锂电池储能电站火灾防治及灭火对策

锂电池储能电站火灾防治与灭火救援对策背景锂电池储能安全问题锂电池储能火灾和爆炸原因分析锂电池储能电站火灾灭火救援策略目录一、背景2020年9月22日第七十五届联合国大会、2020年12月12日气候雄心峰会上，习近平主席两次向全世界郑重宣布：中国…力争2030年前碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和；到2030年，中国单位GDP二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右。2020年底召开的中央经济工作会议，也将“做好碳达峰、碳中和工作”列为2021年度8大重点任务之一。发展以水电、太阳能、风能为代表的清洁能源是降低碳排放的主力军但清洁能源最大缺点是不稳定。太阳和风也不可能24小时稳定在线。电无法储存，亟需发展储能系统，实现削峰填谷，平抑功率波动截至2020年，全球已投运储能项目累计装机规模191.1GW。其中抽水蓄能累计装机量最大，为172.5GW，电化学储能累计装机规模紧随其后，为14.2GW。在各类电化学储能技术中，锂电池累计装机规模最大，为13.1GW。全球储能市场累计装机规模全球电化学储能市场累计装机规模传统的非锂电池储能系统要么受地形限制无法推广，要么性价比不高。近年来，锂电池储能系统随着锂电池价格的下降（10年内价格几乎跌去9成）发展迅速数据来源：CNESA全球储能项目库锂电池价格变化2020年全球新增电化学储能项目地区分布（MW%）2020年，全球电化学储能新增投运规模达4.7MW，超过2019年新增投运的1.6倍中国、美国、欧洲占据2020年全球储能市场的主导位置，三者合计占全球新增投运总规模的86%，并各自新增投运规模均超过了GW大关十四五期间，预计我国电化学储能累计规模2021-2015年复合增长率为57.4%，市场将呈现稳步、快速增长的趋势数据来源：CNESA全球储能项目库十四五期间我国电化学储能发展趋势湖南电网调峰压力大，十四五期间调峰缺口最大可达480万千瓦（2020年湖南电网最大负荷是3150万千瓦），新能源消纳困难，亟需发展储能。国家电网公司锂电池储能装机容量现状国家电网公司湖南电网属于国家电网公司的最南端，供电不足湖南锂电池储能电站建设情况储能电站项目自2018年启动，分三期建设，均采用磷酸铁锂电池储能技术。一期建设规模60MW/120MWh，分别为长沙芙蓉（52MWh）、榔梨（48MWh）、延农（20MWh）储能站。二期建设规模60MW/120MWh，分别为邵阳磨石（20MWh）、娄底九仑（15MWh）、郴州韭菜坪（45MWh）、永州蚂蟥塘（40MWh）储能站，预计在2021年6月全部投运。延农站（岳麓区佳园路与麓松路交叉口）榔梨站（长沙县榔梨镇龙华路）芙蓉站（芙蓉区白沙路）1湘潭泉塘储能站泉塘220kV变10MW/20MWh2棋梓桥储能站峡山110kV变10MW/20MWh3楠竹山楠竹山110kV变10MW/20MW4石潭储能石潭110kV变10MW/20MWh5娄底冷江储能站冷水江110kV变15MW/30MWh6邵阳茅坪储能站茅坪110kV变10MW/20MWh7山门储能站山门110kV变20MW/40MWh8司马冲储能站石湾110kV变10MW/20MWh9益阳松木塘储能站松木塘110kV变10MW/20MWh10沙头储能站沙头110kV变16MW/32MWh11黄茅洲储能站黄茅洲110kV变10MW/20MWh12怀化山塘驿储能站山塘驿220kV变20MW/40MWh13明溪口储能明溪口110kV变10MW/20MWh14田坪储能站杨桥110kV变20MW/40MWh15老安江储能站安江110kV变10MW/20MWh16楠木铺储能站楠木铺35kV变20MW/40MWh17郴州宜章储能站宜章110kV变15MW/30MWh18湘西杨公桥储能站杨公桥110kV变10MW/20MWh19杜田储能站杜田110kV变10MW/20MWh20灵溪储能站灵溪110kV变10MW/20MWh21永州楠