亚利桑那州储能系统火灾事故教训

杰西·罗曼｜文 张微明｜摘译

2019 年4 月19 日夜，亚利桑那州皮奥里亚市消防局局长鲍比·鲁伊斯在家中突然接到电话。电话挂断后，他跳上车赶往马里科帕医疗中心，到达时，直升机正在转移他手下的两名消防员：消防队长亨特·克莱尔和消防工程师贾斯汀·洛佩兹。

两人的情况很糟糕，都有多处骨折，内部出血，器官撕裂，脑部创伤，还有烧伤。鲁伊斯回忆说，救治的时候，有位医生看了看我们的牧师并对他说，“我想让你为他们祈祷，他们现在需要这个。”鲁伊斯从事消防工作40 多年，从来没听说过医生告诉牧师去祈祷，两名队员能活下来真是个奇迹。

几个小时前，克莱尔和洛佩兹作为皮奥里亚市消防局危险品处理小组的成员，被叫到麦克米肯储能站。他们都没听说过麦克米肯，到达时还不清楚里面的情况。他们只看到在沙漠边缘被铁丝网包围的地方，有个金属箱，大小类似于大型集装箱，正在冒白烟。他们很快得知，箱体内有一个200 万千瓦的储能系统，为亚利桑那公共服务公司（APS）所有。这个系统有数百个锂电池单元，但意外出现了灾难性的故障，处于热失控状态。

经过几个小时的考虑，克莱尔和洛佩兹打开储能箱的门进行通风，这时突然发生爆炸。根据UL 消防员安全研究所去年发布的事故报告，火焰从储能箱的门向外延伸了至少20 米，垂直方向有6 米。克莱尔和洛佩兹被掀飞，另外两名消防员被打晕，他们的呼吸器和头盔被扯掉，散落在尘土飞扬的地面上。

第二天，这条新闻在媒体上快速传播，成为世界各地消防部门、研究人员和消防安全官员的话题。尽管研究人员已经了解到锂离子储能系统可能会爆炸，但这种强烈的爆燃非常罕见。

美国消防协会（NFPA）勘察了现场，采访了克莱尔等人。UL 进行了详尽的事实收集工作，最终发布了事故报告。APS 也委托发布了70 页的报告，麦克米肯锂电池的制造商LG 化学也是如此。

一座典型的储能电站 图片源自NFPA Journal

上图是消防员到达时看到的白烟，左下是爆炸后的现场，右下烧焦区域是克莱尔被爆炸冲击后落到的地方 图片源自NFPA Journal

了解爆炸原因以及如何避免爆炸是至关重要的，因为储能系统已经无处不在，不仅是偏远的沙漠地带，郊区社区、高层建筑和办公园区，甚至家中都有。随着储能系统的扩张，麦克米肯储能站事故也证实了人们的担忧：消防界和安全界还没准备好应对这种蓬勃发展的技术。

这起事故提供了迄今为止最完整的事故信息，说明了为什么电池对应急响应人员来说如此有挑战性，以及在追求电池安全的道路上有哪些因素在困扰着研究人员和制造商。

UL 消防安全研究所所长、UL事故报告的联合作者之一斯蒂芬·凯伯说，“这起事故表明，在许多方面上，人们仍然非常缺乏对这项技术的了解”。由于多个利益相关方的参与，这起事故成了一个完美的研究对象。

事故细节

皮奥里亚市消防局危险品处理小组于当日18 时30 分左右到达麦克米肯储能站，比瑟普赖斯市消防局晚了一个多小时。有人路过事故现场附近的马路时，向瑟普赖斯市消防局报了警，所以他们最先出动。消防员以为是灌木丛火灾，于是开了一辆消防车，带上森林消防装备到达，结果发现箱体外面写着“电池存储阵列”。

储能系统由27 个垂直的电池模块架组成，分成两排。电池在白天储存太阳能，晚上供客户使用。

17 时左右，电池管理系统检测到15 号机架出现问题。电压迅速下降，机架顶部的传感器记录到气温迅速上升，最高温度超过48 ℃。APS 的报告认为，15 号机架模块2中的一对电池单元已经热失控。

