一起了解一下國家消防安全研究所對鋰離子儲能
時間：2022-04-14
UL 的消防安全研究所對一個聯(lián)運集裝箱進(jìn)行了三項實驗，該集裝箱被配置為代表一個室外模塊化步入式儲能系統(tǒng)，例如 2019 年 4 月發(fā)生爆炸的那個。這些實驗旨在展示基本的火災(zāi)和爆炸這種結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生級聯(lián)熱失控時會產(chǎn)生危險
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自 1991 年推出以來，鋰離子 (li-ion) 電池為電子市場的一場革命做出了貢獻(xiàn)。它們重量輕、可充電、能量密度高，并且在過去幾年中變得更加經(jīng)濟(jì)。這些特征，以及對電網(wǎng)的更高需求和不斷增加的可再生能源部署，導(dǎo)致鋰離子電池在電網(wǎng)規(guī)模儲能系統(tǒng) (ESS) 中的采用。鋰離子電池 ESS 具有大型電池陣列，每個機(jī)架的總重量可達(dá)數(shù)千磅。
鋰離子電池包括由聚合物隔板隔開的陽極和陰極。電池通常是一種安全技術(shù)，盡管導(dǎo)致隔膜損壞或電池過度充電的濫用會導(dǎo)致內(nèi)部短路，從而導(dǎo)致自熱。在足夠高的溫度下，電池內(nèi)發(fā)生的放熱反應(yīng)會產(chǎn)生額外的熱量。溫度在不受控制的過程中迅速升高，這被稱為熱失控，這會導(dǎo)致電池?zé)岱纸獬梢兹細(xì)怏w，這些氣體可能會或可能不會立即點燃。熱量會損壞相鄰的電池并導(dǎo)致級聯(lián)熱失控。這種現(xiàn)象在高度宣傳的氣墊板和電動自行車燃燒或作為更大火災(zāi)的點火源的事件中被看到。
在熱失控事件中產(chǎn)生的氣體是易燃的，并且一氧化碳和二氧化碳含量很高，如果它們積聚在密閉空間中，可能會造成爆炸和窒息危險。因為 ESS 中的單個單元的數(shù)量比懸浮滑板或電動自行車中的單元數(shù)量多很多倍，所以 ESS 中的潛在事故規(guī)模也大得多。
事件
UL 的消防安全研究所審查了2019 年 4 月 19 日發(fā)生的爆炸，該爆炸是由于亞利桑那州的 2.16 MWh 鋰離子電池 ESS 內(nèi)的級聯(lián)熱失控而發(fā)生的。四名職業(yè)生涯的皮奧里亞，亞利桑那州，消防醫(yī)療部門危險品團(tuán)隊成員在爆炸中受了重傷。50 x 14.25 x 13 英尺的 ESS 結(jié)構(gòu)包含 27 個機(jī)架。每個機(jī)架可容納 14 個電池模塊。每個模塊有 28 個單獨的鋰離子電池（總共 10,584 個電池）。
當(dāng)煙霧探測系統(tǒng)在大約下午 4 點 55 分發(fā)出警報條件時，首先表明 ESS 中的異常情況。 工程抑制系統(tǒng)在警報條件出現(xiàn) 30 秒后釋放了一種完全淹沒的清潔劑抑制劑。第一批消防員（來自 Surprise Fire-Medical Department）于下午 5 點 49 分抵達(dá)現(xiàn)場
危險品小組于下午 6 點 28 分左右抵達(dá)現(xiàn)場，并注意到低洼的白色蒸汽云從建筑物中散發(fā)出來并飄過沙漠。該團(tuán)隊使用多氣表、比色管和熱像儀在 ESS 周圍進(jìn)行了多次 360 度測量。在整個 ESS 附近測量了氰化氫 (HCN) 和一氧化碳 (CO) 的濃度，這些濃度高于被定義為立即危及生命和健康 (IDLH) 的水平。