市储能站楠市35kV变10MW/20MWh三期按照储备1000MW/2000MWh储能装机容量（1000MW=100万千瓦）计划2021年9.30、11.30、12.30在全省投产约20座储能站三期建设的储能电站容量是一、二期的8倍，运维压力骤增4座1座3座3座5座1座3座1座锂电池储能系统介绍光伏和风力发电电网用户电池舱电池管理系统电池监测平台电池舱内部10kV高压室二次设备舱PCS舱电池舱站用变榔梨储能站现场电池舱：每个电池舱的电池容量为2MWh，用于存储电能≈58000个10000mAh充电宝≈250台特斯拉汽车电池电池管理系统（PCS舱）：由储能变流器与对应的保护控制系统构成，与升压变和环网柜一起放置在舱内，正常运行时有10KV高压，用于交直流的转换二次设备舱：由能量管理系统（EMS）和二次保护设备，以及交直流电源，用于充放电的管理和状态监测等10KV高压室：10kV变压器，正常运行时有10kV高压，用于和主电网的联结该站一共24个电池舱以榔梨储能站为例内部构造电池舱多个电池簇单个电池簇多个电池包单个电池包内部构造国外储能电站火灾事故（韩国24起，均是三元锂电池）二、锂电池储能安全问题近10年间，全球共发生32起储能电站起火爆炸事故。其中，日本1起、美国2起、比利时1起、中国3起、韩国24起。其中25起事故采用三元锂离子电池。2018年6月2日下午4时，韩国DAEMYOUNGGEC公司的4MW/12MWh锂离子电池储能系统发生火灾，708平方米的临时建筑及3500多块电池全部被烧毁，直接损失达46亿韩元。Yeongamwindpowerplant2020年5月27日下午17:30左右，位于韩国全罗南道海南郡的光伏储能系统发生火灾，造成约4.6亿韩元的财产损失。2019年4月19日，美国亚利桑那州，APS公司下属McMicken变电站的2MW/2.47MWh锂电储能系统发生着火爆炸事故，并造成多名消防人员受伤国外储能电站火灾事故（美国）国内储能电站火灾事故2017年3月7日，山西某火力发电厂储能系统辅助机组AGC调频项目发生火灾，此次火灾共烧毁锂离子电池储能单元一个、储能锂电池包416个、电池管理系统包26个以及其他相关设施若干。2017年12月22日，山西某电厂9MW调频项目2号储能集装箱柜发生火灾，并伴有爆炸次生灾害。山西省公安消防总队已向全省发出通报（晋公消办【2017】382号）。2018年8月3日，江苏扬中某用户侧磷酸铁锂储能电站发生火灾，一个储能集装箱整体烧毁。2021年4月16日12时17分，北京市丰台区集美大红门光储一体化电站起火；14时15分，消防员打开电站北区舱门时突发爆炸，造成2名消防员牺牲，1名消防员受伤，1名电站员工失联，明火持续12小时才被控制。事故发生前，电站正在进行施工调试。集美大红门光储一体化电站火灾的直接原因：负载端短路，大电流冲击返送至储能系统，形成短暂的大电流过充电，造成电池燃烧起火，同时电池材料不断分解产生大量可燃气体（氢气、一氧化碳等），当打开电池舱门时可燃气体与氧气接触，导致了爆炸。三、锂电池储能火灾和爆炸原因分析锂离子电池安全问题的原因原因1：电池本体；原因2：不合理的设计；原因3：不合理的应用锂离子电池安全问题的诱发因素国内某在运预制舱储能系统温度分布图锂离子电池安全问题的发生机制-电池本体在锂离子电池中，除了正常的充电-放电反应外，还存在许多潜在的放热副反应。当电池温度过高或过充电时，易被引发！正常充电-放电反应目前锂电池主要分为三元锂和磷酸铁锂两种区别：三元锂电池采用锂镍钴锰三元正极材料，磷酸铁锂电池采用磷酸铁锂正极材料应用场合：（1）三元锂电池能量密度高，循环寿命短，主要用于乘用车；（2）磷酸铁锂电池能量密度低，循环寿命长，适合应用于储能、公交大巴等韩国储能采用三元锂，其它国家主要采用磷酸铁锂电池热失控释放的能量有多少？以100Ah的三元锂电芯为例，一个电芯存储的电能为：100Ah*3.7V*3600s=1332kJ同时，热失控时还会存在副反应释放能量。，一个100%SOC（电池的剩余容量）的电芯热失控释放的总能量中有42%来自电能转化而来，电能转化热能效率约28%，其他大多来自内部材料的分解等副反应。