虽然目前尚不清楚是什么引发了热失控，但其影响是可预见的。故障导致热量在锂电池中迅速积累并扩散到周围电池，引发热失控，这是一种难以阻止的级联效应。最初的故障发生后约一分钟，灭火系统被触发。灭火介质没有像现在建议的那样用水，而是用气体。10 秒钟内，超过300 千克的Novec 1230灭火气体填充到整个结构中。根据设计，该气体在箱体内创造的条件能抑制火焰，但无法阻止电池内化学反应产生的热量。热失控有增无减。

瑟普赖斯市的消防员赶到时，他们形容白烟很“刺鼻”，箱体周围约9 米的范围内，白烟低垂到地面。他们请求支援，克莱尔和他的危险品处理小组很快赶到。

克莱尔有储能系统火灾救援经验。2017 年他参与过锂电池电动车维修厂的火灾救援，后来还参加了以锂电池火灾为重点的危险品处置课程。他还参加过以太阳能电池板为重点的培训，以及类似的地方培训。他知道对电池起火的处置要非常谨慎。鲁伊斯说，在皮奥里亚市消防局，“我们的理念一直是，涉及电池时，如果它在燃烧，就让它燃烧，因为它自己消耗的速度比用水浇它要快。”但由于使用了Novec 气体，麦克米肯储能站的电池没有燃烧，烟雾继续从箱体中渗出。

当时的研究显示，热失控期间释放的气体是一种高度可燃的混合气体，有氢气、乙烯、甲烷和一氧化碳等。但几乎没人知道电池能产生多少可燃气体。随后的测试表明，“仅仅几个电池就能产生大量的可燃和有毒气体，”鲁伊斯说。在小规模测试中，储能箱体产生了太多气体，以至于浓度太高无法爆炸；研究人员不得不使用风扇将气体吹走，以达到类似于此次事故中的爆炸效果。

在事故救援的两个小时里，消防员三次进入包围储能结构的围栏内，测量箱体和溢出气体的温度。每次都检测到了达到危险水平的一氧化碳和氢氰酸气体，但气体浓度正在下降。危险品处置小组的直觉和训练经验告诉他们要谨慎，但当时他们已经没有选择了。

鲁伊斯说：“我们担心的是，如果把储能结构转交给APS，然后离开，APS 会面临一个高度有毒的环境，会像中毒的金丝雀一样掉下来。”

皮奥里亚市消防局危险品处理小组决定打开箱门通风，看看里面发生了什么。他们进入时拍摄了一段摇晃的视频。视频里，在黑色的夜空下，克莱尔和洛佩兹穿着全套防护装备，走近一扇侧门。洛佩兹转动一把钥匙，拉开了门；当他们转身向里面看时，一团浓密的白色气体从门口流出来。克莱尔举起热成像仪来测量温度，然后转身去拿一个气体测量仪，用无线电向他的队员报告说，箱体内没有活动性火灾或电弧。几秒钟后，也就是在爆炸前，视频戛然而止。

调查人员后来得出结论，打开门后氧气进入，被困的可燃气体流出。在门虚掩的3 分钟内，气体达到了适当的混合浓度，进入爆炸范围。箱体内的潜在点火源之一，如热电池，完成了剩下的工作，引发了大规模的爆燃。

爆炸后，洛佩兹和克莱尔经历了长时间的住院治疗、多次手术和艰苦的物理治疗。另外两名受伤的消防员遭受了烧伤，以及其他遗留问题。据鲁伊兹说，这四个人目前都已恢复了工作，大约一年了。

据凯伯表示，进入该储能箱的决定和当时的培训指导是一致的。他说：“培训建议对结构进行通风，并进去取样，这似乎是一个好办法，但显然结果是不幸的。”我认为，这明显说明了我们在认知上还有很大差距，救援建议和战术考虑仍然需要完善。

