電池儲能系統的細水霧滅火應用

電池儲能系統的細水霧滅火應用
據統計,包含石化、鋼鐵、電子、水泥等工業用戶,一年就用掉了台灣約37%的能源,因此經濟部於今(2021)年公布了新政策——與台電的契約容量超過5000kW以上的「用電大戶」需設置再生能源發電設備。而占地面積小、建置時間短、反應快速、自主性高、又可雙向操作的電池儲能系統(BESS),近年來逐漸受工業用戶青睞。然而,若不幸BESS發生火災,如何迅速滅火並將災害降至最低?本文將為您解答
(右圖)電池儲能系統(BESS)逐漸受到工業用戶青睞,但近年來火災案例時有所聞。
 
電池儲能系統(Battery Energy Storage Systems, BESS)近年來火災案例不斷:2017∼2019年間韓國發生了23例以上的儲能站火災, 造成的損失高達數千萬美元;2019年4月美國亞利桑那州發生首起儲能站火災,2MW鋰電池儲能系統廠冒煙後起火爆炸,造成4名消防員受傷、其中2人受重傷;2020年位於英國利物浦的20MW電池儲能系統發生火災; 2021年4月中國北京豐台儲能電站發生起火爆炸,2名消防員犧牲、1名員工失聯;日前Tesla設置於澳洲的Megapack電池儲能基地起火,裝有13噸鋰電池的貨櫃在測試過程中著火,後續出動150位消防隊員、30輛水車,耗時4天火勢才被撲滅。
 
BESS火災撲滅難度高 潔淨滅火藥劑有盲點
 
儲能設備熱失控的主要原因,大致歸類為四類,分別為:(1)電氣濫用, 過度充電/放電;(2)熱濫用:高溫;(3)機械濫用:穿透、擠壓和彎曲;(4) 內部短路(ISC)等因素。就火災分類來說,鋰電池火災是結合A類(電池外殼、電池電極)、B類(易燃性液態電解質)和C類(通電中電氣元件) 的複合式類型火災;因正負極集電器為銅或鋁金屬,銅或鋁並非活性金屬, 所以不包含D類(金屬火災)。然而,一般人會認為鋰電池火災是屬於C類火災,因此在選擇消防防護系統時會將氣體滅火設備列為首選,但是鋰電池 火災的撲滅難度遠高於電氣類火災,因為鋰電池的能量密度高,且燃燒時不僅會自發產生氧氣,而且同時會生成易燃性和爆炸性氣體。
 
上述美國亞利桑那州儲能站火災事故,後續由獨立第三公證單位DNV-GL進行調查, 火災成因歸咎於電池缺陷導致的內部故障, 特別是鋰金屬的異常沈積以及電池內部的枝晶生長。調查結果發現,儲能站內設置的NOVEC1230潔淨滅火藥劑雖有正常啟動, 但無法有效抑制級聯熱失控(cascading thermal runaway)為無法順利滅火之主因。報告中分析,潔淨滅火藥劑的冷卻效應使得熱失控所生成的易燃性氣體於火災初期雖未被點燃,然而卻無法阻止持續熱失控,因此導致更多的易燃性氣體生成,易燃性氣體漸漸積聚於儲能站空間中進而達到爆炸下限; 同時間因儲能站空間氣密性不足之故,因此潔淨滅火藥劑之設計濃度會逐漸消散掉並隨時間降低其滅火性能,最後引發此次嚴重火災事故。
 
國內電子廠BESS 採用細水霧滅火系統
 
國內某專業生產電池組之電子廠於辦公大樓屋頂層建置太陽能供電系統,頂樓空間作為儲能室使用,其測試用儲能室初步安裝兩組儲能櫃。本案整體消防設計參考中國「預制艙式磷酸鐵鋰電池儲能電站消防技術規範」,現場安裝CO/H2可燃性氣體偵測器,當偵測器達預警值時,控制主機會接受到警報信號、立即啟動現場排煙風機、並關閉BMS 及PCS系統。櫃內及櫃外各安裝建置一套細水霧滅火系統(如圖1),櫃內的細水霧滅火設備為對電池module等級防護,而櫃外則是對建築物儲能空間等級防護,當任一細水霧設備動作時將自動關閉排煙機以便提升細水霧的滅火效能。
 
細水霧滅火設備採用丹麥VID低壓系統, 櫃內的細水霧噴頭為F1噴頭,噴頭放水壓力僅約2∼10bar,每一只噴頭流量約3 l/min, 每層電池櫃左右各布設一只噴頭以避免防護之死角。設備特點為,伸入電池櫃之細水霧管徑僅需使用到1/2吋不鏽鋼管即可,且噴頭的外觀較為扁平,因此較容易安裝於儲能櫃後方之狹窄空間中;櫃內偵測方式採用偵煙及偵溫探測器,藉由雙迴路訊號確認後才會釋放細水霧以避免誤動作。櫃外的細水霧噴頭為LAK-7噴頭,經FM認證可應用於二度空間可燃液體油盤及噴濺火災單點的局部放射防護(Local Application Protection), 噴頭放水壓力僅約9bar,每一只噴頭流量約20 l/min,倘若櫃內的火災無法順利控制住進而延燒至隔壁Rack時,則啟動最後一道防線——櫃外細水霧設備,布設於櫃外上方之LAK-7噴頭於系統啟動時可將全部電池櫃整體包覆住。
 
圖1、 櫃內/櫃外之細水霧滅火設備

 
兩階段滅火設計 大幅提升BESS安全係數
 
獨立第三公證單位DNV Gl的最新報告,建議採用兩階段的方法來撲滅BESS火災—— 如果系統可以限制電池級聯反應,則在滅火的第一階段使用氣體滅火系統,以撲滅單個電池火災並防止封閉環境中發生閃燃;如果溫度繼續升高,或者煙霧和氣體濃度上升, 第二階段則應考慮以強制通風和水系統/冷卻系統防止進一步的火勢蔓延。江蘇昆山110.88MW/193.6MWh儲能電站建置時即採用上述建議方案,其自動滅火系統採用七氟丙烷氣體滅火系統和細水霧滅火系統雙階段方式進行防護。
 
儲能系統中的消防設備選項,理論上細水霧無論於阻止級聯熱失控、氣密條件限制要 求、防止火災復燃能力及防護時間等,皆優於其他消防設備,因此極其適用於儲能系統中。設計方案若無預算考量,可考慮兩階段防護方式,亦即第一階段採用極早期煙霧偵測系統結合氣體滅火系統,於火災初期時儘早將表面火災撲滅;若是熱失控持續傳播時,第二階段建議以偵煙及偵溫侷限型探測器結合低壓細水霧系統防護,相信藉由兩道防護設備將使儲能系統大幅提升其安全係數。


 
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