn)的損失，通過分析具體事例，從中探取事故發(fā)生的原因、特點及處理方法，進而整合文獻資料，構(gòu)建出一套最具科學化、合理化價值的滅火救援策略，從而能夠避免較大的傷害。以實際生活中較為常見的磷酸鐵鋰電池為例，輔以國內(nèi)外相關(guān)的電化學儲能案例，從探究電化學儲能電站火災發(fā)生的原因及特點入手，討論出一套符合實際救援的策略方案，希望能夠為實踐救援以及本專業(yè)未來發(fā)展起到一定的積極作用。

關(guān)鍵詞：電化學儲能電站；火災特點；滅火救援策略

中圖分類號：X928.7? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2024）03-0042-03

目前，我國已將電化學儲能技術(shù)廣泛運用到各個行業(yè)領(lǐng)域，促進了環(huán)境保護發(fā)展戰(zhàn)略的實施，推動社會文明建設(shè)，同時更大程度地將清潔能源代替化石能源的發(fā)展目標進一步深化[1]。對于目前我國市場上常見的幾種發(fā)電裝置，風力發(fā)電與光伏發(fā)電都必須依靠特定的外界環(huán)境，而其中的不確定因素極多，因此為了能夠最大限度地保證用電的安全穩(wěn)定性，我國大力推行了電化學儲能電站的建設(shè)及運行[2]。但在多年的實踐過程中發(fā)現(xiàn)，電池的安全問題成為發(fā)展電化學儲能技術(shù)的重要阻礙因素之一。基于此，通過研究電化學儲能電站事故發(fā)生的原因及特點，構(gòu)建出恰當?shù)姆婪兑庾R體系以及事故救援策略至關(guān)重要。

1 電化學儲能電站發(fā)展現(xiàn)狀、火災原因及特點

1.1? 電化學儲能電站發(fā)展現(xiàn)狀

從國內(nèi)市場看，盡管風力發(fā)電和光伏發(fā)電等新能源利用在國家能源戰(zhàn)略體系中已經(jīng)成為不可或缺的一部分，并且其占比在逐年上升[3]。但由于氣象條件和自然環(huán)境等的影響，相比較于電化學儲能技術(shù)來說，其受外界條件因素影響的可能性較大。目前我國較為常用的電化學儲能電站包括儲能模塊、功率轉(zhuǎn)換模塊、監(jiān)測管理模塊以及電力系統(tǒng)模塊等。儲能模塊由單體電池、電池倉以及電池管理系統(tǒng)三部分構(gòu)成，其主要功能是用于儲存和釋放電能，它的主要類型有鉛酸電池、全釩液電池和鋰電池三種。

鉛酸電池是以硫酸溶液為電解液，充電狀態(tài)時以硫酸鉛為正負極，放電狀態(tài)時正電極為氧化鉛，負電極為鉛。它以制造簡單、價格低廉、性能可靠等優(yōu)點爭得一席之地。全釩液電池是一種可通過氧化還原反應(yīng)再生的電池，它的使用壽命、后期的污染風險以及安全性相比較于其他兩種電池來說具有較高的優(yōu)勢[4]。鋰電池從整體上看比前兩種電池的使用率更高，因為它能夠在溫度較為惡劣的環(huán)境下使用而不受影響，而且能夠占據(jù)電化學儲能最高地位的原因是其能量密度高。

儲能技術(shù)主要是指能夠通過物理或化學的方式來對電能進行儲存，并且能夠在所需的時間或環(huán)境中釋放出來，主要有機械儲能、電池儲能以及電化學儲能三種類型。而電化學儲能技術(shù)就是指通過將電能轉(zhuǎn)化為化學能的形式儲存起來，并在需要的時候釋放。簡單來說，電化學儲能電站就是一個巨大的“電池”。以磷酸鐵鋰電池為例，其正極材料是含有鋰元素的化合物，負極材料常見的是石墨和碳，電解質(zhì)為有機溶劑。在磷酸鋰鐵電池的充電過程中，正極產(chǎn)生鋰離子并通過電解質(zhì)到達電池的負極[5]。而在放電過程中，充電時到達負極的離子重新運動到正極。在整個過程中，返回正極的鋰離子越多，電池的容量就越高，而鋰離子在正負極之間不斷運動就產(chǎn)生了電流，這就是磷酸鋰鐵電池的工作原理。

1.2? 電化學儲能電站火災原因與特點

1.2.1? 電化學儲能電站火災案例

2021年4月16日，北京一公司的光儲充一體化項目發(fā)生火災，造成2名消防員犧牲[6]。調(diào)查顯示，此次事故發(fā)生的原因是某處裝置的磷酸鋰鐵電池發(fā)生短路，從而引發(fā)的電池熱失控，并且電池中的易燃易爆成分與空氣結(jié)合形成了爆炸性氣體，預定后發(fā)生了較大程度的爆炸。這個案例反映出來的問題除了公司維護得不到位外，最重要的原因就是鋰電池中可燃物容易引起大范圍的傷害。

