中國儲能網訊：今年10月12日-13日，主題報告環(huán)節(jié)，應急管理部天津消防研究所副研究員 許曉元博士發(fā)表主題演講《儲能系統(tǒng)液氮滅火及全浸沒抑制技術》。
應急管理部天津消防研究所副研究員 許曉元博士
【以下為演講實錄】：
大家好！我是來自應急管理部天津消防研究所的許曉元，今天給大家匯報的題目是《儲能系統(tǒng)液氮滅火及全浸沒抑制技術》，將從四個方面來進行匯報：
壹
研究背景
2023年：全球新型儲能累計裝機規(guī)模達91.3GW，是2022年同期的近兩倍。其中，鋰電池繼續(xù)高速增長，年增長率超過100%；我國新型儲能累計裝機規(guī)模達到34.5GW，近似呈指數(shù)增長。電化學儲能是實現(xiàn)能源革命的重要支撐技術，但近年來頻頻發(fā)生儲能電站火災，這也提醒我們消防安全是行業(yè)面臨的最嚴峻的挑戰(zhàn)。
據不完全統(tǒng)計，全球共發(fā)生近100起儲能電站的火災事故，由于電池熱失控發(fā)生的氣體是易燃易爆的，所以在救援過程當中爆炸造成了救援人員的傷亡，并且因為電池燃燒是內部的電化學反應，不易被阻止，因此，在撲救的過程當中是極其困難的，很多起事故都是長達十天以上，非常容易發(fā)生復燃。比如今年5月份美國儲能電站發(fā)生火災，從分析來看，它中間復燃了近三次，連續(xù)撲救將近15天，最終火災控制是因為撲滅救援、還是自然燃燒結束也不盡知道。
鋰電池儲能系統(tǒng)火災抑制的難點是，不僅要滅火，還要防止復燃、抑制爆炸。正是因為儲能系統(tǒng)，它是由上萬塊電池這種高能量聚集體組合而成，火災的負荷是很大的，而且它燃燒時呈噴射的射流狀，滅火并不容易。同時，電池燃燒是內產熱、內蓄熱，滅火劑降溫是比較困難的，所以它非常容易復燃。而且熱失控氣體產生大量的易燃易爆的、含氫氣的混合氣體，它的爆炸極限范圍是非常寬的，非常容易爆炸。
目前，我們缺乏適用鋰電池火災特性的滅火、降溫和抑爆協(xié)同技術。對于主要的傳統(tǒng)滅火技術的滅火性能，我們進行了一個對比試驗，其中包括七氟丙烷、全氟己酮、細水霧和F-500。結果表明，現(xiàn)有的技術基本能夠撲滅明火的，但是對熱失控的電池和模組，它的降溫效果是顯著不足，因此它是非常容易發(fā)生復燃，而且?guī)缀跏菦]有抑制爆炸的效能。
貳
液氮滅火技術
介紹一下應急管理部天津消防研究所在液氮滅火技術開展的各項研究。液氮分離于空氣之中，因此它是具備本質上的清潔環(huán)保，即GWP、ODS值為零。液氮的沸點非常低-196.56℃，氣液比則高達696（21℃），而且氣化潛熱也比較高。目前液氮在電子、冶金等工業(yè)領域都是應用廣泛。
在滅儲能系統(tǒng)火災時，液氮有滅火、冷卻、抑爆協(xié)同的作用。首先在滅火的機理上，因為液氮釋放后會形成大量的氮氣充滿整個空間，降低氧氣的濃度，因此它有隔氧窒息的作用。在汽化過程中，液氮會吸收大量的熱，有持續(xù)降溫的作用。同時，氮氣是惰性氣體，大量氮氣會稀釋空間當中的可燃氣體的濃度，最后使得熱失控氣體，比如氫氣、一氧化碳等混合氣體的爆炸極限變窄，不容易被點爆。
對液氮滅火，我們開展了很多不同層級的實體實驗。首先介紹液氮在滅火和冷卻方面的一些實驗研究。
01
液氮滅火特性研究
