Skip to content 
Wprowadzenie na rynek akumulatorów litowo-jonowych znacząco zrewolucjonizowało branżę elektryczną. Stosuje się je bowiem nie tylko w stacjach ładowania pojazdów czy inteligentnych sieciach energetycznych, ale też jako alternatywne źródło zasilania dla szpitali i innych placówek. Ich użytkowanie w pewnym sensie zwiększa jednak ryzyko zagrożenia pożarowego. Na szczęście istnieją skuteczne rozwiązania, które pozwalają w dużym stopniu zapobiec takiemu rozwojowi sytuacji. W jaki sposób można więc zminimalizować ryzyko zagrożenia pożarowego w magazynach energii?
Bezpieczeństwo akumulatorów litowo-jonowych
Akumulatory litowo-jonowe są obecnie najczęściej stosowanymi nośnikami energii na świecie. Nie ma w tym jednak nic dziwnego, bowiem zwiększone zapotrzebowanie na energię pochodzącą z odnawialnych źródeł sprawiło, że jednocześnie znacząco wzrosło zainteresowanie tego typu produktami. Z pewnością dużą zaletą rozwiązania jest jego przestępność cenowa. Ponadto baterie litowo-jonowe cechują się wysoką gęstością energii oraz stosunkowo niskim poziomem samorozładowania. Należy też jednak zdawać sobie sprawę, że w parze z zaletami idą również pewne ograniczenia. Akumalotory litowo-jonowe przede wszystkim wymagają bardzo złożonych systemów zarządzania. Dzięki nim można na bieżąco monitorować podstawowe parametry działania, w tym temperaturę, napięcie oraz stany naładowania. Okazuje się to kluczowe dla bezpieczeństwa magazynów energii. Warto też zauważyć, że tego rodzaju akumulatory łączą w sobie zarówno materiały wysokoenergetyczne, jak i niezwykle łatwopalne elektrolity. Taka kompilacja znacząco zwiększa ryzko zagrożenia pożarowego, co może mieć potem ogromny wpływ na wiele aspektów prawidłowego działania systemu. Na szczęście poprzez odpowiednią integrację kilku rozwiązań technologicznych da się w dużym stopniu zminimalizować ryzyko uszkodzenia magazynów energii spowodowane wywołaniem pożaru.
Ryzyko pożaru wywołane użytkowaniem baterii litowo-jonowych
Do tej pory pożary powstałe na skutek użytkowania baterii litowo-jonowych związane były bezpośrednio z awarią akumulatorów. Każda komórka litowo-jonowa składa się bowiem z dwóch elektrod – ujemnej oraz dodatniej. Między nimi umieszczony jest palny elektrolit przewodzący jony, który pełni rolę mediatora procesów w ogniwie i separatorze. Ich specyficzna budowa sprawia więc, że wszelkie uszkodzenia wywołane mechanicznie bądź przez wysokie temperatury mogą doprowadzić do zwarcia skutkującego wznieceniem pożaru. Niestety zwiększone ryzyko samozapłonu jest największą wadą baterii litowo-jonowych. Duża gęstość energetyczna, mała konstrukcja oraz stopniowe starzenie się akumulatorów są najczęstszymi przyczynami powstania zagrożenia. Wystarczy więc, że jedno ogniwo baterii zostanie zwarte bądź wystawione na działanie wyższych temperatur, a po czasie może nastąpić egzotermiczna reakcja. W efekcie dochodzi do wzrostu ciśnienia wewnętrznego w komorze, przez co opary elektrolitu zostają uwalniane przez zawór odciążeniowy bądź w wyniku uszkodzenia separatora. Takie zjawisko zazwyczaj doprowadza do wywołania gwałtownego wzrostu temperatury spowodowanego spaleniem elektrolitu. Wskutek tego dochodzi do reakcji zwanej „ucieczką termiczną” (thermal runaway). Brak zastosowania odpowiednich środków zapobiegawczych prowadzi do powstania niezwykle wybuchowej mieszaniny gazu i powietrza. Bardzo często kończy się to ogromnym pożarem. Nawet jeśli początkowo zwarcie dotyczy wyłącznie pojedynczego ogniwa baterii to jednak szybko może rozprzestrzenić się na pozostałe, co stwarza już ryzyko wystąpienia pożaru o naprawdę ogromnej skali.
Jak zminimalizować ryzyko uszkodzeń wywołanych pożarem w magazynach energii?
Dostępne na rynku najskuteczniejsze rozwiązania pozwalające zminimalizować ryzyko powstania pożaru w magazynach energii bazują na systemach gaszących, monitorujących oraz referencyjnych. Ich czujniki w niezwykle efektywny sposób sprawdzają poszczególne moduły akumulatorów pod kątem obecności gazów, co pomaga uniknąć niebezpieczeństwa. Aby w jak największym stopniu zminimalizować zagrożenie pożarowe należy wyłączyć akumulatory przed wystąpieniem wysokiej temperatury. Konieczne okaże się więc wdrożenie systemów umożliwiających wczesne wykrycie nieprawidłowości na pierwszym lub drugim etapie awarii. Warto również zauważyć, że drugi etap jest ostatnim momentem pozwalającym na skuteczne podjęcie działań zapobiegających utracie kontroli temperatury, a tym samym wznieceniu pożaru. Dla rozwoju zdarzeń kluczowe jest więc szybkie i sprawne wykrycie powstałego zwarcia. Na szczęście da się tego dokonać przy użyciu dwóch systemów, które ułatwiają sprawowanie kontroli nad zagrożeniem pożarowym w magazynach energii. Dzięki wczesnej detekcji można uruchomić wyzwolenie gazu N2, co pomoże zobojętnić lokalne środowisko przed potencjalnie niebezpiecznym zdarzeniem, czyli niekontrolowanym wzrostem temperatury akumulatora litowo-jonowego. Szybkie wykrycie obecności cząstek gazu elektrolitycznego, a następne uruchomienie systemu gaszenia okażą się najistotniejsze dla ochrony przeciwpożarowej magazynów energii.
