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黄昊:锂离子电池储能消防安全探讨

4月24-26日,由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会主办的第九届中国国际储能大会在浙江省杭州市洲际酒店召开。在4月24日下午的“国际储能市场与政策专场”,应急管理部上海消防研究所黄昊在会上分享了主题报告《锂离子电池储能消防安全探讨》,以下为演讲实录:

黄昊:锂离子电池储能消防安全探讨

黄昊:大家下午好!今天主要跟大家分享从2013年起我们在锂离子电池消防安全方面取得的一些进展,还有在储能方面我们的一些思考。

今天演讲开始之后,请大家看一些视频,这些可以给大家看,给大家看的意思是什么?会看到这些都是锂离子电池的事故,非常迅速,会发生一个爆燃的过程,这是锂离子工厂生产环节当中产生的事故,然后报警了,消防到场,到场的时候发现什么问题?炸的,这是我们面临的最重要的问题,锂离子电池造成的爆炸的事故。我们讲锂离子电池会发生燃烧或者爆炸,但是燃烧跟爆炸是两个概念的事情,在消防里面有一个原则,在消防设计当中要面对最不利的风险就是爆炸。我们现在设计可以做到吗?我们接着往下看。

黄昊:锂离子电池储能消防安全探讨

今天首先讲一下我们目前是什么样的设计。大家都很清楚,韩国和中国都发生了一些锂离子电池的事故,刚刚也有专家进行了展示,像中间这个图中的集装箱变成了一个胖子,炸了,发生的剧烈的爆炸,这样的事故在我们的现实储能系统中已经真实的发生了,我们要做的是什么?去正视这样的风险,不是一味的回避.在我的工作中间经常会听到很多储能系统商会跟我们讲电池很安全,电池不会炸。是这样吗?可能您的电池设计的相对比较好,有一定的安全系数,但是在事故条件下,您的电池会怎么样,我不敢保证,我们就从事故当中去分析去总结经验.

这是另外一起事故,去看一个俯视图,从这个图上,会看到储能系统密密麻麻,它占地非常小,小了之后造成了集装箱之间的距离非常的小,就是像刚刚讲的,有一个平面布局的问题。我们讲消防救援是最后一道防线,为消防救援带来了非常大的困难,在这样的事故当中,消防员没有办法就近的扑救,整个集装箱的系统设计的非常密有很多的风险。这个抬架有一定的高度,系统设计当中应该注意这些问题。

如何来做我们储能系统的消防安全。有这么一些方面,首先设计可不可以做到安全还有标准,锂离子电池设计方面有欠缺的,从安全角度设计储能的标准,要努力去干。还有消防系统,大家都在说有一些消防系统,在一个集装箱内装一个悬挂系统,这就是我们说的消防系统吗?我们认为远远不够,那你只是一个自动灭火的装置,我们消防系统是一个系统,包括火灾报警自动灭火,火灾,爆炸的泄爆,这才是一个系统,我们现在的考虑不够。

接着是安全管理,其实这个会被更多人所忽视,消防非常大的一部分来自于管理,你有再好的设计,没有之后的运营维护去落实这些设计,就是归结于零,现在管理有吗?几乎很少可以看到,所有这些都处于一个未知的状态,造成这个状态的根源是什么?我们讲锂离子电池,对它的安全性近些年来一直被大家所提及,但是真正去研究,在事故条件下,锂离子电池是一个什么样的状态的人不多,大家都在做什么?通过认证、通过测试,其实我们认为这是两回事,这只是一个我可以做的。就是现在大家在做的这些事,是一个正常条件,我正常使用下会是安全的,事故条件下会是这样吗?我们认为不是,所以这样的一些测试要超越我们的一些认证、一些标准的测试,去更深一步考虑事故条件下去做,这是我们储能消防安全的设计基础。

接下来给大家介绍一下锂离子电池的火灾的一些特性。首先列了两项标准,第一个是危险货物品名表,也是从英文标准里面引用过来的标准。大家会看到锂离子电池属于危险品,只不过属于第九项,就是说火灾危险特性不明确而已,还有看我们的国家的建筑设计防火规范,在这份规范里面没有明确锂离子电池属于哪一类的危险。前两天在国网开会时还有非常多的人在讲,我的储能系统用的戊类建筑,属于非燃烧物品。锂离子电池不是的有爆炸的风险吗?我们看甲类乙类都有爆炸的风险,当然现在我们国家对于锂离子电池的火灾危险特性没有明确的定义,大家会按自己认为的类别。我们国内的管理部门也没有明确的定义,这样的条件下我们建议是尽可能的往上靠,往下靠对自己没有保障。在正常情况下,电池会发生一些电化学反应,势必会产热,温度高到一定程度,会让电池进入一种自加热状态,这就是热失控的开始,电池里的电解液有大量的可燃物,这些可燃物在热的条件下逸散,形成可燃的气体,就是爆炸风险的来源。

这是我们实验室做的两个测试,我们模拟了这样相对密闭的系统。在一个相对密闭的空间,在一定的条件下电池会处于一种爆燃的状态,这种爆燃会产生冲击波顶开上盖、冲破窗口,还会形成火灾的快速蔓延。因此,储能系统的设计要以能应对这样的风险为基础,而不是说以稳定燃烧的状态为基础,这是对于一个储能系统设计的核心理念。

接着我们看在电池热失控过程当中会释放出哪些气体。我们做了一些总结。当然这还不是全部的分析,只是做了一些我们觉得一定会有的两类。一类是可燃的,另一类是有毒的。它们有什么特点呢?挥发很快,爆炸的风险很高。有毒气体也需要关注,一旦发生了热失控对我们的环境也是一个很大的影响,对消防救援也是一个考验,哪怕只是发生冒烟的情况,毒气很大怎么救援,大家需要去考虑。不能为了提高集装箱的使用率,把集装箱堆满电池,这会造成灾难性后果。

