Siemens ponúka systém na detekciu a hasenie požiaru lítiových batérií

Téma požiarnej ochrany lítiových batérií sa v posledných rokoch dostáva čoraz viac do popredia. Tieto zdroje energie sa využívajú v širokom spektre – od prenosnej elektroniky a záhradného vybavenia cez e-bicykle a kolobežky, elektrické autá až po veľké úložiská energie na zálohovanie a vyrovnávanie sietí. Výhodou je najmä vysoká energetická hustota, možnosť využiť takmer celú kapacitu a čoraz dostupnejšia cena.

 

Foto- zdroj: Siemens

Významné riziko požiaru

Zároveň však batérie nesú značné riziká. Energia sa ukladá v horľavom elektrolyte, elektródy uvoľňujú kyslík pri spaľovaní a batérie sú často vystavené vibráciám, otrasom alebo tepelnému zaťaženiu. Existuje tiež riziko poškodenia v dôsledku preťaženia, skratov alebo hlbokých výbojov, ako aj degradácie počas starnutia. Nebezpečenstvo nastáva aj pri manipulácii s použitými článkami v elektrickom odpade.

Ak sa v článku začne nepriaznivá reakcia, elektrolyt sa zahreje a odparí, tlak v batérii stúpa a plyny unikajú cez bezpečnostný ventil (uvoľňovanie plynov). Po dosiahnutí iniciačnej teploty nastáva takzvaný tepelný únik. Ide o prudký nárast teploty a lavínovú reakciu, ktorú nemožno zastaviť. Bunka exploduje a oheň poškodí okolitú bunku lavínou. To jasne ukazuje, že batérie predstavujú významné riziko požiaru a včasná detekcia a reakcia sú kľúčové.

Detekcia požiaru

Požiadavky na detekciu sa líšia podľa typu a prostredia prevádzky a fázy životnosti batérie:

Výroba buniek – formátovanie prebieha v nehorľavých boxoch, kde postačujú viacsenzorové detektory dymu doplnené senzormi oxidu uhoľnatého. V prípade požiaru môžu byť boxy evakuované mimo ohrozenej oblasti a ponechané kontrolovane vyhorieť.

Garáže a parkoviská – testy ukázali, že kombinované detektory požiaru s detekciou oxidu uhoľnatého reagujú na vznikajúci požiar v elektrickom aute výrazne rýchlejšie než konvenčne inštalované termodiferenciálne detektory.

Montáž modulov a balíkov – pri montáži batérií, zváraní spojov alebo zapuzdrení hrozí riziko výrobných chýb a vnútorných skratov. Vhodné sú tu detektory uvoľňovania plynov, ktoré dokážu detegovať elektrolytové výpary ešte pred fázou tepelného úniku.

Ukladanie energie – vysoká koncentrácia batérií znamená riziko poškodenia v desiatkach miliónov a vážne dôsledky pre životné prostredie. Hoci systém BMS odpojí batérie od vonkajšieho napätia, nemôže zastaviť chemickú reakciu, preto je kľúčové odhaliť problém pri prvých príznakoch neštandardného správania batérie.

Na trhu existuje niekoľko technológií na detekciu úniku výparov počas uvoľňovania plynov, najmä katalytické, infračervené alebo elektrochemické detektory rôznych plynov.

Siemens ponúka efektívnu KAS+ aspiračnú jednotku, ktorá aktívne nasáva vzduch a analyzuje jeho zloženie pomocou dvoch rôznych vlnových dĺžok svetla. Odchýlky v rozptyle infračerveného a modrého svetla na povrchu molekúl v meracej komore odhaľujú výskyt elektrolytových výparov a umožňujú reakciu predtým, než sa objaví viditeľný dym alebo plameň.

Reakcia na výstražné signály

Ak dôjde k požiaru batérie, je veľmi ťažké ho uhasiť a zásahy sa zameriavajú skôr na obmedzenie šírenia. Opäť existuje niekoľko možností, ako to dostať pod kontrolu.

