电化学储能电站火灾特点及灭火救援策略研究

张威东

摘要：为了降低电化学储能电站发生火灾事故的可能性，避免人民生命安全和财产的损失，通过分析具体事例，从中探取事故发生的原因、特点及处理方法，进而整合文献资料，构建出一套最具科学化、合理化价值的灭火救援策略，从而能够避免较大的伤害。以实际生活中较为常见的磷酸铁锂电池为例，辅以国内外相关的电化学储能案例，从探究电化学储能电站火灾发生的原因及特点入手，讨论出一套符合实际救援的策略方案，希望能够为实践救援以及本专业未来发展起到一定的积极作用。

关键词：电化学储能电站；火灾特点；灭火救援策略

中图分类号：X928.7      文献标识码：A       文章编号：2096-1227（2024）03-0042-03

目前，我國已将电化学储能技术广泛运用到各个行业领域，促进了环境保护发展战略的实施，推动社会文明建设，同时更大程度地将清洁能源代替化石能源的发展目标进一步深化[1]。对于目前我国市场上常见的几种发电装置，风力发电与光伏发电都必须依靠特定的外界环境，而其中的不确定因素极多，因此为了能够最大限度地保证用电的安全稳定性，我国大力推行了电化学储能电站的建设及运行[2]。但在多年的实践过程中发现，电池的安全问题成为发展电化学储能技术的重要阻碍因素之一。基于此，通过研究电化学储能电站事故发生的原因及特点，构建出恰当的防范意识体系以及事故救援策略至关重要。

1 电化学储能电站发展现状、火灾原因及特点

1.1  电化学储能电站发展现状

从国内市场看，尽管风力发电和光伏发电等新能源利用在国家能源战略体系中已经成为不可或缺的一部分，并且其占比在逐年上升[3]。但由于气象条件和自然环境等的影响，相比较于电化学储能技术来说，其受外界条件因素影响的可能性较大。目前我国较为常用的电化学储能电站包括储能模块、功率转换模块、监测管理模块以及电力系统模块等。储能模块由单体电池、电池仓以及电池管理系统三部分构成，其主要功能是用于储存和释放电能，它的主要类型有铅酸电池、全钒液电池和锂电池三种。

铅酸电池是以硫酸溶液为电解液，充电状态时以硫酸铅为正负极，放电状态时正电极为氧化铅，负电极为铅。它以制造简单、价格低廉、性能可靠等优点争得一席之地。全钒液电池是一种可通过氧化还原反应再生的电池，它的使用寿命、后期的污染风险以及安全性相比较于其他两种电池来说具有较高的优势[4]。锂电池从整体上看比前两种电池的使用率更高，因为它能够在温度较为恶劣的环境下使用而不受影响，而且能够占据电化学储能最高地位的原因是其能量密度高。

储能技术主要是指能够通过物理或化学的方式来对电能进行储存，并且能够在所需的时间或环境中释放出来，主要有机械储能、电池储能以及电化学储能三种类型。而电化学储能技术就是指通过将电能转化为化学能的形式储存起来，并在需要的时候释放。简单来说，电化学储能电站就是一个巨大的“电池”。以磷酸铁锂电池为例，其正极材料是含有锂元素的化合物，负极材料常见的是石墨和碳，电解质为有机溶剂。在磷酸锂铁电池的充电过程中，正极产生锂离子并通过电解质到达电池的负极[5]。而在放电过程中，充电时到达负极的离子重新运动到正极。在整个过程中，返回正极的锂离子越多，电池的容量就越高，而锂离子在正负极之间不断运动就产生了电流，这就是磷酸锂铁电池的工作原理。

1.2  电化学储能电站火灾原因与特点

1.2.1  电化学储能电站火灾案例

2021年4月16日，北京一公司的光储充一体化项目发生火灾，造成2名消防员牺牲[6]。调查显示，此次事故发生的原因是某处装置的磷酸锂铁电池发生短路，从而引发的电池热失控，并且电池中的易燃易爆成分与空气结合形成了爆炸性气体，预定后发生了较大程度的爆炸。这个案例反映出来的问题除了公司维护得不到位外，最重要的原因就是锂电池中可燃物容易引起大范围的伤害。

1.2.2  电化学储能电站火灾原因

据不完全统计，近十年来全球储能项目发生的火灾、爆炸事故有32起，其中大部分事故和三元锂电池相关[7]。除此之外，在充电过程中或充电完成之后的静止期容易发生火灾。而火灾的主要原因大部分都是由于电池内部的短路从而引发热失控，一定条件下就会爆发火灾。热失控就是指电池在充放电过程中由于短路等问题，致使热量积累，到达一定程度后就会引发失控。

