Protipožarna zaščita za stacionarne sisteme shranjevanja energije z litij-ionskimi baterijami

Litij-ionske baterije zagotavljajo visoko gostoto energije v majhnem prostoru. Zaradi tega so zelo primerne za stacionarne sisteme za shranjevanje električne energije, ki se zaradi energetskega prehoda vgrajujejo v vse več zgradb in infrastruktur. Aktivna požarna zaščita je za stacionarne sisteme shranjevanja energije z litij-ionskimi baterijami izjemno pomembna ravno zaradi visoke gostote energije in vnetljivosti elektrolitov v teh baterijah. Te izzive oz. požarno varnostna tveganja je mogoče učinkovito obvladovati s specifičnim konceptom zaščite pred požarom za stacionarne sisteme shranjevanja energije z litij-ionskimi baterijami. Siemens je z obsežnimi testiranji razvil takšen koncept celovite požarne zaščite za tovrstne aplikacije. Gre za prvi takšen koncept, ki je prejel VdS odobritev.

Zgodnja odkrivanja + hitro gašenje = obvladljivo tveganje

Vsaka celica litij-ionske baterije sestoji iz dveh elektrod: negativne anode in pozitivne katode. Ločuje ju separator. Druga bistvena sestavina je ionsko prevodni elektrolit.

Kljub temu, da je ta funkcionalni princip uspešen in na splošno varen, obstaja tveganje, povezano z zasnovo. Za baterijske celice je značilna prisotnost velike količine kemične energije v majhnem prostoru in zelo majhna razdalja med elektrodama (ločilna plast običajno ≈ 30 µm). Hkrati so uporabljeni elektroliti običajno gorljivi ali lahko vnetljivi.

Termični pobeg kot scenarij nevarnosti

Prekoračitev varnega temperaturnega območja lahko povzroči tako imenovani "termični pobeg". Ko se to zgodi, se energija, shranjena v bateriji, nenadoma sprosti, temperatura pa se v nekaj milisekundah poveča na več sto stopinj. Posledično se elektrolit vname ali elektrolitski plin eksplodira.

Ko temperatura narašča med dogodkom termičnega pobega, elektrolit postopno izhlapeva. To povzroči, da se tlak v celici poveča, dokler se izparevanje elektrolitov ne sprosti skozi varnostni ventil ali razpočeno steno celice. Brez ustreznih ukrepov to vodi do eksplozivne plinsko-zračne mešanice. Potreben je samo vir vžiga, da sproži vžig in eksplozijo. Poleg tega se lahko dogodek termičnega pobega v baterijskem sistemu širi od celice do celice, kar lahko povzroči večji požar.

Potencialni vzroki za termični pobeg se lahko nahajajo zunaj baterijske celice ali znotraj nje. V prvem primeru lahko skrajni zunanji dejavniki, kot je požar, povzroči dvig temperature v bateriji nad tolerančno raven. V drugem primeru notranji kratek stik povzroči nevarno povišanje temperature. Kratek stik lahko povzroči zunanja mehanska poškodba ali s starostjo povezana okvara separatorja zaradi nastajanja dendritov.

Koncept zaščite pred širjenjem termičnega pobega

Testi, izvedeni v Siemensovem požarnem laboratoriju v Švici, na litij-ionskih baterijah z različnimi vrstami kemijskih spojin (vključno s litijevim kobaltovim oksidom, litijevim manganovim oksidom, litijevim nikelj, manganovim kobaltovim oksidom in litijevim železovim fosfatom) so pokazali, da obstajajo zgodnji znaki pred dejanskim dogodkom termičnega pobega. Eden zanesljivih indikatorjev je izločanje elektrolitov. Ko se razvije elektrolitski plin, se termični pobeg dogodi kmalu zatem. Še vedno pa je dovolj časa za samodejno sprožitev ustreznih protipožarnih ukrepov.

To vključuje dvojni pristop: Prvič, aktiviranje avtomatskega sistema gašenja z uporabo zadostne koncentracije gasilnega sredstva v prostor za baterije, preden odpove separator v prvi baterijski celici. Drugič, sprožitev izklopov prek sistema za upravljanje baterije, da se zaustavi širjenje izklopov, ki jih povzroči prekomerno polnjenje ali preobremenitev.