1.2.2? 電化學儲能電站火災原因

據(jù)不完全統(tǒng)計，近十年來全球儲能項目發(fā)生的火災、爆炸事故有32起，其中大部分事故和三元鋰電池相關(guān)[7]。除此之外，在充電過程中或充電完成之后的靜止期容易發(fā)生火災。而火災的主要原因大部分都是由于電池內(nèi)部的短路從而引發(fā)熱失控，一定條件下就會爆發(fā)火災。熱失控就是指電池在充放電過程中由于短路等問題，致使熱量積累，到達一定程度后就會引發(fā)失控。

1.2.3? 電化學儲能電站火災特點

一是事故發(fā)生的導火索較多。大部分的電池熱失控情況都是以儲能電站發(fā)生火災或爆炸的形式表現(xiàn)出來，但產(chǎn)生火災的原因都各不相同，可能遍布于從電池產(chǎn)生到投入使用的各個環(huán)節(jié)中。以電池從生產(chǎn)開始到使用的順序判斷原因，首先可能是由于電池本身的各部分零件質(zhì)量問題，或者是在電池的安裝過程中使用不夠恰當?shù)陌惭b方法，從而導致熱失控。其次在使用過程中，可能是使用人員的操作失誤、電池使用時虧電時間較長或者循環(huán)使用過程不合理等情況導致熱失控的發(fā)生。最后，如果電池遭遇劇烈的撞擊、其所處環(huán)境發(fā)生火災或者進水等情況也會引起電池短路。另外，電池長時間使用后，也可能會因為電池老化以及維修不當?shù)仍蛞l(fā)熱失控。

二是荷載能量越大，熱失控后發(fā)生爆炸的可能性越高。電化學儲能電站中儲存的荷載電量數(shù)量多，其中所含的電池數(shù)量多，模塊組數(shù)以及能量容量也多，電站的電流電壓較大，如果某處電池中發(fā)生短路而引發(fā)熱失控，這時便會產(chǎn)生鏈式反應(yīng)，能量大規(guī)模集中爆發(fā)，傳播速度會急劇加快，可能會引發(fā)不可估量的災害。此外，儲能電站內(nèi)都帶有高壓電，在事故發(fā)生后，其還具有一定的電量，因而容易發(fā)生漏電與爆炸等情況，這在一定程度上也加大了事故救援的難度。

三是發(fā)生火災后易產(chǎn)生有毒氣體。電化學儲能技術(shù)中所使用的電池大部分多為活潑的化學物質(zhì)，火災發(fā)生時，由于高溫等情況各類電池可能發(fā)生分解，劇烈反應(yīng)后將會釋放出大量的氣體，氣體中不僅含有一氧化碳、氟化氫、二氧化硫等有毒有害氣體，而且可能會含有氫氣、甲烷、乙烷等可燃氣體。不僅威脅被困人員的生命安全，還會在一定程度上阻礙救援人員工作的實施，造成二次傷害。

四是火災救援難度大。由電池發(fā)生事故而引發(fā)的火災處理難度較大，而電化學儲能電站也是如此，主要是因為沒有特別有效的滅火劑。在現(xiàn)有的幾種滅火劑中，干粉和氣體滅火劑的工作原理主要是隔絕，能自然有效地隔絕掉空氣，但也阻礙了爆炸產(chǎn)生的熱量的散發(fā)；而泡沫滅火器或者用水進行滅火則可能會有觸電的危險，并且電化學儲能電站占地大，電荷量多，可想而知其救援難度可謂難上加難。

2 常見滅火劑性能分析

2.1? 氣體滅火劑

氣體滅火劑主要包括二氧化碳、七氟丙烷等。二氧化碳的滅火機理主要是通過稀釋空氣中的氧氣，從而起到滅火的作用。但是二氧化碳對于人體來說具有一定的毒性，所以在使用二氧化碳進行滅火時需要先疏散人群，在使用過程中，二氧化碳噴出時會使得周圍環(huán)境溫度降低，若使用在高溫金屬設(shè)備上，可能會對其造成一定的損害，從而影響其使用功能。而七氟丙烷滅火劑的滅火原理與二氧化碳滅火劑的原理相近，都是通過降低溫度稀釋氧氣濃度來阻止燃燒。此類滅火劑不會產(chǎn)生冷氣而對救援設(shè)備造成二次傷害。但需要注意的是濃度如果配比不當就會產(chǎn)生大量氟化氫等有毒氣體。

2.2? 水基滅火劑

水基滅火器是水、水成膜泡沫和f500等滅火劑的統(tǒng)稱，也是在日常消防救援過程中使用最多的滅火劑種類。水的滅火原理是通過降溫、降低氧氣含量、減少可燃物濃度等來阻礙燃燒反應(yīng)的進行。針對電化學儲能電站的滅火作業(yè)，考慮到可能會有漏電等情況，在用水過程中可以使用導電能力較弱的水進行滅火。缺點就是耗水量大且救援時間線拉長。