1.2.3  电化学储能电站火灾特点

一是事故发生的导火索较多。大部分的电池热失控情况都是以储能电站发生火灾或爆炸的形式表现出来，但产生火灾的原因都各不相同，可能遍布于从电池产生到投入使用的各个环节中。以电池从生产开始到使用的顺序判断原因，首先可能是由于电池本身的各部分零件质量问题，或者是在电池的安装过程中使用不够恰当的安装方法，从而导致热失控。其次在使用过程中，可能是使用人员的操作失误、电池使用时亏电时间较长或者循环使用过程不合理等情况导致热失控的发生。最后，如果电池遭遇剧烈的撞击、其所处环境发生火灾或者进水等情况也会引起电池短路。另外，电池长时间使用后，也可能会因为电池老化以及维修不当等原因引发热失控。

二是荷载能量越大，热失控后发生爆炸的可能性越高。电化学储能电站中储存的荷载电量数量多，其中所含的电池数量多，模块组数以及能量容量也多，电站的电流电压较大，如果某处电池中发生短路而引发热失控，这时便会产生链式反应，能量大规模集中爆发，传播速度会急剧加快，可能会引发不可估量的灾害。此外，储能电站内都带有高压电，在事故发生后，其还具有一定的电量，因而容易发生漏电与爆炸等情况，这在一定程度上也加大了事故救援的难度。

三是发生火灾后易产生有毒气体。电化学储能技术中所使用的电池大部分多为活泼的化学物质，火灾发生时，由于高温等情况各类电池可能发生分解，剧烈反应后将会释放出大量的气体，气体中不仅含有一氧化碳、氟化氢、二氧化硫等有毒有害气体，而且可能会含有氢气、甲烷、乙烷等可燃气体。不仅威胁被困人员的生命安全，还会在一定程度上阻碍救援人员工作的实施，造成二次伤害。

四是火灾救援难度大。由电池发生事故而引发的火灾处理难度较大，而电化学储能电站也是如此，主要是因为没有特别有效的灭火劑。在现有的几种灭火剂中，干粉和气体灭火剂的工作原理主要是隔绝，能自然有效地隔绝掉空气，但也阻碍了爆炸产生的热量的散发；而泡沫灭火器或者用水进行灭火则可能会有触电的危险，并且电化学储能电站占地大，电荷量多，可想而知其救援难度可谓难上加难。

2 常见灭火剂性能分析

2.1  气体灭火剂

气体灭火剂主要包括二氧化碳、七氟丙烷等。二氧化碳的灭火机理主要是通过稀释空气中的氧气，从而起到灭火的作用。但是二氧化碳对于人体来说具有一定的毒性，所以在使用二氧化碳进行灭火时需要先疏散人群，在使用过程中，二氧化碳喷出时会使得周围环境温度降低，若使用在高温金属设备上，可能会对其造成一定的损害，从而影响其使用功能。而七氟丙烷灭火剂的灭火原理与二氧化碳灭火剂的原理相近，都是通过降低温度稀释氧气浓度来阻止燃烧。此类灭火剂不会产生冷气而对救援设备造成二次伤害。但需要注意的是浓度如果配比不当就会产生大量氟化氢等有毒气体。

2.2  水基灭火剂

水基灭火器是水、水成膜泡沫和f500等灭火剂的统称，也是在日常消防救援过程中使用最多的灭火剂种类。水的灭火原理是通过降温、降低氧气含量、减少可燃物浓度等来阻碍燃烧反应的进行。针对电化学储能电站的灭火作业，考虑到可能会有漏电等情况，在用水过程中可以使用导电能力较弱的水进行灭火。缺点就是耗水量大且救援时间线拉长。

对于其他的水基灭火剂来说，在纯水中加入一些具有特殊效力的化学药剂，进而改变水的附着性和浸润性，能够使得水的灭火性质得到进一步改善，例如水成膜泡沫和f500灭火剂。实验研究结果表明，f500灭火器对于由锂离子电池引发的火灾具有良好的灭火效果，不仅耗水量少，而且耗时也比较短。而其工作原理是由于f500具有特殊的化学结构，它的分子中非极性端可以与磷酸铁锂电池产生的主要燃烧物质结合，并把它包围形成一个化学茧，这样就可以将电池中的燃烧物钝化成为不可燃烧的物质，从而阻碍了进一步燃烧和爆炸的发生。