針對IP67液冷機箱的電池模組，我們開展了多次實驗。滅火時間大約是4秒到27秒，模組內部的最低溫度可以達到 -99.3℃。可以看出來，液氮可以有效地撲滅因外部觸發(fā)主動點火引起來的電池火焰，并且沒有發(fā)生電池的熱擴展，也就是說，其他沒有被觸發(fā)的電池是沒有發(fā)生熱失控的。
除了針對液冷機箱，我們還對風冷機箱的電池模組的滅火開展了研究，滅火時間大約是3秒鐘。我們知道，熱失控的電池如果不被抑制的話，它的表面溫度能達到幾百度，但是我們在滅火的過程當中，熱失控電池的最高溫度僅僅達到了70.6℃，而且電池的平均溫度是39.2℃。通過結果可以看出，液氮是可以高效撲滅因為過充觸發(fā)主動點火引燃的電池的火焰，并且也沒有發(fā)生熱失控的擴展。
除了對模組的研究，我們還對電池簇滅火進行了實驗研究?？梢钥吹?，在滅火的過程當中，滅火的時間僅僅是4秒，并且電池簇電池所觸發(fā)的Pack最低溫度在30分鐘的時候達到-53℃。
除了模組層級和簇層級，我們還針對20尺儲能倉實體滅火實驗開展了研究，采用的電池是280Ah的磷酸鐵鋰的電池，滅火的時間大約也是3秒鐘。我們通過探測電池箱里面的電池溫度達到了-146℃。并且還探測了兩種指標：首先是氧氣的濃度低于14%的時間達到了40分鐘以上，這是因為氧氣的濃度越低，它幾乎就不會被點燃、點爆，這是它的燃燒機理，而氮氣的濃度高于90%的時間是達到了23分鐘以上。
因為的電池越來越大，可能第三代的儲能電池能達到625Ah，而目前市場上是280Ah、314Ah，包括有個別廠家的320Ah的。對放在20尺集裝箱內部的320Ah大容量電池組成的液冷機箱，我們開展了一個實體的火災實驗，實驗表明，它的滅火時間非常短，僅僅是3秒，而且箱內最高的溫度是-15.6℃，最低的溫度達到-184℃。氧氣濃度低于14%的時間、氮氣濃度高于90%的時間也都是均大于100分鐘，可以保證它完全不復燃，不會被點爆。除了對正常的電池研究之外，我們還對梯次利用的電池也開展了大量研究。
02
氮氣惰化抑爆特性研究
前面講到液氮在滅火和冷卻降溫方面的作用，下面講一下液氮在惰化抑爆方面的特性。電池PACK爆炸現(xiàn)象及危害實驗中，僅僅是觸發(fā)了一塊280Ah的磷酸鐵鋰電池，就會發(fā)生強烈的爆炸把完好的集裝箱就給炸開。
在一個關于模擬儲能倉內爆炸現(xiàn)象及危害的實驗中，這四個視頻幾乎都是同一個工況，均在27m3、模擬20尺集裝箱、專門做爆炸的實驗平臺里面，我們觸發(fā)了3塊280Ah電池，僅僅是3塊，我們給它一個點火源發(fā)生的爆炸。同時我們做了一個對比實驗（抑爆濃度和抑爆時間），也是觸發(fā)3塊280Ah的電池，讓它產生易燃易爆的氣體，我們同時給它充液氮，不斷地點火，結果沒有發(fā)生被點爆的情況。這說明氮氣已經把可燃可爆氣體的濃度大大降低，消除了爆炸的風險。
基于一個國家重點專項，以應急管理部天津消防研究所為主，聯(lián)合科大、南方電網等多個單位，研發(fā)了單元式液氮滅火抑爆裝置。目前，該裝置已經發(fā)展到了第四代機，并研發(fā)了一些關鍵的構件，比如高效低耗制冷的組件、承壓液氮儲存裝置、系列液氮專用的噴嘴、控制的聯(lián)動系統(tǒng)等。除了這些系統(tǒng)的研發(fā)之外，我們還做了很多關于液氮管道輸送的實驗研究，建立了水力計算模型公式，解決了工程應用的一些難題。
03
液氮滅火冷傷害研究
