淺談儲能系統的潛在風險與防範

「今日綠能」「明日儲能」,再生能源已成為世界潮流與趨勢。隨著再生能源發電量的推升,儲能的需求勢將成為下一個被全世界關注的焦點。儲能是電化學反應,有其危險性與有毒性,但有風險不代表不能使用,一般火災現場會切斷電源以避免觸電,但光電與儲能系統類本身就會持續充電發電或儲存電力,現場有觸電風險,撒水也可能導電,都必須保持距離。

一、要了解風險所在才知道怎麼防範

我們不會說電池不會燃燒,而是透過分析燃燒的過程跟情況,進而防範意外,改善設計,這才是面對風險的正面態度。

鋰電池陰極是氧化物塗層的鋰,例如鋰鈷氧化物,陽極主成分為石墨,放置於多膜隔膜的高度易燃的電解質有機溶劑 (例如碳酸乙酯與碳酸酯﹚中。複雜設計、高能量密度和電池老化是造成危險的主因。電池內部隔膜的任何損壞都可能導致內部短路,進而發生熱失控。一旦一個電池達到熱失控,熱量很可能會傳到相鄰電池,從而導致連鎖反應而帶來災難性的後果。儲能系統之電池設計生產製造者,應提高電池內部、外部誘發熱失控與熱失控擴散防範措施。

熱失控前電池單元會先產生排氣,電池材料開始熱分解,排放氣體包括 CO、C02和H2,電池內部壓力將逐漸增加,直到通過安全閥或破裂的外殼釋放電解質蒸氣。如果可以探測到這種初始廢氣,就可以為早期干涉提供良好的機會。 電池管理系統(BMS)無法精準監控每個單電芯的溫度和電壓變化,因此也無法偵測到潛在的熱失控風險。傳統的偵測設備皆無法在熱失控之前啟動,消防系統往往都在火災發生後才會採取緩解措施。儲能系統燃燒時,電池內部仍會有電化學反應,消防員只能等反應完畢、溫度下降、再進行後續處理。因此,救災原則就是保持一定安全距離、射水降溫。此外,一般火災現場會切斷電源以避免觸電,但光電與儲能系統類本身就會發電或儲存電力,現場有觸電風險,必須保持距離。

儲能是電化學反應,有其危險性,但有風險不代表不能使用。儲能對電力供需穩定非常重要,應透過管理跟認證,降低其意外風險。鋰電池的特性是一旦燃燒,就很難撲滅。因此,在儲能系統意外中,最重要的是做到火勢不延燒,讓災害侷限在特定機櫃或小範圍,減少損失。目前國內要求設置儲能系統須在工業區或離加油站一定距離等,這些規範是為了確保附近有足夠的消防設施、減少延燒的可能。儲能系統獨立區劃並依建築用途應至少有防火時效1小時以上,並設有偵煙及氣體探測器、經認可之撒水系統,若通過大尺度滅火試驗得依測試放寬其條件。戶外設置應距離公共道路、建築、可燃物或危險物品3 m以上,或1小時以上防火牆區隔。應有緊急應變計畫及訓練,並建立正確操作與維護。

二、標準規範指引遵循

美國的儲能規範起源較早,2014年民間檢測實驗室UL公布全球第一個儲能系統安全標準(UL 9540)。國際消防規範(IFC)2018版本也納入儲能消防規定。2019年NFPA(美國消防協會)再提出定置型儲能系統安裝標準(NFPA 855)。截至今年,這些標準與法規仍持續更新。為避免儲能系統大火,品質與安全是重中之重,業界紛紛以「通過最嚴格的UL 9540儲能系統安全性現地認證」。一套儲能系統由電池芯、模組、電池管理、電力轉換等子系統組成,UL對各子系統都有不同的認證方式。

其中,UL 9540所指的是整體完成後的「儲能系統」的安全標準。不過,要取得這項「認證」,不僅要通過系統測試,從一開始的設計到各子系統的使用也須全面檢視,涵蓋面完整,因此被視為最嚴格的儲能系統認證。

儲能起火雖然可能是產品本身所引起,但起火後延燒或在救災中灌水等不當措施,也可能導致更嚴重的傷亡。因此,美國消防協會於2019年公布「NFPA 855」固定式儲能系統安裝標準,除要求儲能產品須通過UL認證外,進一步規範消防設備的設置等,以降低火災中工作人員與消防員受傷的風險。UL會跟標準檢驗局一起合作,探討UL 9540A熱失控火災延燒測試的應用,以降低事故的發生;在儲能標準的制定部分,UL也會協助政府,一起為儲能產品安全把關。相關規定已備有以下:
(一)併網型儲能系統設置區域及設置安全規範 (經濟部)
(二)用戶用電設備裝置規則 (經濟部)
(三)戶外電池儲能系統案場設計及驗證審查作叢要點 (經濟部標準撿驗局)
(四)戶外電池儲能系統案場實施自願性產品驗證相關規定 (經濟部標準檢驗局)
(五)戶外電池儲能系統案埸驗證技術規範 (經濟部標準局)
(六)提升儲能系統消防安全管理指引 (內政部消防署)
(七)台灣電力股份有限公司電力交易平台 (併網型儲能設備併網申請作業程序)

三、 已備審查程序

(一) 安全標準設計審查: 單電池/電池系統、電池管理系統BMS、電力轉換系統﹙PCS﹚、外箱等零組件,需符我國國冢/國際標準耍求之安全要求,並提供電機技師、消防設備師之設計簽證,以取得經濟部標準檢驗局核發之設計審查建議晝。
(二) 消防安全案場審查: 除提供電槻技師、消防設備師之竣工簽證,另須委託經濟部標準檢驗局同意之財園法人,進行案場安全確認並執行現場測試項目,以取得經濟部標準局核發戶外電池儲能系統案場之自願性驗證證書(certificate of the voluntary product certification)。取得自願性驗證證書始能向台電公司提出註冊申請 ' 並經審查同意後加入電力交易平台。
(三) 定期試驗︰ 每2年須提交電力設備定期撿測紀錄表、消防安全設備定期檢修報告晝,並執行定期現場測試,換(核)發經濟部標準檢驗局自願性驗證證晝(VPC)。

按:宋郁德,中華民國仲裁人。