2021/11/26
儲能安全性挑戰與設計注意事項－從事故特性與原因分析說起
近年為了推廣綠色能源，以具體行動對抗地球暖化與氣候變遷趨勢，各國都紛紛投入再生能源的發展和電動交通工具的使用，為了確保電網穩定，大型定置型的儲能系統（電池櫃）設置需求也快速增加。然而，幾起與儲能系統有關的火災、甚至爆炸事故的發生，使人們驚覺，綠色能源之路並非一帆風順，還有許多挑戰橫在眼前。如何加強 儲能安全性 ，在產品設計與生產階段如何鞏固安全性以避免類似事故發生，以及，萬一發生時，應該有的損害控管機制、降低損失，都需要檢討改進，以免影響公眾心理對儲能系統這類大型電力設備的接受度，甚至影響綠能的使用與推廣。
儲能系統火災事故的特性與原因分析：應避免延燒
細數近年國內外幾起重大的儲能系統火災事故，包括：2019年4月美國亞利桑那公共服務公司 (APS) 電池儲能系統發生大火，造成4名消防與救災人員受傷；2020年7月台北市內湖區民權大橋下、一個正在測試階段的鋰電池儲能貨櫃發生火災，消防射水長達三小時以上才逐漸獲得控制；2021年4月北京最大的太陽能發電、儲電、充電設施─集美家居大紅門儲電站─在毫無徵兆情況下發生爆炸，導致2名消防員犧牲；以及最近的2021年7月底，特斯拉與Neoen在澳洲吉朗省合作的巨型儲能系統，還沒啟用便失火，大火連燒4天才撲滅。
從上述事故新聞報導與事後公布的調查報告，我們可以得知幾個關於鋰電池儲能系統火災之基本事實、及其與一般火災不同之特性：
- 業界常以為鋰電池種類中以鋰鐵電池最為安全，但各地所發生的案例亦包含鋰鐵電池，如最近的北京大紅門儲能系統是採用LFP鋰鐵電池。正極材料並不是電芯安全的關鍵，電芯內還牽涉到隔離膜、電解液等其他組成，以及電壓、電流、溫度等各方面的控制，甚至系統的建置工程都會影響系統安全。
- 鋰電池儲能系統由成千上萬顆電芯組成電池模組、電池櫃，一旦因內部或外部短路發生熱失控，容易造成連鎖反應，火勢會延燒至其他電池，甚至有突發性爆炸的危險。使用於一般火災的潔淨型消防系統 (clean-agent fire suppression system) 無法有效撲滅鋰電池火災；即使通過業界公認最嚴苛的UL9540A 延燒測試之儲能系統，其實也不代表不會延燒。
- 上述4起儲能系統重大火災事故，除了美國亞利桑那APS的儲能系統運作已超過2年，其餘都發生在調試階段，可見系統調試階段的環境控制和人為因素也需要留意。
台達儲能系統安全解決方案：多層次防護與阻絕
分析儲能系統火災事故發生的潛在原因和預防之道，除了電芯與電池設計和生產過程可能的瑕疵，需要透過制定更嚴格的產品安全標準來加強，政府相關消防法規、器材和消防訓練亦應針對儲能系統火災之特殊性質加強和演練，台達身為能源系統解決方案供應商，從 儲能安全性 系統設計和管理的觀點，提出的因應解決之道為：
- 電池安全偵測設計：亞利桑那APS火災分析報告指出，電芯內部鋰金屬結晶析出 (abnormal lithium metal deposits)穿透隔離膜造成電芯內部短路是造成失火的原因；加上絕緣失效造成外部高壓跳弧，進而引發火災；而絕緣失效可能肇因於系統溫溼度控制失當所導致的冷凝。由此可知，針對電池管理與電池保護系統設計一套安全偵測與監控機制，預先得知電池內部和外部電壓、電流、溫度、濕度是否異常，並採行預防措施，以防微杜漸。
