电池储能安全仍不容乐观 APS发布储能项目火灾事故原因

7月18日，亚利桑那州公用事业服务公司（APS）发布“McMicken Battery Energy Storage System Event Technical Analysis and Recommendations”，详细说明了去年APS McMicken电池储能项目火灾事故的原因。

APS邀请DNV GL的Davion M. Hill博士作为专家顾问，就火灾事故提供了技术咨询和分析，并给出了专家意见。除了Hill博士，APS还联合Wood Environment & Infrastructure Solutions、AECOM Technical Services、Safety Engineering Laboratories、Colwell Consulting和CP Fire等公司一道参与事故调查，并给出专业的鉴定分析、科学建模和调查结论。此外，APS还邀请了包括该项目的电池和储能系统供应商AES、Fluence、LG Chem，消防系统供应商Kidde-Fenwal、American Fire Equipment、Intermountain Electronics、3M以及西北太平洋国家实验室、桑迪亚国家实验室等在内的第三方企业和机构，他们全程参与了整个调查过程，但该报告并未参考或采纳他们的意见和结论。DNV GL查阅了每一位专家的分析报告，并结合其在电池系统和电池系统故障方面的专业知识出具了这份报告，并给出了相关结论和建议。本文将报告的主要内容进行了翻译，为产业同仁提供参考。

一、事故回顾

美国电网侧储能系统发生爆炸！多名消防员受伤

1.项目简介

为了促进间歇性可再生能源并网，APS计划在两个独立的配电馈线上安装两套电池储能系统。其中一套安装在McMicken变电站。2016年6月7日，APS和AES达成协议，AES为项目提供储能系统的设计、集成、采购、施工和运维服务。2017年3月14日，项目正式投运。

图：McMicken电池储能项目总布局

在2017年3月14日——2018年1月期间，APS一直利用该项目进行各项研究，具体包括：

电池储能与分布式屋顶光伏发电相补充和整合的能力；

电池储能在高渗透率屋顶光伏场景下电池储能协助调节配电馈线电压的能力；

电池储能校正配电馈线功率因数的能力；

电池储能为配电系统优化提供实时和虚拟电力的能力；

电池储能在日落后提供电容量的能力；

电池储能实现其它可叠加和相互关联功效的能力。

上述研究完成后，这套电池储能系统的应用主要是每天被用作负荷服务资源，白天存储太阳能所发的电量，夜晚将这部分电反馈回电网。

（1）储能系统设计

项目采用LG Chem专有的NMC电芯，型号JP3，LG Chem以模组形式交付给AES。系统配置为：

电芯规格64Ah，0.24kWh，工作电压范围3.0-4.2V；

每个模组由28个电芯以2并14串的形式构成；

每个电池簇由14个模组构成，每个模组电量为6.7kWh；

储能系统由27个电池簇构成，共计10584个电芯，此外还放置了几个空的电池架用作未来扩容；

储能系统容量共计2MW/2MWh

图：McMicken项目储能系统现场图

（2）控制系统

基于LG Chem的BMS，系统级称为电池保护单元（BPU）。APS无法通过设计去改变系统的硬件或软件的设置，这就意味着电芯、模组和电池簇的正常工作条件已经由LG Chem设计的BMS和BPU定义好了，在项目建成投运后也并未更改。因此，电芯层级的电压平衡和电流调节是LG Chem BMS的责任。APS可以要求系统在其设计范围内执行任何功能，而BMS则负责电池的正确管理。AES负责将控制软件、通信和监控集成在一起。

（3）消防系统

配备了Novec1230全淹没洁净气体灭火系统。当火灾探测系统探测到火灾时，灭火系统通过安装在天花板上的管道系统喷出灭火剂，该管道系统喷出灭火剂形成细雾，在大气中分散蒸发。此外，项目还包含一个Very Early Smoke Detection Apparatus (VESDA)激光烟雾探测系统。通过监测激光束的任何干扰，VESDA可以探测到集装箱内的细小颗粒和降低能见度(由于烟雾)。

