Литий-ионные накопители энергии (BESS) — тепловой разгон, распространение на соседние ячейки и почему обычного огнетушителя недостаточно

Гид о домашних накопителях энергии рассматривает требования к установке и регистрации накопителя энергии (BESS) в целом и кратко упоминает тепловой разгон как основной риск безопасности, регулируемый IEC 62933-5-2. Эта статья подробнее рассматривает именно этот риск: что на самом деле происходит при тепловом разгоне и почему обычная реакция на электрический пожар — углекислотный или порошковый огнетушитель — не является правильным первым действием для литий-ионного BESS.

Что такое тепловой разгон

Тепловой разгон (thermal runaway) — это самоусиливающаяся экзотермическая реакция внутри литий-ионной ячейки: как только внутренняя температура ячейки из-за какого-либо триггера (механическое повреждение, перезаряд, внутреннее короткое замыкание, внешний источник тепла или производственный дефект) превышает критический порог, внутренние материалы ячейки начинают разрушаться ускоряющимися темпами — эта реакция сама выделяет тепло, которое ещё больше повышает температуру, что ещё больше ускоряет реакцию. Однажды начавшись в одной ячейке, этот процесс, как правило, уже нельзя остановить простым отключением тока.

Распространение на соседние ячейки

Литий-ионная батарея состоит из множества плотно упакованных ячеек. Тепло, выделяемое одной ячейкой в состоянии теплового разгона, может передаваться теплопроводностью на соседние ячейки и также вывести их за критическую температуру — распространение (propagation), которое может пройти через весь батарейный блок, если конструкция не оказывает этому достаточного сопротивления. Именно такое поведение проверяет и оценивает IEC 62933-5-2 при сертификации стационарного BESS: как ведёт себя система, когда одна ячейка входит в тепловой разгон, и распространяется ли это (и насколько быстро) на остальную часть блока.

Риск газа ещё до появления пламени

Прежде чем ячейка в состоянии теплового разгона действительно воспламенится, через вентиляционное отверстие ячейки уже выходит горючий и частично токсичный газ (пары электролита, угарный газ, водород, углеводороды). В замкнутом или недостаточно вентилируемом помещении этот газ может накапливаться до взрывоопасной смеси ещё до появления видимого дыма или пламени — риск, отдельный от последующей пожарной опасности, из-за которого вентиляция помещения установки так же важна, как и для стационарных свинцово-кислотных батарей из гида о вентиляции батарейных помещений — хотя состав газа и лежащий в основе стандарт другие.

Почему обычного огнетушителя здесь недостаточно

• CO₂ не тушит надёжно: горящая литий-ионная ячейка сама вырабатывает кислород в ходе реакции, независимо от окружающего воздуха — принцип удушения, на который обычно рассчитан углекислотный огнетушитель (вытеснение окружающего кислорода), поэтому работает ненадёжно, и пожар может возобновиться после кажущегося тушения.
• Порошковые огнетушители не охлаждают: порошковый огнетушитель прерывает пламя на поверхности, но не охлаждает саму ячейку — при протекающей внутри реакции теплового разгона в батарейном блоке нужно именно охлаждение, чтобы замедлить дальнейшее распространение, а не только подавление видимого пламени.
• Большие объёмы воды для охлаждения на практике являются самой распространённой реакцией пожарных служб на пожар BESS или батареи электромобиля: не для того, чтобы напрямую остановить химическую реакцию, а чтобы понизить температуру соседних ячеек и тем самым замедлить дальнейшее распространение — часто в сочетании с длительным охлаждением и наблюдением, поскольку пожар литий-ионной батареи может возобновиться спустя часы после кажущегося тушения.
• Специализированные огнетушащие средства (на основе инкапсулирующих добавок в воде) разработаны специально для литий-ионных применений и указываются организациями по пожарной безопасности как более эффективные, чем стандартные средства, но они не заменяют снижение риска на уровне самой установки.

Практическая значимость

Для размещения и периодической оценки BESS (домашний накопитель или более крупная установка) значимы: достаточное расстояние до путей эвакуации и горючих материалов, компоновка, ограничивающая распространение на другие части блока или соседние помещения (разделение отсеками), исправная вентиляция против накопления газа, и — не менее важно — понимание пользователями и службами экстренного реагирования того, что BESS в состоянии теплового разгона — это не ситуация для малого ручного огнетушителя: при реальном событии теплового разгона первым шагом является эвакуация и вызов пожарной службы, а не попытка потушить самостоятельно.

Частые ошибки

1. Обращение с пожаром литий-ионного BESS как с обычным электрическим пожаром, с использованием углекислотного или порошкового огнетушителя в предположении, что этого достаточно — самоподдерживаемая выработка кислорода при тепловом разгоне делает это ненадёжным.
2. Недостаточная вентиляция помещения установки, из-за чего возникает риск накопления газа ещё до появления видимого дыма или пламени.
3. Отсутствие учёта распространения на соседние ячейки при физическом размещении BESS (слишком близко к горючим материалам, отсутствие разделения между несколькими системами) — сертификация самой системы по IEC 62933-5-2 не заменяет тщательность размещения на уровне установки.
4. Предположение, что пожар BESS, кажущийся потушенным, действительно закончился — повторное возгорание спустя часы является известным явлением при инцидентах теплового разгона литий-ионных батарей, что делает длительное наблюдение после инцидента актуальным.

См. также

• Домашние накопители энергии — требования к установке
• Вентиляция стационарных батарейных помещений — IEC 62485-2
• Огнетушащие средства для электроустановок
• Типы аккумуляторов ИБП — VRLA/литиевые