一个电芯热失控后释放的总能量为：1332kJ*28%/42%=888kJ作为对比，1gTNT炸药的能量为4184J。简单计算可知：一个100Ah的电芯热失控后释放的总能量相当于212gTNT当量。储能系统采用磷酸铁锂电芯，磷酸铁锂电芯能量密度低，材料分解温度要高于三元锂电池（三元材料约为200℃，磷酸锂电池约为800℃），安全性更高。一个1MW/2MWh锂电池储能柜的电芯热失控后释放的总能量约为80GJ与TNT爆炸相比，电池热失控时释放能量时间级数相差了10000倍左右，不至于产生和爆炸一样的冲击效果，对人的伤害远没有想象中的那么大。但是（1）SEI膜分解导致电解液在裸露的高活性碳负极表面的还原分解SEI膜的分解，导致电解液在电极表面的大量分解放热是导致电池温度升高，并引发电池热失控的根本原因！锂电池热失控的化学反应（2）充电态正极的热分解贫锂态正极的热分解放热，以及进一步引发的电解液分解，加剧了电池内部的热量积累，促进了热失控的发生！（3）电解质的分解电解质的热分解导致的电解液分解放热进一步加快了电池的温升！

DMC（碳酸二甲酯）DEC（碳酸二乙酯）EC（碳酸乙烯酯）EMC（碳酸甲乙酯）（4）粘结剂与高活性负极的反应LixC6与PVDF（聚偏氟乙烯）的反应温度约从240℃开始，峰值出现在290℃，反应热可达1500J/g。

当热失控温度超过250℃，电池粘合剂（聚偏氟乙烯和纤维素等）会与锂反应产生氢气电池热失控发展过程如下锂电池热失控过程和温度变化趋势磷酸铁锂电池主要的气体分解产物磷酸铁锂电池产生气体典型成分氢气的爆炸极限是4.0％～75.6％（体积分数，下同）一氧化碳爆炸极限是12.5%～74.2%甲烷在空气中的爆炸极限约为5%～15%乙烯在空气中爆炸范围是2.7%～36%储能舱中的电池可以产生超过爆炸极限的可燃气体在电池热失控的高温、充足的氧气供应条件下，存在爆炸危险三、锂电池储能电站灭火救援策略锂电池储能系统电池体系：磷酸铁锂电池为主规模：MWh级（1-2MW）应用工况：充放电频繁切换安全事故处置原则：同时关注人员安全和财产安全电动汽车电池体系：三元电池为主规模：kWh级（60-100kW）应用工况：充电、放电相互独立安全事故处置原则：重点关注人员安全针对不同的应用领域需要采取差异化的安全和管理措施目前锂电池储能系统安全体系包括电池本体、储能系统热管理、消防等方面国家电网公司执行严格的检测标准，保障锂离子储能电池的安全入口类似我们熟知的AEB（自动刹车辅助系统）和车道偏离预警。主动提前采取措施或预警，避免电池进入失控状态；1、电滥用预防：电池管理系统（BMS）实时监控每一颗电芯状态，并给出最合理的充放电策略，确保电池在全生命周期内不会出现过充、过放、过温、过流或短路等电滥用工况。2、热滥用防护：通过电池包的热管理优化设计，确保电池电芯在合理温度范围内。及时释放电池包内堆积的热量，可以极大降低过热导致热失控的风险。采用温感、烟感、可燃气体监测，实现热失控预警，一旦发生热失控，及时提供报警，以便尽快撤离。3、系统结构层面，使用高强度的材料，尤其是高温下拥有很高的耐冲击强度的材料作为防护措施；使用高温下结构稳定绝缘性好的材料，防止包内高压回路在热失控后短路。

目前，储能电站传统的灭火手段主要有七氟丙烷、水消防等，但是，传统灭火方式难以满足储能锂电池灭火需求：（1）七氟丙烷可快速扑灭明火，但无降温作用，不能控制电池温度，电池很容易复燃，热失控会持续产生可燃爆炸性气体。七氟丙烷灭火装置(a)灭火前(b)灭火中(c)灭火485后复燃七氟丙烷灭火试验（2）储能系统高压带电，水会导电，可能造成设备损坏，甚至造成储能电池短路诱发火灾。细水雾灭火装置水雾喷洒容易汇集成水流造成电池短路大型锂离子储能电池的高效、安全灭火仍然是尚未很好解决的国际难题与电动汽车行业100多项国家标准相比，储能行业的国家标准还不到20项，且至今仍未有消防安全国标根据2021年4月16日北京集美大红门25MWh储能站火灾事故的分析报告，事故可能原因及给我们的启发：（1）电池本体该站可能存在电池选型不当，电池基本安全质量无法保证，在一般滥用条件下发生热失控。