第二章 儲能系統
第五節 儲能系統防火
Andrew(2017) ，ESS 防火試驗設置兩個 ESS(Tesla PowerPack)，專為商 業安裝設計的 100 kWh 機組，模組化可以擴充為包括多個 100 kWh 單元以增加容 量，室外安裝通常放置在混凝土襯墊上，可以遠離建築物或鄰接，電池電量為 100％充電狀態（SOC），測試 2 次，1 次外部點火試驗另 1 次內部點火試驗，數 據收集：ESS 櫃體壓力、選擇燃燒產物的氣體採樣、機櫃內部和外部溫度、自由 燃燒無滅火。
資料來源：Fire Testing a Lithium Ion Battery Energy Storage System
圖 2-11 ESS 大尺度火災試驗配置 外部點火試驗
•開啟儀器
•點燃~400kW 丙烷燃燒器
•監測直到確認可聽到大約 20 個熱失控信號
•關閉燃燒器；允許 ESS 自由燃燒
•監視直到火勢燃燒自行耗盡或自行熄滅
•400 kW 燃燒器直接衝擊 ESS 機櫃外部能引起內部電池的熱失控
•35min 發煙
•45min 到達第一次可聽到的熱失控信號
•47min 到達第一次燃焰
•在大約 1 h，確認可聽到 20 個熱失控信號，燃燒器關閉
•在排氣口和 ESS 前門外觀測到火焰
•內部溫度高：大於 2000℉
•燃燒器另一側的外表面溫度非常低：150℉
•前門的外表面溫度：460℉
•測到 HF(超過 100ppm)及 CO(50)
-在試驗期間，偵測到 HF 在 30min 達到最大值，並保持在 100ppm 以上
•未測到 CH4
•未觀察到劇烈的電池拋射體、爆炸或爆裂
•試驗後期：所有電池消耗完及內部電子設備損壞，無殘留電力
資料來源：Technical Committee on Stationary Energy Storage Systems MINUTES of MEETING
圖 2-12 外部燃燒-開始加熱
資料來源：Technical Committee on Stationary Energy Storage Systems MINUTES of MEETING
圖 2-13 起火
資料來源：Technical Committee on Stationary Energy Storage Systems MINUTES of MEETING
圖 2-14 典型燃燒狀況
資料來源：Technical Committee on Stationary Energy Storage Systems MINUTES of MEETING
圖 2-15 壓縮機破裂
資料來源：Technical Committee on Stationary Energy Storage Systems MINUTES of MEETING
圖 2-16 高峰反應狀況
資料來源：Technical Committee on Stationary Energy Storage Systems MINUTES of MEETING
圖 2-17 結束試驗狀況
內部點火試驗
•開啟儀器
•電力開啟加熱器燃料元件
•六（6）個 1/8 英寸直徑 25 W 燃料元件加熱器
•安裝在電池組電池內
•監測直到確認可聽到大約 20 個熱失控信號
•關閉加熱器； 允許 ESS 自由進展
•監測直到事件結束
•6 個加熱燃料元件同時加熱多個電池會導致熱失控
•熱失控沒有蔓延引爆器容器外
•13min 第一次可聽到的熱失控信號
•15min 發煙
•大約 40min，確認可聽到 20 個熱失控信號，關閉加熱器
•煙霧狀況在大約 40-45min 達到峰值，然後緩慢逸散，直到所有燃燒跡像在大 約 1h15min 處停止
•加熱器附近的溫度較高：大於 2000℉
•引爆器上方及下方的溫度較低：80-180℉
•外表面溫度低得多：60-70℉
•測到 HF(峰值 26ppm)、CO(超過 2000ppm)及 CH4
-在觀測到煙霧產生高峰期間，HF 在約 45min 達到峰值 -CO 在約 15 min 達到峰值
•沒有發現火焰、劇烈的電池拋射體、爆炸或爆裂
•試驗後期：引爆器損壞，剩餘電池功能正常
資料來源：Technical Committee on Stationary Energy Storage Systems MINUTES of MEETING
圖 2-18 內部燃燒-開始加熱
資料來源：Technical Committee on Stationary Energy Storage Systems MINUTES of MEETING
圖 2-19 典型反應狀況
資料來源：Technical Committee on Stationary Energy Storage Systems MINUTES of MEETING
圖 2-20 高峰反應狀況