消防员没有得到协助

虽然不确定消防员对储能系统的爆炸风险了解多少，但报告明确指出，他们几乎没有从现场的专家那里得到技术帮助。根据UL 的报告和鲁伊斯的说法，APS 和电池制造商的代表有一个响应方案，但并没有给小组人员提供任何实质性指导。

鲁伊斯说，“现场没有安全材料表。”APS 的代表来到现场，但他们是电气工程师，对电池在热失控情况下释放的副产品不了解。鲁伊斯说，一位工作人员告诉他的消防员，从电池中渗出的白烟是哈龙，一种以前用于灭火系统的气体，已经被禁止了近20 年。鲁伊斯说，“我们知道这肯定不是哈龙，所以情况有点令人担忧。”

APS 的人员称，他们也没有接受过关于电池危险性的教育培训，并且认为责任的疏忽在于电池系统的设计者，一家名为AES 的公司和电池制造商LG 化学。APS 在自己的事故报告中说，“AES 提供给APS的应急计划没有说明如何应对潜在的爆炸，也没有说明在灭火系统排出气体后如何进入储能箱。”此外，在该应急计划中，AES 和LG 化学都没有传达出可燃气体危害和潜在的级联热失控信息。

LG 化学回应APS 的报告时表示，所有“这些危险在麦克米肯储能站设计和建造之前就已广为人知”，而且制定应急计划的责任共同落在了储能系统所有者和系统设计者身上，也就是APS 和AES。

UL 报告的另一位联合作者马克·麦金农说，尽管各方明显缺乏认识和规划，但如果有工程系统和适当的工具能够让消防员了解到储能箱内部的情况，这场灾难仍然可以避免。

麦金农告诉NFPA 杂志，“对现场的消防员来说，以往测量出的气体成分和爆炸下限的百分比就是最有用的信息，这将改变消防员的响应策略，防止发生伤害事故。然而电池没有内置的气体监测装置，这个功能是由电池管理系统来实现，不过该系统在消防员到达前的几分钟就发生了故障。

更糟糕的是，消防员在响应过程中使用的基本工具对储能火灾通常是无效的。在UL 实验室的后续测试中，麦金农发现，热失控事件的烟尘和快速变化的条件，导致标准热像仪和气体测量仪很难提供关于电池是否着火、哪些电池模块正在热失控、甚至哪些气体正在排放的可靠信息。

实际上，皮奥里亚市的消防员不得不在没有任何信息的情况下做决定。如果消防部门了解该设施，并与APS 合作制定事故预案，甚至在现场开展培训，那么大部分问题就能得到缓解。

但这些都没发生。

NFPA 855

根据事后调查报告，麦克米肯储能站的电池有几个设计缺陷，导致了最终的结果。部分原因可能是在2017 年安装电池时，电池的设计和安装标准还相对有限；目前被引用最多的标准之一，NFPA 855《固定式储能系统安装标准》2019 年年底才出台。

尽管如此，专家对严格遵守NFPA 855 是否会在此次事故中产生重大影响存在分歧。该标准虽然全面，但与其他涉及储能系统的事情一样，任何试图施加硬性规则的做法都会很快与技术能力、现有认知水平和政治现实情况发生冲突。

假如NFPA 855 在电池安装之前就存在，那么该设施是否会受到其要求的制约就很值得怀疑了。由于各种原因，电池的所有者和运营机构都不在NFPA 855 的大部分要求之内。结果就是，麦克米肯储能站没有被要求制定或向消防部门提供应急计划，否则的话，事情的发展就会“带来重大转折”。

储能系统火灾测试 图片源自NFPA Journal

专家说，如果麦克米肯储能站遵守NFPA 855，结果可能会不同。首先，NFPA 855 要求大多数储能系统有泄爆和防爆装置，而麦克米肯的电池缺乏这些功能。相反，麦克米肯的NOVEC 1230 灭火系统有个风门，当灭火剂排出时，风门被设计为密封状态，不会将可燃气体排放出去。APS 报告的结论是，NOVEC 气体阻止了箱体中出现火灾，导致未燃烧的气体进一步积累，使问题更严重了。

