Litowo-jonowe magazyny energii (BESS) — ucieczka termiczna, rozprzestrzenianie na sąsiednie ogniwa i dlaczego zwykła gaśnica nie wystarcza

Przewodnik o domowych magazynach energii omawia wymagania dotyczące instalacji i rejestracji magazynu energii (BESS) ogólnie i krótko wspomina ucieczkę termiczną jako główne ryzyko bezpieczeństwa regulowane przez IEC 62933-5-2. Ten artykuł omawia dokładniej samo to ryzyko: co faktycznie dzieje się podczas ucieczki termicznej i dlaczego zwykła reakcja na pożar elektryczny — gaśnica CO2 lub proszkowa — nie jest właściwym pierwszym działaniem w przypadku litowo-jonowego BESS.

Czym jest ucieczka termiczna

Ucieczka termiczna (thermal runaway) to samowzmacniająca się reakcja egzotermiczna wewnątrz ogniwa litowo-jonowego: gdy tylko wewnętrzna temperatura ogniwa przekroczy próg krytyczny na skutek jakiegoś wyzwalacza (uszkodzenie mechaniczne, przeładowanie, wewnętrzne zwarcie, zewnętrzne źródło ciepła lub wada produkcyjna), wewnętrzne materiały ogniwa zaczynają rozkładać się coraz szybciej — ta reakcja sama wydziela ciepło, które jeszcze bardziej podnosi temperaturę, co jeszcze bardziej przyspiesza reakcję. Raz rozpoczęty w jednym ogniwie, ten proces zazwyczaj nie może być już zatrzymany przez zwykłe odłączenie prądu.

Rozprzestrzenianie na sąsiednie ogniwa

Bateria litowo-jonowa składa się z wielu ciasno upakowanych ogniw. Ciepło wydzielane przez jedno ogniwo w stanie ucieczki termicznej może być przekazywane przez przewodnictwo cieplne do sąsiednich ogniw i również wyprowadzać je poza temperaturę krytyczną — rozprzestrzenianie (propagation), które może przejść przez cały blok baterii, jeśli konstrukcja nie stawia temu wystarczającego oporu. Właśnie takie zachowanie sprawdza i ocenia IEC 62933-5-2 podczas certyfikacji stacjonarnego BESS: jak zachowuje się system, gdy jedno ogniwo wchodzi w ucieczkę termiczną, i czy rozprzestrzenia się to (i jak szybko) na resztę bloku.

Ryzyko gazu jeszcze przed pojawieniem się płomienia

Zanim ogniwo w stanie ucieczki termicznej rzeczywiście się zapali, przez otwór wentylacyjny ogniwa wydostaje się już palny i częściowo toksyczny gaz (opary elektrolitu, tlenek węgla, wodór, węglowodory). W zamkniętym lub niedostatecznie wentylowanym pomieszczeniu ten gaz może gromadzić się do mieszanki wybuchowej jeszcze przed pojawieniem się widocznego dymu lub płomienia — ryzyko odrębne od dalszego zagrożenia pożarowego, przez co wentylacja pomieszczenia instalacji jest równie ważna jak w przypadku stacjonarnych baterii kwasowo-ołowiowych z przewodnika o wentylacji pomieszczeń bateryjnych — choć skład gazu i podstawowa norma są inne.

Dlaczego zwykła gaśnica tu nie wystarcza

• CO2 nie gasi niezawodnie: palące się ogniwo samo wytwarza tlen podczas reakcji, niezależnie od otaczającego powietrza — zasada duszenia, na której zwykle opiera się gaśnica CO2 (wypieranie otaczającego tlenu), działa więc niezawodnie, i pożar może odnowić się po pozornym ugaszeniu.
• Gaśnice proszkowe nie chłodzą: gaśnica proszkowa przerywa płomień na powierzchni, ale nie chłodzi samego ogniwa — przy trwającej wewnątrz bloku baterii reakcji ucieczki termicznej potrzebne jest właśnie chłodzenie, aby spowolnić dalsze rozprzestrzenianie, a nie tylko stłumienie widocznego płomienia.
• Duże ilości wody do chłodzenia to w praktyce najczęstsza reakcja straży pożarnej na pożar BESS lub baterii pojazdu elektrycznego: nie po to, by bezpośrednio zatrzymać reakcję chemiczną, lecz by obniżyć temperaturę sąsiednich ogniw i tym samym spowolnić dalsze rozprzestrzenianie — często w połączeniu z długotrwałym chłodzeniem i obserwacją, ponieważ pożar baterii litowo-jonowej może odnowić się po godzinach od pozornego ugaszenia.
• Specjalistyczne środki gaśnicze (na bazie dodatków enkapsulujących w wodzie) są zaprojektowane specjalnie do zastosowań litowo-jonowych i są wskazywane przez organizacje ochrony przeciwpożarowej jako skuteczniejsze od środków standardowych, ale nie zastępują ograniczenia ryzyka na poziomie samej instalacji.

Znaczenie praktyczne

Dla umiejscowienia i okresowej oceny BESS (domowy magazyn lub instalacja o większej skali) ważne są: wystarczająca odległość do dróg ewakuacyjnych i materiałów palnych, układ ograniczający rozprzestrzenianie na inne części bloku lub sąsiednie pomieszczenia (podział na sekcje), sprawna wentylacja przeciw gromadzeniu się gazu, oraz — nie mniej ważne — zrozumienie przez użytkowników i służby ratunkowe, że BESS w stanie ucieczki termicznej to nie sytuacja dla małej ręcznej gaśnicy: podczas rzeczywistego zdarzenia ucieczki termicznej pierwszym krokiem jest ewakuacja i wezwanie straży pożarnej, a nie próba samodzielnego ugaszenia.

Częste błędy

1. Traktowanie pożaru litowo-jonowego BESS jak zwykłego pożaru elektrycznego, z użyciem gaśnicy CO2 lub proszkowej w założeniu, że to wystarczy — samopodtrzymujące się wytwarzanie tlenu podczas ucieczki termicznej czyni to niezawodnym w niewłaściwy sposób.
2. Niewystarczająca wentylacja pomieszczenia instalacji, przez co powstaje ryzyko gromadzenia się gazu jeszcze przed pojawieniem się widocznego dymu lub płomienia.
3. Brak uwzględnienia rozprzestrzeniania się na sąsiednie ogniwa podczas fizycznego umiejscowienia BESS (zbyt blisko materiałów palnych, brak podziału między kilkoma systemami) — certyfikacja samego systemu według IEC 62933-5-2 nie zastępuje staranności umiejscowienia na poziomie instalacji.
4. Założenie, że pożar BESS, który wydaje się ugaszony, rzeczywiście się zakończył — ponowne zapalenie po godzinach jest znanym zjawiskiem przy zdarzeniach ucieczki termicznej baterii litowo-jonowych, co czyni długotrwałą obserwację po zdarzeniu istotną.

Zobacz również

• Domowe magazyny energii — wymagania instalacyjne
• Wentylacja stacjonarnych pomieszczeń bateryjnych — IEC 62485-2
• Środki gaśnicze do instalacji elektrycznych
• Typy baterii UPS — VRLA/litowe