資料來源：Technical Committee on Stationary Energy Storage Systems MINUTES of MEETING
圖 2-21 結束試驗狀況
基於此項目中兩次測試的結果
–顯著的（400 kW）外部火災需要長時間（60 min）曝火才能達到自持續的熱失 控
–相鄰電池上的多個（6）內部加熱元件未再引發劑器盒外部引起熱失控 –從排氣口和前門觀察到的火焰–應評估與可燃物的距離
–檢測到高位準的 HF
–檢測到大量的 CO，HF 和 CH4 導致內部熱失控–評估室內安裝的通風
Benjamin(2019)，從單個電池模組到整個 ESS 機架（每個模組包含 16 個模 組）的所有測試規模，由磷酸鐵(LFP)電池組成的 ESS 系統的總體危害都較小。 在 撒布測試中最明顯地觀察到了這一點，在該測試中，單個撒水頭操作足以控制起 火原因，而相鄰機架中的模組沒有明顯參與。 在相同條件下，在涉及由鎳錳鈷 氧化物(NMC)電池組成的系統的測試中，火勢確實蔓延到了相鄰的機架，並且撒 水頭操作的次數代表需求面積大於 230 ㎡（2,500ft2）。
雖然機架的設計有效地防止了灑水噴水，但在測試條件下，撒水頭延遲或完 全阻止了火災蔓延到相鄰機架。 加上與附近可燃物的足夠空間，再加上機架之 間的隔熱層，可以進一步降低危害。 但是，可能缺少一種能夠在早期抑制火災 的防護系統、延長的火災持續時間、高用水量以及對周圍環境的破壞。 因此，
建議將保護指南，撒水系統設計和 ESS 安裝指南（例如，間隔距離）控制在可接 受的程度內。
下面總結了基於當前知識的最佳防護建議，使用 K 係數為 81 L/ min/ bar½
（5.6 gpm / psi½）或更高，標稱溫度為 74℃的撒水頭時，撒水頭系統提供的最 小排放密度為 12 mm / min（0.3 gpm / ft2） （165℉）溫度額定值和 RTI 為 27.6m½s½（50 ft½s½）。 對於在 3.0 m（10 ft）到 7.6 m（25 ft）範圍內的天花 板高度，天花板結構的防火等級應至少為 1 小時。 應根據《 FM 全球財產損失 預防數據表 2-0》（DS 2-0）《自動撒水裝置安裝指南》（2014 年 1 月）安裝所 有天花板撒水裝置。防護建議如下：
1.對於經過測試的LFP系統：
(1)如果沒有防火措施，則與ESS的任何部分之間的最小空間間隔應為：與不可燃 物體之間的距離為1.2 m（4 ft），與包括相鄰ESS機架在內的可燃物體之間 的距離為1.8 m（6 ft）。
(2)使用灑水裝置保護時，與ESS的任何部分之間的最小間隔是，與不可燃物體的 距離為0.9 m（3 ft），與可燃物體的距離為1.5 m（5 ft）。 灑水系統的
供水應設計成最小需求面積230㎡（2,500ft2），持續時間至少90分鐘。
(3)這些分隔距離基於具有83.6 kWh電容量的LFP系統，有關低電容量系統的指南，
請參閱表2-6。
2.對於經過測試的NMC系統：
(1)如果沒有防火保護，則與ESS的任何部分之間的最小空間間隔應為：與不可燃 物體之間的距離為2.4 m（8ft），與包括相鄰ESS機架在內的可燃物體之間的 距離為4.0 m（13ft）。
(2)使用灑水裝置保護時，與ESS的任何部分之間的最小空間是與不可燃物體之間 的間隔為1.8 m（6 ft），與可燃物體之間的間隔為2.7 m（9 ft）。 灑水系 統的供水應針對ESS所在的整個房間設計，並且供水量應計算為45分鐘乘以相 鄰機架的數量（即，安裝的機架數量，使得水平間距較小） 超過建議的可燃 物體的空間間隔）。
(3)這些距離基於具有125 kWh電容量的NMC系統，有關低電容量系統的指南，請 參閱表2-6。
3.對於由多個機架組成的ESS，如果未提供灑水裝置保護，則應按照表2-7將每個 LFP或NMC機架作為可燃物分開。
4.其他保護指南可在報告主體的“建議”部分中找到，包括因測試具有較低能量 容量的LFP和NMC系統而導致的間隔距離。
建議在不提供灑水保護的情況下，進行大尺度的自由燃燒測試，以確定足夠 的空間分隔距離，以防止火勢蔓延到附近的可燃物或對非可燃物造成破壞。建議 進行大型撒水試驗，以確定足夠的空間分隔距離，以防止火勢蔓延到附近的可燃 物（不包括相鄰的ESS架子）或對非可燃物的損壞，以及灑水保護設計（包括排 放密度） /區域和供水時間。
實際上，在發生火災後，宜防火監視直到呈現所有可能損壞的含鋰離子電池 的ESS設備從該區域移走。 眾所周知，涉及鋰離子電池的火災會在初始事件發生 後的幾分鐘到幾天內重燃。 為了防止重燃，必須對電池進行充分的冷卻。 最後，
該項目沒有解決在ESS火災或獨立事件或消防戰術中可能發生的爆炸危險或任何 緩解措施。
表 2-6：ESS 與不燃和可燃物體之間的最小間隔距離建議值，前提是根據有灑水 保護裝置
ESS容量等級 不燃的 可燃的
LFP
31kW - -