相比之下，NFPA 855 要求储能系统遵守NFPA 68《排爆标准》或NFPA 69《防爆系统标准》，这些都有可能改变事故结果。但麦金农也说，NFPA 855 中关于锂电池的通风要求应该加强。尤其是现在，经过进一步研究揭示了锂电池会在热失控的情况下产生大量可燃气体。

NFPA 855 技术委员会主席吉姆·比金斯对此表示赞同。他说，“我们正在考虑在NFPA 855 中增加额外的内容，为电池外壳和电池室的排爆和正常通风提供指导。“热失控过程中，如此大量的气体从电池中流出，我认为以前没有人完全了解这种机制。”

人们希望NFPA 855 解决的其他问题可能更难实现。所有相关方都一致认为，实时远程气体监测有助于消防员了解热失控期间产生的气体组成，这有重大意义。然而如何实现这一目标却存在很多不确定性因素。当前版本的NFPA 855 对废气监测基本上没有明确，因为“技术确实没有达到将其作为标准要求的程度”，比金斯说。

现在存在多种技术挑战，比如热失控产生的大量烟尘、热量、气体分层和气体混合可能会破坏装置内的气体传感器，这是非常复杂的问题。麦金农说，“据我所知，因为技术问题，所有产品和解决方案都做不到这一点。”

至少有一家公司声称拥有实时气体监测功能，并宣称其技术甚至可以及时捕捉到电池内的气体变化，以采取行动防止热失控。鲁伊斯看好这项新技术，但有些人则告诫说它还未经证实。

APS 的报告对NFPA 855 的主要批评之一是，该公司声称标准在试图防止热失控方面走得不够远。报告认为，标准应要求电池的设计和安装能够防止热失控，或至少阻止其扩散到电池之外。报告写到，“虽然至少一个版本的NFPA 855 草案中提到了37 次级联热失控，但没有提出任何要求来解决它。”“也许现在是行业集体承认的时候了：级联热失控应该尽可能控制在最小的单元内。下一次的标准更新应该承认这一点。”

虽然报告指出，新的电池设计用铝板、耐高温塑料、甚至空气间隙来限制热传导并阻止热失控的扩散，但比金斯认为，以目前的技术，让技术委员从根本上防止热失控只是一厢情愿。他说，“我认为你开发不出没有热失控问题的锂电池，即使可以，你也可能遇到能量密度的问题。”他说，在NFPA 855 中要求防止热失控，就像NFPA 的自动喷水灭火器安装标准要求“仓库内只存放不可燃物品，这样就不会发生火灾”。

今后的挑战

储能系统的安全问题，有的消息让人怀有希望，但我们也面临着源源不断的新挑战。

例如，现在仍然没有经过证实的方案来阻止电池热失控。迄今为止尝试的每项措施都有局限性，而且正如事故报告所说，“治标不治本”。

锂电池中的水系统能有效冷却电池，阻止热失控的蔓延，但一旦水流关闭，热量就会迅速积累。热失控可以持续数天甚至数周，许多辖区没有足够的水供应来处理这种情况。像麦克米肯储能站中使用的气体抑制系统现在被普遍认为对阻止热失控几乎没有作用。比金斯说，也许水雾灭火系统可以冷却，甚至能把气体打到地板上。但到目前为止，测试比较有限，问题仍未解决。

同样未解决的问题还有：如何应对处于热失控的储能系统。在这起事故中，如果消防员不开门，他们可能要在现场守好几天，等待问题被解决。由此还能引出一系列没有好答案的问题。例如，什么时候把储能系统交还给业主才是安全的？谁负责宣布现场安全，是消防部门、电池所有者、制造商，还是其他人？如果电池在曼哈顿或有人居住的建筑物中喷出有毒气体该怎么办？这种情况下，对消防部门来说，最安全的策略是不是仍然只是等待？

另一个主要挑战是大型锂电池的消费越来越流行，例如特斯拉和Powerwall。虽然对消费者的好处是显而易见的，但如果住宅内发生严重的热失控事件，该怎么办？

对此，鲁伊斯表示，“我们以前经常说要以火攻火，但在当前的科技时代，要以技术攻技术。”安