Účinná ochrana bateriových úložišť elektrické energie před požárem 

Od svého uvedení na trh na počátku 90. let si lithium-iontové baterie díky vysokému množství ukládané energie na relativně nízkou hmotnost a možnosti využití celého rozsahu kapacity našly cestu do široké škály aplikací. Kromě elektromobility je to zejména skladování energie v bateriových úložištích (BESS – Battery Energy Storage System) – ruku v ruce s expanzí výroby energie z obnovitelných zdrojů totiž narůstá nutnost kompenzace nesouladu mezi výrobou a spotřebou, dále rostou požadavky na vykrývání špiček rozvodných sítí nebo zálohování provozu.  

Nebezpečí vzniku požáru 

Bateriová úložiště kombinují velkou hustotu energie uložené v chemických vazbách uvnitř článků baterií s vysokou koncentrací hořlavých látek obsažených v elektrolytu a s velkým objemem proudícího vzduchu potřebného pro chlazení technologie. Tato kombinace vytváří poměrně vysoké riziko požáru a je proto nutná co nejrychlejší detekce a okamžitá a účinná reakce na rozpoznané nebezpečí.

Pro lepší představu o riziku vzniku požáru se zaměřme na samotnou konstrukci Li-ion baterie. Každý lithium-iontový článek se skládá z anody (záporná elektroda) a katody (kladná elektroda). Elektrody jsou pokryty aktivní vrstvou materiálu a mezi nimi je iontově vodivý, obvykle hořlavý elektrolyt, který působí jako prostředník pro procesy v článku. Obě elektrody elektricky odděluje separátor, který je v článku nejnáchylnější součástkou na poškození.  Poškození separátoru může nastat buď mechanicky, například proražením baterie, dále působením vysoké teploty, například nesprávným nabíjením či vybíjením baterie a zkratovým proudem, nebo postupným stárnutím baterie a prorůstáním krystalů lithiových solí, rozpuštěných v elektrolytu skrze separátor, vedoucí k jeho průrazu. V bateriovém úložišti můžeme téměř vyloučit mechanický zásah do baterií a při správně fungujícím systému BMS (Battery Management System) také přehřívání baterií způsobené provozem. Účinný systém správy baterií udržuje články v bezpečném provozním rozsahu, aby nedocházelo k jejich přebíjení a hlubokému vybití. 

Nebezpečný z pohledu provozu v bateriovém úložišti zůstává tedy zejména průraz separátoru (způsobený vnitřními chemickými procesy) a působení vlivu vnější teploty. Při nepatrném poškození separátoru ostrými hroty krystalů (dendrity) začne protékat mezi oddělenými prostory exponenciálně sílící zkratový proud. Jeho teplotní účinky začnou zahřívat elektrolyt, který se začne odpařovat. Uvnitř článku se tak vytváří vnitřní tlak, který v případě, že se páry elektrolytu neuvolní přetlakovým ventilem, vede k prasknutí obalu článku. Začíná probíhat exotermická reakce která ústí v tepelnou explozi (thermal runaway), při které dojde k výbuchu článku, vzniku požáru elektrolytu a lavinovitému šíření požáru na další okolní články. 

 

Současná koncepce požární ochrany předpokládá hašení pomocí dodávky velkého množství vody a zejména izolaci požáru úložiště hasebními prostředky od okolních staveb a ochlazováním velkým množstvím vody. Toto řešení nejen, že úložiště nezachrání, ale přinese vysokou ekologickou zátěž, protože při něm vzniká agresivní chemický roztok vody a elektrolytu. 

Včasná detekce 

Pro velmi časnou detekci se proto ukázal jako ideální kombinovaný nasávací hlásič kouře FDA241. Tento hlásič nasává nepřetržitě vzorek vzduchu pomocí detekční trubice zavedené do prostoru mezi baterie. Vzorek prochází speciální měřící komorou, ve které jsou umístěné dva zdroje světla – jeden vyzařuje infračervené záření a druhý modré světlo. Dále je v měřící komoře umístěn citlivý senzor obou těchto vlnových délek. Na částečkách, obsažených ve vzduchu, se obě vlnové délky světla rozptylují zcela odlišně – zatímco prachové částice nebo vodní pára mají částice velké a rozptylují tedy dobře spíše infračervené světlo o delší vlnové délce, mnohem menší částice kouře rozptylují světla na obou vlnových délkách téměř stejně. Tohoto rozdílu se daří již mnoho let využívat pro odlišení pravých požárů od vlivu prachu a vodní páry v instalacích nasávacích hlásičů Siemens FDA. Výzkumníci, hledající účinný způsob detekce v bateriových úložištích, zkusili metodu měření rozdílu rozptylu modrého a IR světla využít i pro rozlišení nepatrných částeček, obsažených v parách elektrolytu.  Výsledek všechny překvapil – z výsledků měření vyplývá, že systém FDA se dvěma zdroji světla o různé vlnové délce rozpozná únik elektrolytu o několik minut dříve než dosud využívané technologie nasávacích hlásičů, pracujících pouze s s IR světelným spektrem. Právě těchto několik minut náskoku před požárem je pro zabránění teplotní exploze naprosto klíčových. 

Účinné hašení 

Na včasnou detekci již v okamžiku počínajícího výparu elektrolytových par navazuje účinné opatření – aktivace hasicího systému Siemens Sinorix N2. Vytěsnění kyslíku dusíkem, jehož zásoba, spočítaná přesně pro daný objem úložiště a návrhovou koncentraci, je uložena v systému Sinorix N2, zabraňuje tvorbě výbušné směsi elektrolytu a kyslíku. Měřením se ukázala jako nejúčinnější koncentrace pod 11,4 % objemu kyslíku ve vzduchu, což odpovídá 45,2 % objemových koncentrace hasiva dusík podle EN15004-8 pro vyšší riziko ve třídě požáru A. Při jejím dosažení nedochází dále k šíření požáru na sousední bateriové články a úložiště se tak po dobu nejméně třiceti minut dostává mimo nebezpečí. V této době je možno demontovat postižené baterie a provést protipožární opatření mimo prostor úložiště. Hašením pomocí přírodního plynu navíc nedochází k žádným škodám na životním prostředí.

Siemens je předním výrobcem stacionárních bateriových úložišť a má proto velmi rozsáhlé know-how a zkušenosti, a to nejen se samotnými technologiemi pro ukládání energie, ale je v současné době také nejdále i v koncepci jejich požární ochrany. Není proto žádným překvapením, že koncepce ochrany stacionárních lithium-iontových úložišť, vyvinutá společností Siemens, je jako dosud jediná certifikována prestižním německým svazem pojišťovatelů VdS (certifikát VdS č. S 619002). 

Kontaktní osoba

Michal Roubíček

Product manager EPS

michal.roubicek@siemens.com