液氮是超低溫的環(huán)境，所以我們對液氮滅火冷傷害做了多次研究。這一組典型的實驗，應用了計算機、UPS電源，含管理系統(tǒng)的儲能電源、電池單體等等，我們持續(xù)噴射了6分鐘的液氮，它的溫度最低達到了-63.5℃。實驗發(fā)現(xiàn)，這個臺式的計算機在-52℃的時候停止工作了，以后也沒有恢復工作。但是除了計算機之外，其他的電池或者電器元件都是正常工作，也是在模擬真實運行的環(huán)境。
下面這一組視頻是做的電池Pack里邊，我們給它充液氮去研究冷傷害對電池和里邊的電池管理系統(tǒng)的影響，箱內溫度可以達到-188℃。研究發(fā)現(xiàn)，電池在被冷傷害了之后還能正常使用，電池管理系統(tǒng)的性能也沒有發(fā)生任何改變。
同時，我們也對液氮的經濟性做了比較深入的比較和研究，包括四個方面：設備滅火劑的價格、工程材料、施工的價值以及運營的成本，對比對象是我們目前常用的傳統(tǒng)滅火系統(tǒng)，比如七氟丙烷、全氟己酮等。
設備和工程材料施工基本上是相同的，但是比較滅火劑的價格，液氮的價格就遠遠低于全氟己酮和七氟丙烷。運營的成本方面，因為液氮是超低溫的，它需要耗電的制冷的設備，但得益于現(xiàn)在制冷的技術已經得到一個非常好的發(fā)展，在醫(yī)療行業(yè)也得到了常規(guī)的應用，所以它每天耗電大約是5度電，而且液氮會有一個汽化的過程，但是它每一年液氮質量損耗僅僅達到1%，是在我們工程可接受范圍之內。
對液氮系統(tǒng)的正常運用，我們做了大量真實運行的測驗，有的是90天，有的是30天。30天的實驗結果表明，它的平均日消耗電度是4度電，因為制冷的機箱不是24小時都在運動的，它是間歇的，大約工作的時間是4.6小時，30天平均液氮質量損失率是0.008%。液氮滅火系統(tǒng)在我們所的大力推崇之下也已經進行了非常好的轉化，而且是多個項目進行了應用，在廣東、惠州、南寧的儲能電站已經工程應用了。
近兩年，液氮滅火技術在各個大型的比賽上面也得到了非常好的評價，首先是工信部主辦的第二屆先進儲能技術創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽得了一等獎，第八屆國際儲能創(chuàng)新大賽得了優(yōu)秀獎，第一屆新能源電子產業(yè)創(chuàng)新大賽得的是銀獎。
叁
全浸沒抑制技術
下面介紹一個市場上非?；鸬那把丶夹g，叫全浸沒抑制技術。全浸沒抑制技術的意思是我們把電池浸泡在一個絕緣的液體里面，不僅在冷卻和它發(fā)生熱失控的消防的抑制上面，有一個非常好的處置。
* 電池熱失控浸沒液應急處置技術
我們開發(fā)了一個平臺，這個平臺可以在熱失控發(fā)生后，我們緊急將這些液體注入到Pack箱里面，去看看它抑制的效果。首先開展的研究是模擬電池已經發(fā)生熱失控了，我們40秒緊急注入，把它給注滿浸沒，大約在160秒的時候就已經能夠遏制電池的產煙。它在浸沒40秒浸滿的時候，電池的溫度能夠瞬間下降200℃，最大的降溫速率也能達到將近80℃/秒，整個過程中電池的表面溫度小于300度。
剛才是電池已經發(fā)生熱失控的情況，如果監(jiān)測到電池開閥就開始40秒注入，把浸沒液注滿浸泡電池，它又是一個什么情況？通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，在這種緊急處置的情況下，后來電池是沒有發(fā)生熱失控，電壓維持比較正常的3.3V，而且它的降溫速率能達到將近18℃，電池表面的溫度持續(xù)保持在120℃以下。