危險品領(lǐng)導(dǎo)層根據(jù)高級消防員的意見和 ESS 的所有者、設(shè)計者和維護(hù)者提供的信息制定了事故行動計劃。危險品小組在大約晚上 7 點 52 分接近 ESS，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)外的 HCN 和 CO 濃度已降至環(huán)境條件。按照事件行動計劃，小組在晚上 8 點 01 分左右打開大門，評估 ESS 內(nèi)部的情況門被打開幾分鐘后。
現(xiàn)場觀察顯示，熱失控僅限于單個電池架。然而，它產(chǎn)生的可燃?xì)怏w足以在最初的警報后三個多小時內(nèi)引發(fā)爆炸。爆炸使 ESS 結(jié)構(gòu)變形，導(dǎo)致門變成拋射物，并將一名消防員和另一名消防員撞進(jìn)沙漠30 英尺和 73 英尺。
實驗
2020 年 7 月，UL 在一個 20 英尺的聯(lián)運集裝箱中進(jìn)行了三項研究實驗，該集裝箱是為代表室外模塊化步入式鋰離子 ESS 而建造的，以促進(jìn)對消防服務(wù)、消防工程對 ESS 火災(zāi)和爆炸危害的了解和儲能行業(yè)。這三個研究實驗的計劃和實施受到了對驚喜事件進(jìn)行的審查中所學(xué)到的重大影響。具體來說，這些實驗旨在記錄和證明在集裝箱鋰離子 ESS 內(nèi)部發(fā)生級聯(lián)熱失控時產(chǎn)生的基本火災(zāi)和爆炸危險。
每個實驗都是從加熱鋰離子電池開始，直到熱失控開始從一個電池級聯(lián)到另一個電池。氣體測量儀器，例如那些可能存在于 ESS 裝置中并由消防部門攜帶的儀器，被用于評估它們對初始和持續(xù)事件規(guī)模擴(kuò)大使用的測量響應(yīng)。爆燃通風(fēng)被用于安全演示任何觀察到的爆燃，表明不通風(fēng)的爆燃可能導(dǎo)致的潛在爆炸危險。在第一個實驗中沒有采取任何干預(yù)措施。在第二個實驗中，采用了與 Surprise 中的系統(tǒng)設(shè)計相似的全驅(qū)清潔劑系統(tǒng)。
在第三個實驗中，通過這些實驗確定的戰(zhàn)術(shù)考慮是：
· 熱像儀無法評估熱失控中 ESS 單元的數(shù)量或位置
· 紅外熱像儀確定抑制系統(tǒng)是否已運行或正在運行的能力有限
· 熱像儀不是確定可見蒸氣（例如，電池氣體、蒸汽等）性質(zhì)的可行工具。
· 響應(yīng)的消防員應(yīng)在穿著完整的結(jié)構(gòu) PPE（D 級套裝）和完整的 SCBA 時使用便攜式氣體儀表測量 CO 和對特征低洼白色蒸氣的目視觀察來定義熱區(qū)
· 消防便攜式燃?xì)獗碓陔姵貧怏w環(huán)境中存在局限性
· ESS 安裝的通風(fēng)可能會導(dǎo)致爆燃或快速過渡到閃絡(luò)
· 使用便攜式燃?xì)獗碓u估內(nèi)部條件或從 ESS 泄漏的氣體/蒸汽將消防員置于爆炸危險區(qū)域
· 商用可燃?xì)怏w和氫氣檢測器對于指示熱失控廢氣是有效的，但對于正在進(jìn)行的氣體危害評估并不可靠；消防服務(wù)便攜式燃?xì)獗硗ǔＪ褂孟嗤膫鞲衅骷夹g(shù)，這些技術(shù)受到相同的限制
· 全驅(qū)清潔劑抑制系統(tǒng)沒有阻止級聯(lián)熱失控或消除爆炸危險
· 基于天花板的噴水抑制系統(tǒng)將級聯(lián)熱失控限制在單個機(jī)架上，但在抑制起始機(jī)架方面的效果有限
· 在具有遠(yuǎn)程消防部門連接的 ESS 裝置中，最安全的初始操作是向連接處供水
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