Sklady batérií – sprinklery s vysokým prietokom vody sa používajú na chladenie až do príchodu hasičov. Môžu použiť špeciálnu dýzu s abrazívom, ktorá umožňuje aplikovať vodu priamo na batériový balík.

Menšie priestory – aerosóly, chemické alebo práškové hasiace prostriedky sa často používajú na odstránenie energie z plameňov alebo zabránenie prístupu kyslíka. Nie sú však veľmi účinné pri hasení požiarov batérií, pretože ak sa vyčerpá zásoba hasiaceho prostriedku, batéria opäť nekontrolovateľne horí. Okrem toho po štarte zanechávajú zvyšky prášku aj aerosólu, ktoré je potrebné vyčistiť.

Karanténa – v prípade podozrenia na prehriatie batérie môže byť súprava presunutá do nádoby na vodu. Voda ho ochladzuje, kým sa energia úplne nevybije, čo môže trvať niekoľko dní. Vďaka tvorbe kyslíka chemickou reakciou umožňuje batéria horieť aj pod vodou. Postup tiež vyžaduje likvidáciu kontaminovanej vody.

Garáže s elektrickými autami – jemný vodný hmlový systém zaplaví priestor kvapkami v prípade požiaru auta, ktoré účinne odvádzajú teplo a zároveň vytláčajú kyslík premenou vody na paru. Testy ukázali, že hmla chráni bezprostredne susedné vozidlá a zadržiava zvyšky požiaru, čím zlepšuje podmienky pre hasičov.

Silikónové plachty – používané na ochranu pred šírením požiaru áut, najmä na lodiach a trajektoch. Špeciálna tkanina určená pre elektrické autá dokáže odolávať teplotám nad 1 500 °C.

Inertná atmosféra – uzavreté úložiská môžu byť chránené trvalým znížením obsahu kyslíka, buď trvalo, hypoxickým systémom, alebo inerciou pri podnete včasnej detekcie. Tento scenár využíva aj koncept Siemens nazývaný LIBESS, ktorý kombinuje detektory odpadujúce ASD+ a systém Siemens Sinorix, čím znižuje obsah kyslíka na 11,3 %. Spoľahlivosť tohto riešenia potvrdzujú náročné testy a certifikácie prestížnym laboratóriom VdS.

Skúsenosti ukazujú, že najefektívnejší zásah je vždy pri prvých príznakoch problému. Uhasenie už rozvinutého požiaru slúži predovšetkým na ochranu okolia a nebráni úplnému zničeniu zariadenia.

Budúce trendy

Vývoj batérií je zameraný na vyššiu hustotu energie, rýchlejšie nabíjanie a bezpečnosť. Pevný elektrolyt, ktorý nie je horľavý, má veľký potenciál. Avšak od laboratórnych experimentov k masovému nasadeniu je ešte dlhá cesta.

Ďalším rastúcim trendom je strojové učenie a umelá inteligencia. Moderné BMS zhromažďujú rozsiahle údaje o stave a prevádzkovom profile batérií. Ak sú dáta správne analyzované, budúca AI dokáže rozpoznať vzory vedúce k zlyhaniu alebo požiaru a varovať pred týmto nebezpečenstvom skôr, než zareagujú súčasné senzory fyzických prejavov.

V budúcnosti sa očakáva kombinácia fyzických detektorov, prediktívnych BMS algoritmov a nových materiálov, čo výrazne zvýši bezpečnosť batériových systémov.

Lítium-iónové batérie sú nevyhnutným zdrojom energie, no zároveň predstavujú významné riziko požiaru. Najefektívnejšou ochranou batériového skladovania je včasné odhalenie a rýchla reakcia, ideálne ešte pred požiarom – momentálne ideálne kombináciou uvoľňovacích a inertných detektorov.

Systém Siemens LIBESS je presne takým riešením. V garážach s elektrickými autami sú ideálnou voľbou detektory s pokročilou detekciou, prepojené s dátami z nabíjacej infraštruktúry a aplikácií vodnej hmly. Okrem vývoja bezpečnejších typov batérií je budúcnosť aj vo vývoji čoraz sofistikovanejších senzorových technológií a ich prepojení s AI-analyzovanými BMS dátami.