對此，台達的解決方案包括了：（一）以電芯電壓監控設計確保每一電芯未超限使用；（二）系統配置絕緣偵測系統，及時偵測直流母排絕緣狀態，一旦出現絕緣阻值降低或漏電流，立即切離電池櫃繼電器；（三）多點偵測機櫃內外溫度與濕度值，並透過電池系統專利演算法依據工作狀態動態調控環控系統與門禁系統，避免電池櫃內出現冷凝風險。
- 電池櫃防延燒設計：儲能系統若無分艙管理，單一電芯發生熱失控，極有可能會延燒至鄰近電池機櫃，造成整個貨櫃大規模火災，甚至發生無預期的爆炸，造成消防人員搶救的難度和危險；即使沒有延燒至鄰近機櫃，鋰電池熱失控後所釋放出的有毒物質與滅火時所灌入的消防水柱，也會讓整套儲能系統報廢無法使用。
台達儲能系統在安全設計上最大的亮點，在於採行獨立機櫃、分艙管理，即便單一電池模組失火，也能將火勢阻絕在同一機櫃內，且機櫃內配置陶瓷防火材(耐溫1260oC)，可有效阻絕火勢擴散與延燒，不會影響到其他機櫃的安全與整個儲能系統的正常運作。
- 儲能系統消防設計：前面提到，因儲能系統火災之特殊性，使用於一般火災的潔淨型消防系統 (clean-agent fire suppression system) 並無法有效撲滅鋰電池火災。
對此台達提出內外雙重消防對策，機櫃本身必須配置氣霧式滅火藥劑，避免電氣火災(如電線起火)引發電芯熱失控。另一重則是外部的加強防護機制，目的是當火災意外發生時，可對機櫃降溫避免延燒擴大。客戶或業主可請專業單位依案場環境與條件、周邊建物設備的重要性、環安規定…等綜合評估後，選擇是否建置水霧消防系統。一般來說，如果案場無人值守、地處偏遠、沒有既設消防設施與對應措施，則建議加設自動水霧設施，在消防人員到場前可初步控制火勢。
- 防水防塵設計：依據中國電科院針對大紅門儲能電站的火災事故調查報告，消防隊在撲滅南區火勢時，因噴淋水柱灑入了北區的儲能系統，造成北區的儲能系統突然爆炸。如何避免灑水滅火時造成高壓短路而誘發更大火災，也是儲能系統發生火災之後的損害控管機制很重要一環。
台達儲能系統採用IP55防水防塵設計，機櫃外以消防水柱灑水降溫，不會造成機櫃內電氣事故與高壓短路，避免災情擴大。
EPC設計與建置注意事項：需有環境對策
此外，EPC（設計、採購、施工）包商角色和責任亦不容忽視。尤其許多再生能源大型儲能系統經常位於山區或海邊，甚至是在廢棄鹽灘地或溼地，必須事前做好案場環境和地質探勘，針對案場環境特性提出環境對策（例如防火、防風、防腐蝕、防鹽害、防水、防土壤液化等措施），並注意接地系統與通訊干擾，以避免日後營運時設備異常（例如冷卻系統故障、通訊告警與控制系統失效）而發生火災。而施工期間亦應做好工程絕緣防護、異物屏蔽，並注意工程安全，以避免系統還在調試階段便因人為或環境因素發生意外。
最後，當儲能系統完工啟用後，後續的維運與技術服務亦是確保系統安全很重要一環。除了應有良好的運維系統與服務作業標準化，定期維護與監測機制必須確實執行，以確保系統安全。
結論
登高必自卑，行遠必自邇，能源系統的打造與使用，是許多人力與物力的投入，方能成其大，每一個環節與細節，都會影響到系統的安全與運作，不容輕忽。
台達 儲能安全性 設計，針對儲能系統火災容易延燒的特性，採用多層次的安全機制加以阻絕，從最底層的電池芯和電池模組的安全監控與管理，到機櫃和整個系統的安全防護與備援運作，乃至於日後的運維與技術支援，都有完整的設計與因應對策，希望能防範星火於未然，即便發生事故，亦能做到損害控管，將災情控制到最低，避免造成任何人員傷亡，使能源轉型之路更平安順遂。這是台達儲能系統安全解決方案之初衷，也是目標。