Hitra penetracija ustreznega gasilnega sredstva v prostoru za akumulatorje preprečuje nastanek velikih količin eksplozivne mešanice elektrolita in kisika, s čimer se zmanjša razvoj začetnega dogodka termičnega pobega in prepreči širjenje na sosednje baterijske celice. To odpravlja možnost sekundarnih požarov in s podaljšano inertizacijo preprečuje možnost ponovnega vžiga.

Korak 1: Zaznavanje z aspiracijskim detektorjem dima

V prvem koraku mora učinkovit koncept zaščite zagotoviti ne le zanesljivo odkrivanje požara, temveč tudi zelo zgodnje odkrivanje elektrolitskega plina. Te izzive rešimo s pomočjo aspiracijskih detektorjev dima (ASD). Z uporabo tehnologije z dvojno valovno dolžino lahko zanesljivo zaznajo električni požar ter elektrolitske pline in hlape, tudi pri visokih hitrostih zraka in nizkih koncentracijah plina. Aspiracijski detektorji dima nenehno vzorčijo zrak iz območij, ki jih je treba nadzorovati, in ga analizirajo za dim in delce plina. Vzorci zraka se črpajo v patentirano detekcijsko komoro skozi mrežo cevi z definiranimi luknjami za vzorčenje. V detekcijski komori enota za vrednotenje zaznava velikost in koncentracijo delcev. Lahko zaznajo celo najmanjše količine gorenja in elektrolitskih plinov.

Korak 2: Gašenje z inertnimi plini

Ko detektorji odkrijejo požar ali prisotnost elektrolitskega plina, sprožijo samodejno gašenje s sistemom za avtomatsko gašenje. Sistemi na osnovi vode se v teh primerih odsvetujejo, saj ne dosežejo željenega učinka. Uporablja se sistem na osnovi inertnih plinov. Plin izpodrine kisik, ki vzdržuje požar in tako pogasi tudi skrite in prikrite požare. Prav tako ni primerno uporabiti kemičnih gasilnih sredstev, ker lahko tekom gašenja LI-ion baterij nastanejo nevarni kemijski produkti  ali pa bo morda potreben daljši čas gašenja. Možne alternative so trije naravni plini za gašenje: dušik (N2), ogljikov dioksid (CO2) in argon (Ar).

Med njimi obstajajo razlike. Argon je razmeroma drag žlahtni plin, ki se uporablja samo za posebne namene, kot je gašenje požarov kovin. Ogljikov dioksid, ki je najučinkovitejši med temi gasilnimi sredstvi, se uporablja predvsem za nedostopne prostore ali sisteme zaščite premoženja, saj je v koncentraciji, ki je potrebna za gašenje, nevaren za človeka. Zaradi tega se čisti dušik uporablja kot gasilno sredstvo za sisteme za shranjevanje litij-ionskih baterij, ki daje odlične rezultate. Siemens je razvil novo generacijo tehnologije avtomatskega gašenja z uporabo naravnih plinov Sinorix NXN N2.

Povzetek

Litij-ionske baterije predstavljajo edinstveno tveganje za požar. Koncept požarne zaščite, prilagojen posamezni aplikaciji, združuje zelo zgodnje odkrivanje požara z visoko zmogljivimi aspiracijskimi detektorji dima in sistemom avtomatskega gašenje Sinorix NXN z inertnim plinom N2. Hitro sproščanje gasilnega sredstva preprečuje nastajanje velikih količin eksplozivne mešanice elektrolita in kisika, zmanjšuje razvoj prvotnega termičnega pobega, preprečuje širjenje takšnega uhajanja na druge baterije ter odpravlja možnost sekundarnih požarov in ponovnega vžiga.

Takšen koncept požarne zaščite omogoča, da stacionarni sistemi za shranjevanje litij-ionskih baterij predstavljajo obvladljivo tveganje. Koncept zaščite za stacionarne litij-ionske baterijske sisteme za shranjevanje energije, ki ga je razvil Siemens, je bil prvi koncept požarne zaščite, ki je prejel odobritev VdS (VdS št. S 619002).

Več informacij je na voljo na strani: https://www.siemens.com/global/en/products/buildings/fire-safety/applications/li-ion-battery-storage-system.html