鋰離子電池儲能站安全重點介紹（下）

近年來鋰離子電池儲能站需求快速成長，然而其相關之火災與爆炸事故亦頻傳，顯示鋰離子電池儲能站的安全風險控管至關重要。上一期（第168期）主要介紹鋰離子電池儲能站面臨哪些安全風險？本期則針對鋰離子電池儲能站的消防系統設計及建議進行詳細說明。


儲能站消防系統設計
一、儲能站消防系統與規格建議
依據NFPA 855我國規定及FM5-33規定，可以選用的消防系統整理如（表四），可以發現各國要求都是設計密度0.3 gpm/ft2(12.2 mm/min)撒水系統。
 

二、大規模撒水測試緣起
消防系統設計依據2019年FM Global、PIRG及FPRF共同合作進行鋰離子電池儲能系統撒水滅火測試，分別針對LFP和LNO/LMO設備進行了小規模、中等規模及大規模撒水測試[註1]。大規模撒水設計要求與NFPA 13的 EH2 場所或FM 3-26的HC-3 場所一致，實驗設計與參數整理如（表五），實驗測試顯示：
1. 撒水保護可以降低單一機櫃火載量，但不能充分冷卻機架內的模組。
2. 火勢被控制在單一機櫃，量測有撒水及沒有撒水（free burn）熱傳量（heat flux）與安全距離。

依據大規模防火測試實驗可以提供機櫃在撒水期間火載量充分控制，沒有延燒風險。請注意，此處是「控制」機櫃火勢而不是「滅火」;另外，是針對單一機櫃而不是儲能站。 

三、 NFPA855大規模撒水測試要求
1、 UL 9540A Installation層級測試
雖然NFPA 855沿用「大規模撒水測試」相同名詞， 但是測試設置與程序是按照UL 9540A標準內Installation層級進行試驗。消防系統合格判定為：
(1) 引火機櫃（Initiating ESS unit）上進行按照NFPA 855 4.1.5進行的大規模著火試驗，證明不會延燒相鄰的單元（Target ESSunit）;或
(2) 如果安裝在建築物內，則試驗過程中的火勢應包含在房間或封閉區域內，其持續時間應等於房間防火牆時效。

UL9540A測試區分Cell 層級測試、Module 層級測試、Unit層級測試及Installation層級測試等四種層級。依據UL 8540A 9.8 所述，如果在單元（unit）層級測試完全符合表 9.1 所有要求，則不需要進行安裝(Installation)層級測試。

2、常見問題討論
使用者存在一個問題，如果在單元（unit）層級測試完全符合表9.1所有要求，是否可以免設消防系統？經與UL北美公司電話會議確認，即使供應商提出Unit層級測試報告完全符合表9.1要求，仍然需要設置消防系統。

這個疑點也可以由NFPA 855 確認，因為單元（unit）層級測試完全符合表9.1所有要求，已經包含消防系統合格判定條件1（引火機櫃上進行按照NFPA 855 4.1.5進行的大規模著火試驗，證明不會延燒相鄰的單元）。

四、 窒息或隔離氧氣不適用於鋰離子電池儲能站
馬里蘭大學研究[註2]，純氮氣環境下，LCO、NCM和LFP在一隻電池發生熱失控後，都會蔓延至其他相鄰電池組。這個實驗是否衍生一個問題——鋰離子電池為何在沒有氧氣的環境下，可以持續燃燒？

在上期文章的（表三）中顯示，在熱失控第三階段，鋰離子電池正極分解過程中會產生氧氣，因此如果期望消防藥劑以窒息方式滅火或控制火勢，可能不適用於鋰離子電池儲能站。

五、 NFPA 855要求消防系統應按照對應NFPA標準安裝
依據NFPA 855 4.11.3進行的大規模滅火測試，應允許使用其他自動消防系統，但應符合下列標準或等效標準：
1. NFPA 12 二氧化碳消防系統標準
2. NFPA 15 水霧系統消防系統標準
3. NFPA 750 細水霧系統消防系統標準
4. NFPA 2001潔淨藥劑系統消防系統標準
5. NFPA 2010 氣溶膠系統消防系統標準

本文依據上述NFPA標準與FM5-33規範，將各消防系統應用於儲能站的限制條件或疑慮，整理如（表六）所示。 
 

選用撒水以外消防系統，建議優先檢討FM 5-33 三大適用性：
1. 可以用於電壓480V以上深層火災嗎？如果可以，設計濃度是多少？浸泡時間需要多久？有否第三方證明？
2. 是否有大量冷卻效果？
3. 放射後，深層火災是否繼續復燃？

六、設置消防栓及消防灌水
1、 消防栓射水及消防灌水效益可能包含：
(1) 儲能站降溫：有助於降低集裝箱內不完全一氧化碳溫度，降低回燃（backdraft）風險。
(2) 電池櫃降溫：有助於降低電池櫃環境溫度。
(3) 洗滌毒煙：鋰離子電池噴出的毒煙溶於水（HF及POF3），降低毒煙濃度。
(4) 降低可燃性氣體濃度：可燃性氣體大都不溶於水，射水或灌水可以將站內可燃性氣體擠出，以降低可燃性氣體濃度。