2.3  干粉灭火剂

干粉灭火剂主要是由无机盐和少量添加剂粉末组成的，工作原理是通过隔绝空气来抑制燃烧，除具有针对性的干粉灭火剂之外，日常生活中常见的普通干粉剂包括ABC干粉和BC干粉两类。ABC干粉中的主要成分是磷酸氢氨和亚硫酸氢氨，ABC干粉灭火器的成分是碳酸氢钠和碳酸氢钾。但使用干粉灭火器后会有残留物附着在设备上，遇水后具有一定程度的腐蚀作用。根据大量的相关研究结果显示，干粉灭火剂对锂电池引发的火灾不能起到较为显著的效果。

2.4  气溶胶灭火剂

气溶胶灭火剂可以分为冷气溶胶和热气溶胶两类。冷气溶胶可以说是干粉灭火剂的一种升级版，它是一种超细干粉灭火剂，是一种气体灭火剂。使用全淹没而进行隔绝的工作原理。热气溶胶灭火剂的灭火原理是通过发生氧化还原反应，从而产生大量的烟雾进行灭火。其中也分为K型热气溶胶和S型热气溶胶两类。K型热气溶胶主要用于电气设备的救援，S型热气溶胶主要是起到一个保护扑灭对象的作用。

目前，我国并没有发现一种在单独使用时能够对电化学储能电站火灾产生针对性灭火效果的灭火剂，因此在救援过程中通常两种或多种灭火剂混合使用，以求能够产生较为显著的灭火效果。

3 电化学储能电站灭火救援策略

3.1  热失控预警装置

在火灾发生初期，可能只涉及单个或几个小组件，如果能够在此阶段及时发现通常避免更大的损失。因此，可以通过安装热失控预警装置起到一定的提醒作用。预警装置可以通过检测电池的电压、电流以及其本身的温度情况进行系统分析，一旦发现异常情况就能够及时将信息传递给监控中心并及时切断该处的工作，然后安排专业人员进行处理。这样一来就能够起到预防作用，减少人员和资产的损失。目前，热失控预警装置的位置、布局、密度等方面的标准还不够明确，因此需要相关部门进一步整合标准。

3.2  关键部位的分隔保护

如果错过了第一道防线，电池故障引起的热失控得到进一步扩散，这时就需要在电化学储能电站的布局中设置防火分割的第二道防线。而根据组件的布局和大小可以分成三类：首先是电池模块内的单件分割，需排布隔热材料。其次是电池组之间的分割，可以选用玻璃纤维材料或者是不燃的隔热材料。最后就是电池室与其他装置之间的分割，电池室应当单独并采用耐火限度极高的材料进行分割，其墙面上除了开设通向疏散通道的门之外，不应该再开设其他窗口，从而达到较强的隔绝作用。这样不仅能够保护救援人员的生命安全，而且能够降低火灾发生时的传播速度。

4 结束语

为了能够使电化学储能技术的研究进一步发展，必须将电池热失控机理以及其发生火灾的原因及特点摸索清楚，才能将电储能使用提到一个更高的安全层次。但由于电化学电池本身的不稳定性，电化学储能电站的事故发生不能完全避免，只能通过对灭火剂的选择和救援方式等方面进行改进等，将其事故发生率在最大程度上降低。而如果仅仅利用传统的灭火救援方式并不能够达到实际所需，因此需要进一步研究探索，升级灭火剂、调整救援过程中的人员分配、引入更加先进的救援设备等，才能找到更好的发展道路。

参考文献

[1]许佳佳，王青松.电化学储能电站火灾的防与控[J].劳动保护，2021（12）：17-19.

[2]杨君涛，张永丰，张磊.电化学储能电站火灾风险分析与评估指南研究[J].现代职业安全，2021（11）：26-29.

[3]高硕，方建钢.电化学储能电站火灾事故应急响应与处置思考[J].湖南科技学院学报，2021，42（5）：39-42.

[4]蔡昊燃.储能电站电化学特性分析及火灾防控措施思考[J].山东化工，2022，51（16）：219-221.

[5]郭鹏宇，王智睿，胡新雨.磷酸铁锂电池预制舱施工和检修过程的火灾预防[J].电力安全技术，2020，22（5）：65-69.

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

[7]世纪新能源网.国内外储能电站火灾或爆炸事故统计与分析[EB/OL].https：//www.ne21.com/news/show-160075.html