图：McMicken项目消防系统布置简易图

事故发生过程

2019年4月19日，McMicken电池储能项目发生火灾爆炸事故，造成4名消防员受伤。事故引发多方关注，APS也就此停止了850MW电池储能安装计划。此次事故的时间轴为：

表：McMicken电池储能项目火灾事故时间轴

资料来源：CNESA编译

事故原因分析

报告将引发此次严重事故的原因总结为以下五个方面：

#1电池内部故障引发热失控。在随机取样分析中，充分存在金属锂沉积和异常的枝晶生长的证据。它被认为是导致最初电芯故障，以及引发随后热失控的一个原因，这个原因也具有一定科学确定性。但由于15号电池簇已经严重损坏，因此无法用这一簇的电池去验证金属锂沉积和异常枝晶生长。

#2灭火系统无法阻止热失控。CP Fire指出该项目的消防系统在事故发生时均按设计运行，在第一个电池电压下降的一分钟内，VESDA烟雾探测系统超过了所有四个报警阈值。在Novec 1230灭火剂喷出前，VESDA烟雾探测系统按照设计启动30秒倒计时，计时一到才会喷出。此外，项目只采用了洁净气体灭火剂，通常适用于火灾初期，并不能防止或抑制锂离子电池系统的级联热失控。事实上，Novec 1230洁净气体灭火剂的制造商3M公司曾在2017年8月NFPA 855标准起草期间，向起草委员会致信声明过这一点，但当时项目已经设计并试运行了一年多，因此并未得到改善和引起重视。

#3电芯单元之间缺乏足够的隔热层保护导致级联热失控。事故由15号电池簇、2号模组的7号电池内部故障引发，产生的大量热量在相邻模组间传递，进而影响了整个15号电池簇。电芯与电芯之间并没有隔热层阻止或减慢这种直接的热传递，从而导致不可避免的级联热失控的发生。

#4易燃气体在没有通风装置的情况下积聚。按照设计，当灭火系统启动时，空调会被关闭，从而使喷出的灭火气体得以集中。当集装箱门被打开时，可燃混合物接触到热源（很可能是15号电池簇中余热的电池），引起爆炸。一般来说，在电池模组发生热失控损坏后，电池模组内的余热可能会在热失控后持续几分钟或几小时。

#5应急响应计划没有灭火、通风和进入程序。AES向APS提供的应急响应计划(ERP)中没有说明如何应对潜在的爆炸事故，也没有说明在灭火系统启动后如何进入。ERP中大部分细节都与电气关闭程序，APS和Fluence(作为O&M承包商)之间的角色和职责，以及何时/是否通知消防部门有关。ERP中没有说明何时或如何进入系统，也没有提供有关进入准备的信息，包括监测、测量、通风和灭火。

建议

此次事故清楚地表明了与锂离子电池级联热失控有关的危险，并希望防止此类事件的再次发生，报告就储能系统安全性提出了以下建议：

解决现有和运营系统中级联热失控、通风和灭火系统的缺陷；

更新标准和规范，以直接解决未来储能系统中的级联热失控问题；

在未来的储能设施中采用通风、灭火或冷却系统以控制热失控；

电池设计和电池储能系统设计中，应考虑热失控期间如何减慢或停止电芯间和模组间的热传播；

开展教育、培训和应急响应程序，解释级联热失控(包括可燃气体)的风险和危害，以及在事故后如何进入系统。

报告也表示未来类似的事故仍有可能再次发生。目前，现有标准规范虽然都已经认识到热失控蔓延是一种严重的安全风险，但并没有很好的解决措施，仍然需要有商业上可用的技术和设计来应对潜在的热失控蔓延风险。

此次火灾事故也凸显了储能方面的挑战，现有灭火系统只能应对锂离子电池储能系统早期阶段的火势处理，未来仍需要有更好的措施来应对热失控蔓延以及可燃气体积聚导致的火灾和爆炸风险。

报告也给当前国内低价竞争环境下的储能项目建设敲响了警钟，储能系统的安全需要从系统设计、建设到运维进行全方位考虑，如果没有做好安全防护，小隐患终将会酿成大事故。