2、 消防灌水應考慮集裝箱箱體水密性及箱體上方透氣口。
(1) 如果水由低處進風口流出，沒有灌水效果。
(2) 如果水由洩爆片（依據 NFPA 68設計）流出，沒有灌水效果。

3、 消防栓射水安全要求尚未有國際標準，參考IEC 62933-5-2 附件B，引用UL 對太陽光電板射水實驗報告，1000V至少距離6.1公尺以上（以2mA安全接觸電流判斷）。瞄子以水霧10°錐角射水，水質不好（例如髒水及泡沫）會增加導電可能性，雖然消防員的手套和靴子提供有限的防電擊保護，但如果無法確認絕緣表面完好且乾燥，消防員的手套和靴子不應被視為有效電氣個人防護裝備。

4、 為避免救災人員感電及毒煙風險，建議使用認證合格的自動水泡（Fire Monitors / Firefighting Water Cannons）或是認證合格的移動式水泡，建議一隻水泡射水用於冷卻起火的儲能站，另一隻射水使用霧化噴頭於起火儲能站噴射下風處洗滌毒煙與冷卻相鄰儲能站。根據特斯拉儲能站火災報告，延燒至相鄰儲能站可能原因為風勢，因此救災時建議對於下風處的集裝箱射水冷卻。須注意的是，集裝箱如果沒有防火時效，集裝箱屋頂可能有坍塌風險。

5、 撒水與消防栓持續供應45分鐘[FM 5-33: 2.4.2]。

七、集裝箱外水霧
因為水泡需要人為操作放射角度，且受到地面障礙物（例如儲能站柵欄圍籬或是相鄰集裝箱阻礙），無法有效與及時射水。建議於儲能站集裝箱四周設置水霧，避免延燒與隔離毒煙。依據IEC 62933-5-1 7.3.3.3預防和保護火災措施包括：
1、 結構使用不可燃或阻燃材料。
2、 消除或最小化過熱風險。
3、 限制火災的規模，包括火焰、熱量和煙霧等。
4、 使用火災探測和滅火系統。
5、 存儲和／或輔助設備關閉或緊急停止。
6、 隔離消防系統覆蓋的保護區，例如密閉空間或撒水幕（water curtain），當火勢已經燒出集裝箱，最後一條防線就是撒水幕。

IEC 62933-5-1 沒有提供設計細節，建議參考NFPA 15 第7.3節燃燒控制、消防署防火牆及防火水幕設置基準，或是建築防火設備（撒水幕系統）審查評定要點。

八、消防廢水風險
1、 消防廢水排放應妥善處裡，不可逕流排放。其法源依據：
(1) 我國水污法「事業或污水下水道系統排放廢（污）水緊急應變辦法」第12條：化學物質運作場所發生災變，因救災產生大量廢（污）水，應設置截流、收集、暫時貯存設施，並妥善處理或委託處理。
(2) NFPA 13 ：排水應排放到外部或排放連接到能夠處理排水流量場所。[13:16.10.4.4]

2、 儲能站不論設置自動撒水系統、消防栓、消防灌水、水泡、水霧，儲能站四周必須設置集液溝或溢流堤，經過有效處裡後才能徑流排放，或委託事業廢棄物合格廠商處裡。

3、 氫氟酸是氟化氫的水溶液，若不慎暴露於氫氟酸，應立即用六氟靈（Hexafluorine）沖洗;若現場無六氟靈，則先以大量清水沖洗20∼30分鐘，然後以葡萄糖酸鈣軟膏或藥水塗抹，並緊急送醫處理。

九、 室內型功率轉換裝置(PECS)自動消防系統
建議參考NFPA 76資訊室設計自動撒水系統，因為UPS與 IGBT 都是功率轉換裝置（PECS），所以選用NFPA 76。如擔心自動撒水系統對防護區內物品造成損害，替代方案為依據NFPA 101表9.8.1，可以選用所有NFPA合格的消防系統進行安裝。綜上所述，室內型功率轉換裝置自動消防系統可以選用所有NFPA認可的消防系統。

十、 室外型功率轉換裝置(PECS)自動消防系統
功率轉換裝置（PECS） 建議設置消防系統， 因為其核心裝置IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極電晶體）已經有多次火災案例，室外PECS通常與變壓器設在一起，建議這區域依據NFPA 15 7.4.4水霧系統設計。另依據NFPA 15 7.4.4.6提醒，水霧噴嘴的位置應確保射水不會直接衝擊帶電套管或突波保護裝置（SPD）。