现在储能用的更多的是磷酸铁锂电池,它的发烟量需要更多的关注,这种电池需要外部火源才可以起火。在储能系统里面,这样的风险是很高的。在我们的理念里面,一旦有一个电池发生了热失控,这样的储能系统已经处于一个崩溃的边缘。电池内部出现火花的概率非常高。用外部的火源可以证明磷酸铁锂电池不是大家想象的那么安全,其本质是不安全的。

简单的总结一下。首先,我们的电池是一个电化学的系统,一块电池表面上很安静,其实内部可能正发生着剧烈的电化学反应。它内部的反应可能会带来副反应,从而造成气体火灾。气体火灾有什么样特点呢?集中在上部,哪里有氧气,就往哪里着。还有爆炸的风险,从我们消防的角度讲,我们的锂离子电池本质上是不安全的,把不安全的电池用在储能系统里需要做安全的设计,安全的设计一定是在第一步的,去做这样的安全设计才可以保障电池的安全。

我们现在看到的储能电站有这样一个消防系统,悬挂式的灭火系统,一个安全出口的标志灯。我们认为这些远远不够,这只是一个最初级的要求。这样一个悬挂式的灭火系统有用吗?在中国山西的那一起电网侧的储能事故里,我们看到了这样的系统完全不管用。我们的烟雾报警器管用吗?有毒的气体大部分的通过我们的实验才发现,大部分的可见的气体密度大,处于电池的下部,不可见的小分子化合物往上走,当可见的那部分到达了烟雾报警器的时候太晚了。还有BMS系统,我们系统做的温度监控,只有检测到热失控那一块电池的时候,才能进行保护。这样的监测不起作用的,太慢了。什么样的报警器合适呢?这里只能给大家分享一些原则。首先,你要做一个消防的系统,要明确你对事故的容忍度。大家都认为核电站非常危险,但是我们说非常安全,因为有不计成本的投入。对储能电池我们可以做到吗?不能做到的情况下,什么样的事故可以容忍,仔细思考这个问题,做所有设计的基础,只有你把事故想清楚了,才可以把下一步做好。

这个是这两天非常热门的一个话题,这是一个真实的事故。地下车库,这个车库在上海的一个富人区,有非常完善的消防系统,但是在这样的一起事故当中,完全没有作用,事故发生太快了。造成周边连带的损失。这样的事故可以容忍吗?目前条件下不能容忍,那怎么办呢?因此我们讲需要一个系统的解决方案,在设计之初就要开始的,从每一个电池系统内部下手,比如说从模组跟模组之间的隔离开始,需要一点一点考虑火灾的风险,把火灾的风险纳入第一个要考虑的范围。

黄昊:锂离子电池储能消防安全探讨

这里面举两个大家最关心的,自动灭火系统设计的例子,需要关注哪些条件:

第一个,就是明确自动灭火功能的定位,在我们通过这么多年的研究发现,最开始做电动汽车的自动灭火装置,会发现什么问题?通过我的车载系统永远灭不了电动汽车锂离子电池的火灾。之前有很多的企业跟我讲,可以把锂离子电池的火灭掉,我们会说你吹牛,或者实验不符合,我们实验室是第三方的国家级的研究机构,我们是通过实验可以知道你做不到。我们要明确,自动灭火装置的功能与定位,在电动汽车里面我们要给出5分钟的人员逃生时间,我让火灾抑制住五分钟,这就是我的目标。储能系统里面,自动灭火装置的作用是什么?大家要去明确,知道我为什么要做这个事。

第二个,与储能系统内部的设计相匹配。打一个简单的比方,这一间房子做消防系统,跟卧室做消防系统,会是一样的消防系统吗?一定不是的。在宾馆的房间里面,水喷就可以解决问题。把这个话题引申到储能系统也是一样的,储能内部系统是不是匹配,做的防火隔离够不够。把一个模组作为一个防火单元来看待,还是把整个集装箱作为一个防火单元,这是两个概念。

第三个,早期的探测,灭火器可以抑制住火灾,乙烃用量永远是有限的,按照气体规范要10秒之内喷完,这个时候火接着起来就不起作用了。

第四个,我们在设计实验方案的时候,大家都知道储能系统很贵。可以做一个模型,模型设计的时候,提醒大家要选择一个最不利的原则,在最不利的条件下做这个事,就是抽象模型的基础。还要充分考虑爆炸、爆燃的影响。

对于内部设计。其实我们设计时做了抽象,做了每一层隔离,现在有非常多的储能系统,所有电池像货架一样放着,上下左右全是通的。在这样的条件下,火一烧就起来的上下左右全都是,做了隔离会发现,火的影响会急剧降低,对上下左右的电池的影响都会降低,这样一套系统可不可以作为参考,需要大家考虑的。

刚刚讲的,选址平面布局防火分区,还有事故排烟。不管一小时换多少次,都是没有用的,事故条件下排不走。还有防爆,一定要有的。还要考虑安全管理和应急预案。真正发生事故,你的员工该怎么做。只有这样,才能形成一个体系。

最后做一个简单的总结,在做消防系统设计的时候,要有系统化的思维,不是把别人拿过来就可以用的。要针对你自己储能系统设计,还要有充分的验证,考虑最不利条件,多做两次实验,才可以得到你想要的。最后要靠全行业的合力,很多的事故不要遮掩,没有必要的,新兴行业发展过程当中肯定会有一些事故,这是大家成功的经验。谢谢大家!

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