83kW 0.9m(3ft) 1.5m(5ft)
NMC
47kW - -
125kW 1.8m(6ft) 2.7m(9ft) -31 kWh LFP或47 kWh NMC系統未進行撒水測試
資料來源：Development of Sprinkler Protection Guidance for Lithium Ion Based Energy Storage Systems
表 2-7：在沒有防火措施的情況下，ESS 與不可燃和可燃物體之間的最小間距建 議
ESS容量等級 不燃的 可燃的
LFP
31kW <0.9m(<3ft) 1.2m(4ft) 83kW 1.2m(4ft) 1.8m(6ft)
NMC
47kW 1.2m(4ft) 1.8m(6ft) 125kW 2.4m(8ft) 4.0m(13ft)
資料來源：Development of Sprinkler Protection Guidance for Lithium Ion Based Energy Storage Systems
一、小尺度試驗
資料來源：Development of Sprinkler Protection Guidance for Lithium Ion Based Energy Storage Systems
圖 2-22 LFP（左）和 NMC（右）電池對濫用情況的響應示例
LFP電池散發出濃濃的白煙，有時需要外部引燃器點燃，而NMC電池產生的火花會 持續點燃排放氣體
資料來源：Development of Sprinkler Protection Guidance for Lithium Ion Based Energy Storage Systems
圖 2-23 NMC 模組的側向火蔓延側視圖
在此視圖中，點火加熱器位於模組的右半部分（前部），著火從右向左進行。
資料來源：Development of Sprinkler Protection Guidance for Lithium Ion Based Energy Storage Systems
圖 2-24 LFP（左）和 NMC（右）在接近峰值熱釋放率時的照片 火焰的角度取決於排出電池的排出氣體的動量。
二、中尺度火災試驗
使用NMC模組進行六模組防火測試。
資料來源：Development of Sprinkler Protection Guidance for Lithium Ion Based Energy Storage Systems
圖 2-25 使用鎳鈷酸錳（NMC）電池進行了六模組耐火測試
接近點火時間（左），接近預期的撒水操作時間（中），峰值放熱率（右）。
在手動滅火之前(左)和測試後(右)
資料來源：Development of Sprinkler Protection Guidance for Lithium Ion Based Energy Storage Systems
圖 2-26 中尺度的自由燃燒測試中 LFP 著火的照片
接近點火時間（左），接近預期的撒水操作時間（中），熱釋放率峰值（右）
NMC火災衰減階段（左），所有模組的燒盡（中間）和後期測試（右）的照片
資料來源：Development of Sprinkler Protection Guidance for Lithium Ion Based Energy Storage Systems
圖 2-27 中尺度自由燃燒測試期間 NMC 火勢發展的照片
三、大尺度火災試驗
資料來源：Development of Sprinkler Protection Guidance for Lithium Ion Based Energy Storage Systems
圖 2-28 NMC 模組的全面自由燃燒測試設置示例
模擬架位於ESS架的兩側，以測量對相鄰設備的暴露危險，代表性結構牆位 於2.7m（9ft）的間隔內，以測量對周圍物體的暴露。
接近點火時間（左），接近預期的撒水操作時間（中），熱釋放率峰值（右）
LFP 在衰變階段(左)和自熄時的照片(右)
資料來源：Development of Sprinkler Protection Guidance for Lithium Ion Based Energy Storage Systems
圖 2-29 大尺度自由燃燒試驗中 LFP 火災發展的照片
接近點火時間（左），接近預期的撒水操作時間（中），熱釋放率峰值（右）
在消防員干預之前NMC火災衰變階段的照片(火災沒有自滅)
資料來源：Development of Sprinkler Protection Guidance for Lithium Ion Based Energy Storage Systems
圖 2-30 大尺度自由燃燒試驗期間 NMC 火災發展的照片
圖 2-30 大尺度自由燃燒試驗期間 NMC 火災發展的照片