對于其他的水基滅火劑來說，在純水中加入一些具有特殊效力的化學藥劑，進而改變水的附著性和浸潤性，能夠使得水的滅火性質(zhì)得到進一步改善，例如水成膜泡沫和f500滅火劑。實驗研究結(jié)果表明，f500滅火器對于由鋰離子電池引發(fā)的火災具有良好的滅火效果，不僅耗水量少，而且耗時也比較短。而其工作原理是由于f500具有特殊的化學結(jié)構(gòu)，它的分子中非極性端可以與磷酸鐵鋰電池產(chǎn)生的主要燃燒物質(zhì)結(jié)合，并把它包圍形成一個化學繭，這樣就可以將電池中的燃燒物鈍化成為不可燃燒的物質(zhì)，從而阻礙了進一步燃燒和爆炸的發(fā)生。

2.3? 干粉滅火劑

干粉滅火劑主要是由無機鹽和少量添加劑粉末組成的，工作原理是通過隔絕空氣來抑制燃燒，除具有針對性的干粉滅火劑之外，日常生活中常見的普通干粉劑包括ABC干粉和BC干粉兩類。ABC干粉中的主要成分是磷酸氫氨和亞硫酸氫氨，ABC干粉滅火器的成分是碳酸氫鈉和碳酸氫鉀。但使用干粉滅火器后會有殘留物附著在設(shè)備上，遇水后具有一定程度的腐蝕作用。根據(jù)大量的相關(guān)研究結(jié)果顯示，干粉滅火劑對鋰電池引發(fā)的火災不能起到較為顯著的效果。

2.4? 氣溶膠滅火劑

氣溶膠滅火劑可以分為冷氣溶膠和熱氣溶膠兩類。冷氣溶膠可以說是干粉滅火劑的一種升級版，它是一種超細干粉滅火劑，是一種氣體滅火劑。使用全淹沒而進行隔絕的工作原理。熱氣溶膠滅火劑的滅火原理是通過發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而產(chǎn)生大量的煙霧進行滅火。其中也分為K型熱氣溶膠和S型熱氣溶膠兩類。K型熱氣溶膠主要用于電氣設(shè)備的救援，S型熱氣溶膠主要是起到一個保護撲滅對象的作用。

目前，我國并沒有發(fā)現(xiàn)一種在單獨使用時能夠?qū)﹄娀瘜W儲能電站火災產(chǎn)生針對性滅火效果的滅火劑，因此在救援過程中通常兩種或多種滅火劑混合使用，以求能夠產(chǎn)生較為顯著的滅火效果。

3 電化學儲能電站滅火救援策略

3.1? 熱失控預警裝置

在火災發(fā)生初期，可能只涉及單個或幾個小組件，如果能夠在此階段及時發(fā)現(xiàn)通常避免更大的損失。因此，可以通過安裝熱失控預警裝置起到一定的提醒作用。預警裝置可以通過檢測電池的電壓、電流以及其本身的溫度情況進行系統(tǒng)分析，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況就能夠及時將信息傳遞給監(jiān)控中心并及時切斷該處的工作，然后安排專業(yè)人員進行處理。這樣一來就能夠起到預防作用，減少人員和資產(chǎn)的損失。目前，熱失控預警裝置的位置、布局、密度等方面的標準還不夠明確，因此需要相關(guān)部門進一步整合標準。

3.2? 關(guān)鍵部位的分隔保護

如果錯過了第一道防線，電池故障引起的熱失控得到進一步擴散，這時就需要在電化學儲能電站的布局中設(shè)置防火分割的第二道防線。而根據(jù)組件的布局和大小可以分成三類：首先是電池模塊內(nèi)的單件分割，需排布隔熱材料。其次是電池組之間的分割，可以選用玻璃纖維材料或者是不燃的隔熱材料。最后就是電池室與其他裝置之間的分割，電池室應(yīng)當單獨并采用耐火限度極高的材料進行分割，其墻面上除了開設(shè)通向疏散通道的門之外，不應(yīng)該再開設(shè)其他窗口，從而達到較強的隔絕作用。這樣不僅能夠保護救援人員的生命安全，而且能夠降低火災發(fā)生時的傳播速度。

4 結(jié)束語

為了能夠使電化學儲能技術(shù)的研究進一步發(fā)展，必須將電池熱失控機理以及其發(fā)生火災的原因及特點摸索清楚，才能將電儲能使用提到一個更高的安全層次。但由于電化學電池本身的不穩(wěn)定性，電化學儲能電站的事故發(fā)生不能完全避免，只能通過對滅火劑的選擇和救援方式等方面進行改進等，將其事故發(fā)生率在最大程度上降低。而如果僅僅利用傳統(tǒng)的滅火救援方式并不能夠達到實際所需，因此需要進一步研究探索，升級滅火劑、調(diào)整救援過程中的人員分配、引入更加先進的救援設(shè)備等，才能找到更好的發(fā)展道路。

參考文獻

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[6]北京消防.警情通報[EB/OL].https：//weibo.com/2258833123/4626769930357435

[7]世紀新能源網(wǎng).國內(nèi)外儲能電站火災或爆炸事故統(tǒng)計與分析[EB/OL].https：//www.ne21.com/news/show-160075.html