Systemy wczesnego wykrywania zagrożenia pożarowego
Pożary w magazynach energii są niezwykle niebezpieczne i stwarzają ogromne ryzyko dla całego systemu. Na szczęście, dzięki licznym testom przeprowadzonym przez szwajcarskich specjalistów udało się opracować rozwiązania, które wyjątkowo skutecznie wykrywają zagrożenie pożarowe. Badania wykonane na akumulatorach litowo-jonowych w szwajcarskim laboratorium w Altenrhein wykazały, że istnieją wyraźne sygnały świadczące o zwiększonym ryzyku wystąpienia „ucieczki termicznej”. Naukowcy na płycie grzewczej umieścili baterię testową, która była bez przerwy podgrzewana od temperatury 20°C do 400°C przez 450 sekund. W tym samym czasie zostały też pobrane próbki powietrza, co pozwoliło na bieżącą analizę sygnału w czujce zasysającej. W trakcie badań zauważono, że dioda pracująca w paśmie podczerwieni przez pierwsze 100 sekund pozostaje bez zmian, zaś po 125 sekundach nieznacznie wzrasta, a następnie stopniowo spada. Był to moment, w którym elektrolity zaczęły w większym stopniu odparowywać. Po upływie 360 sekund sygnał znacząco rósł, aż do 450 sekund, kiedy separator uległ uszkodzeniu na skutek przekroczenia granicy izolacji termicznej. Sygnał pochodzący z diody podpiętych systemów dawał wręcz identyczny obraz. Dzięki temu można stwierdzić, że da się efektywnie rozpoznać uszkodzenie lub zwarcie baterii litowo-jonowej już na pierwszym etapie awarii. Czujka zasysająca ekspresowo wykrywa bowiem wzniecający się pożar termiczny w bardzo wczesnej fazie uwalniania gazu, co stanowi doskonałe zabezpieczenie pożarowe magazynów energii.
System gaszenia magazynów energii
Zagrożenia pożarowego w magazynach energii można też uniknąć poprzez wdrożenie systemów gaszenia. Naukowcy w celu analizy niekontrolowanego rozchodzenia się temperatury w rzeczywistych układach ogniw zbudowali konfigurację testową, która pozwoliła na efektywne przeprowadzenie próby. Badania temperatury wykonane za pomocą punktu pomiarowego pomiędzy pierwszą, a drugą celą w pobliżu zwartego ogniwa baterii litowo-jonowej zarejestrowały wzrost temperatury w środowisku bogatym w tlen (21%). Wymiana ciepła w 90 sekundzie uznana została za punkt krytyczny, w którym niekontrolowany wzrost temperatury przepływa z jednej komórki do drugiej. Po jego przekroczeniu nadzorowanie zagrożenia pożarowego staje się praktycznie niemożliwe do wykonania. Test powtórzony w atmosferze o obniżonej zawartości tlenu na poziomie 11,3% zarejestrował ograniczony wzrost temperatury pomiędzy 1. i 2. ogniwem, a także całkowity brak istotnego wzrostu temperatury między 2. a 3. ogniwem. Analizując te wyniki można więc stwierdzić, że ograniczony wzrost temperatury w 2. ogniwie prowadzi wyłącznie do odgazowania elektrolitu, co nie zwiększa jednak ryzyka pożaru. Ogniwo 3. nie wykazuje bowiem żadnych nieprawidłowości w funkcjonowaniu, jednocześnie wciąż pozostając w stanie nienaruszonym. Początkowa faza „ucieczki terminaczej” może więc zostać z powodzeniem powstrzymana przez atmosferę odpowiednio dobranego środka gaśniczego. Taki system gaszenia magazynów energii skutecznie nadzoruje niekontrolowany wzrost temperatury, a także zapobiega jego rozprzestrzenianiu się z modułu na moduł. Ponadto w większości przypadków znakomicie przeciwdziała również propagacji z ogniwa na ogniwo.
Awarie w magazynach energii są bardzo niebezpieczne i mają katastrofalne skutki dla prawidłowego funkcjonowania całego systemu. Pożary spowodowane użytkowaniem akumulatorów litowo-jonowych okazują się ogromnie trudne do zwalczenia, przez co mogą doprowadzić do poważnych szkód. Dlatego tak ważne jest, aby zadbać o zabezpieczenie pożarowe magazynów energii i wdrożyć odpowiednie metody wykrywające zagrożenie, które skutecznie zapobiegną dalszemu rozwojowi wydarzeń. Integracja systemu wczesnego wykrywania gazów oraz systemu gaszenia pożaru stanowi obecnie najskuteczniejsze rozwiązanie, które powinno stworzyć możliwość natychmiastowej reakcji. Zapewnia to optymalną ochronę i znacząco minimalizuje ryzyko uszkodzeń w magazynach energii.
