随着锂离子电池的扩大，降低火灾风险变得更加重要

作者：克里斯·沃伦

对储能未来增长的预测令人大开眼界。作为背景，考虑美国能源信息管理局 （EIA） 报告说，截至 2019 年底，美国有 402 兆瓦的小型电池存储和略高于 1 吉瓦的大型电池存储正在运行。

然而，到2023年，EIA预测美国将再安装10吉瓦的大型电池。在全球范围内，投资正在涌入储能项目，预计到2028年电池的总市场规模将接近270亿美元。

储能投资和部署大幅上升的根本原因很明显。随着全球电力结构增加了来自风能和太阳能等可变来源的大量发电量，电池储能对于在没有阳光和风吹时可靠地输送电子至关重要。

随着电池储能的规模和重要性的增长，确保这些系统的设计、安装和运行尽可能安全、对环境负责的需求也在增加。由于当今的电池存储系统绝大多数使用锂离子技术，因此该行业必须采取措施预防和减轻潜在的火灾，并为罕见的火灾发生准备有效的响应。

EPRI的电池储能系统数据库已经跟踪了50多起公用事业规模的电池故障，其中大部分发生在过去四年中。一场火灾导致急救人员受到危及生命的伤害。这些事件代表了全球12.5 GWh锂离子电池储能的1%至2%的故障率。

收集应对火灾风险所需的数据

为了更好地了解和加强锂离子电池存储系统的安全性，EPRI和16家成员公用事业公司于2019年启动了电池储能防火和缓解计划。该倡议是EPRI领导的几项努力之一，旨在确定电池故障的根本原因，并改善和分享有关有效响应策略的知识。这些举措包括制定电池储能消防安全路线图，制定系统设计建议和领先实践，以及培训和与负责灭火的急救人员合作。

这项工作旨在为锂离子电池的所有者和运营商以及急救人员提供研究知情教育。在这项任务中，EPRI及其合作伙伴具有重要优势。“有很多行业处理爆炸性的东西。我们已经非常了解管理爆炸危险的方法，“EPRI的首席技术负责人Dirk Long说，他正在领导大部分研究。“但是当大多数这些系统建成时，没有人关注爆炸危险。人们没有将他们的大脑指向正确的问题，也没有关于如何解决这些问题的良好数据。这项工作旨在解决这个问题。

该研究还旨在为公用事业公司提供熟悉锂离子技术所需的信息和工具。“当公用事业公司看到这些火灾时，他们会问他们是否应该使用锂电池，”Long说。“我认为这是错误的回应。这是一个吸取所有经验教训的问题，关注正确的问题，并在我们的行业中解决这些问题。

例如，汽车行业已经认识到防止单电池热失控传播的系统设计的重要性。本课程已成为行业领先的实践，并被添加到电动汽车电池组的最新UL标准中。“这是一种建立在该行业十年经验教训基础上的系统思维，”Long说。“我们可以将这种学习带入固定式储能市场。

了解热失控

EPRI的工作主要集中在预防故障并在发生故障时有效响应。要做好这两点，了解可能导致锂离子电池爆炸和火灾的原因至关重要。“我们担心锂离子电池危害的根本原因是热失控，”Long说。

在最基本的层面上，当某种类型的故障导致电池内部过热时，锂离子电池中的热失控就会发生。“这是电化学以自己的方式分解，产生大量热量并产生自我加速反应，”Long说。“它可能会引起火灾，并释放出大量易燃的气体，并可能导致爆炸。过去的EPRI研究确定了热失控的四个根本原因：内部细胞缺陷;有故障的电池管理系统，包括硬件或软件故障;电气隔离不足;以及湿度和灰尘等造成的环境污染。

关于如何降低热失控的风险，已经学到了很多东西。例如，EPRI对美国的锂离子电池存储项目进行了八次实地考察。这些站点包括正在设计、正在建设和已经运行的系统;这些系统的大小从0.3 MW / 0.6 MWh到182 MW / 730 MWh不等。 EPRI对这些站点的安全审查包括数据分析（设计文件和设备认证），站点演练以及基于储能集成委员会火灾危害缓解指南的评估。

根据这些评估，EPRI制定了经验教训，并就可以采取哪些步骤来提高安全性提供了指导。“我们发现，尽管公用事业公司对安全问题有很多认识，但每个公用事业公司都有许多可以改造以提高安全性的场地设计功能，”Long说。

这项研究的结果包括以下内容。

安全评估受主观性的影响——评估电池系统以了解其性能和故障模式与进行安全评估之间存在根本区别。可以使用可量化的数据客观地分析性能和安全漏洞。相比之下，安全评估本质上是主观的，受评估人员的经验和专业知识、系统所有者对风险的容忍度以及对安全相关数据的解释等因素的指导。评估安全的人的角色也会影响他们的观点和优先事项。例如，一些消防专业人员在危险材料火灾方面经验丰富，而另一些人在涉及锂离子或其他电池存储化学品的安全事件方面具有特定经验。为了最大限度地提高安全性，重要的是将完成安全评估的人员的专业知识和经验与各个站点的系统设计和技术相匹配。这样做还可以减少评估所需的时间，因为相关专家已经熟悉潜在的安全漏洞和遗漏风险的可能性。