该站的储能电池是否按照储能标准进行了相关检测目前也未知。（2）电气拓扑该站与大功率直流充电桩、光伏发电系统共用直流母线，这种拓扑结构和目前普遍使用的储能电站交流配网拓扑有较大区别，如果直流母线上的负责发生短路，短路电流会传递给电池簇，引发大电流升温事故（3）该站可能缺乏可燃气体探测装置，没有有效检测出可燃气体，没有做出及时预警，导致发生爆炸。（4）该站只有手持式灭火装置，不能发挥作用。（5）南区采用消防用水时，可能接触到北区储能系统，由于储能系统是高压带电体，水喷淋可能引起带电体及其线路短路诱发火灾或扩大电气事故湖南电力公司针对储能电池火灾防火策略一是在省级智慧能源平台建设储能管控模块，实现储能站运行状态信息的远程监控。二是开发储能电站站端智能运维系统，重点加装测温及氢气、一氧化碳、VOC可燃气体探测器，将结果上传至储能管控模块，实现远程智能在线运维。三是储能站增加通风排气装置，接入备用电源，当电池舱内产生可燃气体可快速自动排出，优化消防系统联动策略，防止发生爆炸事件。四是计划每个储能站所在地区配置一台可以远距离喷水降温灭火的举高消防车、一辆绝缘冷却降温功能的低温二氧化碳消防车，用于突发储能电站火灾的应急。五是制定储能站消防安全事故应急预案；与消防部门建立应急联动机制。（1）锂离子储能电池的本质安全研究。（2）锂离子储能电池热失控阻隔技术技术研究。（3）锂离子储能电池故障诊断和监测预警技术研究，实现至少提前15分钟预警。（4）锂离子储能电池安全等级评价及标准。（5）锂离子储能电池高效安全低成本的灭火技术，研究无人机和机器人辅助灭火和应急技术。（6）储能站消防安全事故应急预案，建立与消防部门建立应急联动机制。国家电网公司关于锂电池储能电站火灾研究方向和目标能否可以用水扑锂离子储能电池火灾？开展了不同雾径、密度、长度的水雾高压绝缘试验雾径在2000微米以下的水雾均能有很好的绝缘能力储能电池舱直流母线电压低于800V，变压器室为10kV远距离采用开花水枪灭电池火不存在人员触电安全问题大型人工气候室（2）储能系统火灾前期，有大量储能电池未受到影响的情况下，首先建议采用固定式灭火系统灭火，采用水作为消防灭火介质需要慎重考虑对于户外的储能站（1）储能舱相互独立，预制舱防水，喷单个储能舱不会让周边电池舱进水（3）对于锂电池扩大火灾，采用水降温灭火是目前国内外通用的灭火方法水灭锂电池火的原理：1）水的比热容大（4.2×103J/（kg•℃））；2）水可促进电池内部能量的释放《预制舱式磷酸铁锂电池储能电站消防技术规范》（中电联2020年发布）10.3.2电池预制舱等电力设备发生火灾，应立即疏散人员、切断相关设备电源，然后进行灭火。无人值班储能电站电池预制舱发生火灾时，一般按照以下程序进行处置：a）电池预制舱内固定式自动灭火系统自动启动进行灭火。b）集控中心值班人员发现火情，拨打“119”电话报警，并报告调度和运维单位负责人。c）如果发现舱内固定式自动灭火系统未能启动，则应确认预制舱断电后，远程启动灭火系统。d）通知运维班组人员赶往现场。到达现场后，做好安全隔离措施，向消防救援队指挥员交待安全注意事项。e）消防救援队组织并持续使用大量的水进行控火和灭火。f）明火熄灭后，应至少喷水降温2h，防止复燃。如有可能，尽量喷洒水雾到舱内进行降温。g）灭火完成12h后，由穿戴必要防护装备人员先行打开舱门、疏散有毒气体，检测有毒气体浓度、舱内温度达到安全值后，人员方可进入舱内进行后续操作分析。10.3.3灭火人员在参加灭火的过程中应防止发生烧伤、中毒、窒息以及触电和爆炸等次生灾害。在空气流通不畅或可能产生有毒气体的场所灭火时，扑救人员应正确使用正压式消防空气呼吸器。10.3.4当储能电站发生火灾时，电力设备未断电情况下，禁止直接用水进行灭（1）排查电池舱内是否有可燃气体监测装置，以及排气装置是否能正常打开。（2）由于电池舱采用空调降温，环境密闭，起火后可燃气体难以排出，因此不知爆炸气体情况下，不要开舱门，防止发生爆炸伤人。（3）起明火后，不能近距离灭火，需采