* 全浸沒電池模組熱安全測試
我們也做了一些產品的性能測試研究。這個產品是某大型生產廠商委托我們做的測試，目標就是想知道全浸沒液把這些電池浸沒的情況下，它的熱失控擴展抑制的能力。第一組是一個模組，串聯(lián)起15塊280Ah的電池，觸發(fā)最中間的那塊電池，并且根據36276最新的要求，我們是保持電池電器的連接。大約在1000秒的時候，觸發(fā)電池開閥了，在將近1200秒的時候，出現(xiàn)了少量的青煙，這和我們原來沒有浸泡的電池是有很大的區(qū)別。一般情況下，這個電池在未觸發(fā)熱失控之后，開閥之后就有大量的白煙。在1246秒的時候，出現(xiàn)了一些濃稠的煙霧，在3000秒它的煙氣完全結束。
分析結果還是非常好的，我們觸發(fā)的這塊電池全程溫度最高僅僅是105℃，而且它周圍的電池緊緊相連，沒有做任何蔓延阻隔的，溫度是68℃，浸沒液的溫度也是慢慢上升到了52℃，中間沒有發(fā)生任何起火爆炸的跡象和現(xiàn)象，24小時后去檢查，除了被觸發(fā)的那塊電池已經開閥，其他的電池都是完好無損的。
* 全浸沒電池簇熱安全測試
這一次實驗也是用了相同的電池，只不過它的產品更加超過我們的想象，他把7個模組的1500V的電池串聯(lián)起來的，給它浸沒到浸沒油里面。為了加大對它考核的能力，我們同時觸發(fā)了3塊電池。實驗中，大約在1400秒的時候出現(xiàn)輕微冒泡，1537秒開始冒煙、開始積聚多上部的氣箱空間里邊，在1562秒慢慢蔓延到了儲能柜外部，1784秒的時候產煙完全結束。通過我們外部的觀測和數(shù)據的測量，這個產煙是非常少的。
這個結果比較良好，因為同時觸發(fā)了3塊電池，觸發(fā)電池最高的溫度達到190℃，遠遠低于我們沒有用抑制這種技術的溫度。周圍其他的電池達到72℃，浸沒液的最高溫度達到53℃。從外面來觀看這個儲能柜，它外部的溫度僅僅提高了7℃，也是沒有發(fā)生電池熱失控的擴展。
* 高壓拉弧浸沒液產氣特性研究
由于電池在高壓的環(huán)境里邊，它有可能因為極端的情況高壓拉弧，產生對浸沒液的一些分解產生氣體，我們專門做了一個高壓拉弧浸沒液產氣的平臺。這個平臺我們在這上面已經開展了三類變壓器絕緣油的一些不同電壓下、不同溫度下產氣的特性。這個變壓器浸沒油被分解產生出來的氣體大約是氫氣、乙烯、甲烷、二氧化碳和乙烷。通過圖表可以看出來，氫氣的濃度大約占到了85%到90%之間。通過分析這些數(shù)據，氫氣所占的濃度隨著浸沒液油的溫度上升而下降，隨著電壓的上升，先下降后上升。
肆
資源與平臺
我們建立了一個國內領先、國際知名的新能源火災研究中心，它包括氫氣、動力電池、儲能、光伏、風力發(fā)電等等，我們還聯(lián)合中國電力成功申報了電化學、能源、應急管理部的重點實驗室。
我們從事鋰電池火災的團隊一共有4個，分別是鋰電池火災抑制團隊、鋰電池火災分級和評價的團隊，還有專門的火災調查團隊，滅火裝置、滅火系統(tǒng)有效性評價的研究團隊。
建立了非常完善的各種級別的平臺，針對電池熱失控特性，電池熱失控氣體的組分、氣體燃爆的特性，因為我們這個團組原來就是做氣體爆炸的以及大型量熱的儀器，針對這個模組簇的火災熱失控速率演變的過程，都可以進行研究。除了這些，還對模組簇層級建立了儲能滅火系統(tǒng)研究的實驗平臺。
我的匯報到此結束，謝謝！