所有权模式决定安全管理和责任——明确的责任线可提高电池储能系统的安全性。然而，在评估多个存储系统站点时，EPRI 观察到不同的所有权模型云安全管理责任。更令人困惑的是，大型电池系统通常由供应商和所有者混合操作，这可能会模糊采取措施降低安全风险的责任。清楚地了解和传达安全角色和责任对于提高安全性至关重要。

通用安全数据支持通用评估过程——评估电池储能系统安全风险的最佳方法取决于其化学成分和容器。它还依赖于测试从单元到整个系统的每个集成级别。此外，将适当的安全测试方法和模型应用于每个电池系统也很重要。例如，一项EPRI评估确定在安全测试中使用了不正确的数据集;使用的数据表示与要在现场安装的电池模块不同的电池模块。当使用适当的数据时，发现了新的爆炸风险，这需要重新设计电池外壳。

规划故障需要决定可接受的损坏水平 - 不可能完全消除电池系统起火的风险。减少火灾或爆炸可能性的步骤不可避免地涉及选择和权衡。EPRI最近的一项研究着眼于安全设计功能的成本与系统的总拥有成本的关系。一些业主可能会接受系统及其组件可能发生故障以及事件发生后必要的清理费用，而不是承担额外的安全措施费用。其他人可能会认为，可能丧失的存储容量和清理费用迫使在缓解和预防方面进行更多的投资。

应对火灾和其他安全相关事件

采取措施防止热失控可以减少但永远无法完全消除其发生的可能性。“电池进入热失控的风险总是不为零的，即使风险非常低，”EPRI的技术主管Stephanie Shaw说，他的研究重点是评估和减少能源生产和储存对环境和健康的影响。“你还必须始终关注之后会发生什么，并管理这种失败的所有结果。Shaw的研究探讨了诸如助燃空气羽流的成分，用于扑灭电池火灾的水以及这些释放对急救人员和公众的潜在风险等主题。

为了帮助最大限度地提高对火灾和其他安全事件的响应效率，EPRI 举办了一个由公用事业代表、研究人员、急救人员和消防安全专家参加的研讨会。目的是收集见解和领先实践，以告知不同的利益相关者应如何沟通并为可能的安全事故做好准备。

由此产生的报告《电池储能系统所有者和运营商的主动第一响应者参与》概述了提高安全性的行动，同时加快了项目的部署并降低了成本。这些建议都侧重于在安装电池存储系统之前或开始运行之前要采取的步骤。

这些建议范围广泛，包括对要遵循的主要做法的总体方法的指导。它们适用于从采购到安装的各个阶段，以及向急救人员学习和培训电池火灾的一些独特挑战。

下文概述了其中一些建议。

存储系统设计阶段的开放式沟通 — 急救人员与电池储能所有者和运营商之间的密切协作和沟通始终很重要。它应该在系统安装开始之前就开始了。通常，它仅在许可过程中开始，此时设计和施工计划可能已经完成。这是一个错失的机会。当对话提前开始时，急救人员可以提供有关最有效的灭火和遏制系统的信息，以及电池系统之间理想距离的方向，以避免火势蔓延到其他装置和容器。急救人员还可以向公用事业公司介绍他们的典型响应协议。然后，可以将此信息集成到事件响应系统中。其他指南包括开发电池安全方面的公用事业专业知识，以及在每个存储系统设施中完成全面的安全评估。另一个重要的领先实践是公用事业公司在每个电池站点确定安全线索。这为第一响应者提供了一个知识渊博的联系人，以便在发生事故时与之沟通。

智能设计和应急响应计划 — 消防员需要可靠的供水渠道。其他需要考虑的设计特征包括存在多个报警系统，以防一个发生故障;充电和放电水平的限制以及明确定义的温度和电压范围;以及显示紧急断开开关位置的清晰标牌。此外，详细说明关闭电池存储系统程序的应急响应计划可避免混乱和响应中的风险延迟。

与急救人员合作并帮助培训急救人员 - 消防员需要了解电池存储系统的设计以及安装该系统的设施中的布局和消防系统。电池储能系统的所有者和运营商应主动确保急救人员掌握这些信息，并应积极征求他们的反馈意见。存储所有者还应为第一响应者提供电池存储专家，并提供持续培训，以帮助确保他们在发生事故时做好准备。

与公用事业公司、急救人员以及存储系统所有者和运营商合作的主要收获是积极主动地持续协作。对于公用事业、存储所有者和运营商来说，倾听也很重要。“帮助培训急救人员很重要，但更重要的是接受他们的培训，因为他们有应对火灾的见解和实践，可以适用于这里以及必须遵守的协议，”Shaw说。

EPRI目前正在研究一系列资源，以帮助提高电池储能系统的安全性，称为项目生命周期安全工具包。它将包括从数据集到白皮书和指南的所有内容，这些指南提供了降低电池起火风险并在发生时优化响应的实用步骤。

“这些都是关于帮助行业迈出安全的第一步，”Long说。“如果你让人们开始，我们知道如何解决大多数问题。我们认为，一旦你有足够多的聪明人将他们的大脑指向正确的问题，他们就能够集体解决这个问题。编译 陈讲运