十一、 儲能站與PECS室火警感知系統
1、 極早期火災預警探測系統：雖然儲能站佔地面積沒有超過232m2，建議依據NFPA 76安裝極早期火災預警探測系統（遮蔽率必須 < 0.65%/m;0.2 %/ft）。
(1) 室內佈點：點型煙霧探測器或採樣口，最大覆蓋面積為 18.6m2。
(2) 回風佈點：點式煙霧探測器或採樣口，最大覆蓋面積不超過 0.4m2。

2、 煙霧探測系統與火焰感知器
(1) 儲能站內應配備符合NFPA 72的煙霧感知系統。
(2) 煙霧檢測系統可能失效環境（例如露天環境），可以使用火焰感知器替代煙霧感知系統。

結論與建議
一、儲能站消防系統
1、 儲能站消防系統應依據NFPA 13設計，最小設計密度為0.3 gpm /ft2 (12.2 mm / min)，設計面積以整個房間或2500 ft2(230 m2)取其較小者為準。

2、 如選用其他滅火系統，必須符合：
(1) UL 9540A安裝層級（installation level）測試，不論UL9540A 單元層級（unit level）測試報告是否符合表9.1 所有要求。
(2) 應按照NFPA 或等效標準設計，例如使用潔淨藥劑為等效藥劑，必須要符合NFPA 2001設計要求。
(3) 依據（表六）檢討儲能站消防系統藥劑，針對FM5-33三項關鍵問題審查，以確認其有效性：(a)480V以上無法斷電儲能站，深層火災設計濃度與浸泡時間;(b)藥劑是否有大量冷卻功能;(c)限制放射（持續放射與復燃放射）。

3、 設置消防栓及消防灌水，其中：
(1) 消防射水應假設消防員手套和靴子不被視為有效電氣個人防護裝備，考慮足夠距離使接觸電流小於2mA。
(2) 如有感電或／且毒氣暴露之虞，建議設置集裝箱外水霧。
(3) 消防灌水應考慮集裝箱箱體水密性、承受壓力及箱體上方排氣口。如有設置洩壓片，不宜灌水。
(4) 儲能站四周必須設置集液溝或溢流堤，經過適當處裡後，才能徑流排放或委託處理。
(5) 準備六氟靈或是葡萄糖酸鈣軟膏為緊急救護物資。

4、 水量與持續時間：依據FM 5-33:2.4.2撒水與消防栓持續至少供應45分鐘。

二、 功率轉換裝置(PECS)自動消防系統
1、 室內型功率轉換裝置：依據NFPA76 及 NFPA 101，室內型功率轉換裝置自動消防系統可以選用所有NFPA認可消防系統。
2、 室外型功率轉換裝置
(1) 建議這區域（包含變壓器）依據NFPA 15 7.4.4 設計水霧系統。
(2) 另依據NFPA 15 7.4.4.6提醒，水霧噴嘴的位置應確保射水不會直接衝擊帶電套管或突波保護裝置（SPD）。

三、火警感知系統
1、極早期火災預警探測系統
雖然儲能站佔地面積沒有超過 232m2，建議依據NFPA 76安裝極早期火災預警探測系統（遮蔽率必須 < 0.65%/m;0.2 %/ft）。
(1) 室內佈點：點型煙霧探測器或採樣口，最大覆蓋面積為 18.6m2。
(2) 回風佈點：點式煙霧探測器或採樣口，最大覆蓋面積不超過 0.4m2。

2、 煙霧探測系統與火焰感知器
(1) 儲能站內應配備符合NFPA 72的煙霧感知系統。
(2) 煙霧檢測系統可能失效環境（例如露天環境），可以使用火焰感知器替代煙霧感知系統。

四、防爆電氣區域劃分
1、 儲能站電池櫃區域為電氣防爆區域，歐美等國家使用通風免設電氣防爆，相關計算可以參考IEC 60079-10-1附件B及附件C。
2、 依據UL 9540 17.3 儲能室相鄰的室內電氣室，應按照NFPA 497或IEC60079-2設計正壓室。

感謝
儲能站安全歷經2年整理，期間感謝台積電新工處劉天文經理與陳彥儒先生、台灣UL翁文俊經理、席寶祥博士、勞研所蘇文源研究員、儲盈謝芳吉博士等專家深入討論;也感謝台電相關單位（包含供電處、再生能源處、輸配電工程處、電力調度處、台北營運處、新桃營運處、台中營運處、嘉南營運處、高屏營運處、花東營運處）以及國內大型儲能供應商（包含親家建設、台泥、大同）提供現場訪視與技術交流。

※備註
[1] Benjamin Ditch and Dong Zeng, Development of Sprinkler Protection Guidance for Lithium Ion Based Energy Storage Systems，June 2019 (Revised October 2020).
[2] Ahmed O. Said and Stanislav I. Stoliarov, Passive Mitigation of Thermal Runaway Propagation in Dense 18650 Lithium Ion Cell Assemblies, Journal of The Electrochemical Society 167(9), April 2020。