Wstęp
Temat, który poniżej postaram się przybliżyć, jest mocno kontrowersyjny, jak zawsze, gdy w grę wchodzi bezpieczeństwo. Pożar jest przecież często wynikiem szeregu czynników i udowodnienie, że jego źródłem jest właśnie magazyn energii, jest w wielu wypadkach nadużyciem wykorzystywanym przez media. W artykule przedstawię tylko zbadane przypadki pożarów, spróbuje też omówić zagrożenia związane z pożarami akumulatorów, a także różnice pomiędzy bateriami litowymi w kontekście zagrożenia pożarowego.
Incydenty pożarowe
1. Kahuku na Hawajach. sierpień 2011, Spłonął magazyn składający się z 12000 akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Ogień płonął z przerwami przez kilka dni. Próbowano początkowo gasić go gaśnicami proszkowymi, ale z mizernym skutkiem. Budynek nie spełniał odpowiednich wymogów ppoż. W wyniku pożary został kompletnie zniszczony.
Fot. Pożar magazynu energii Kahuku na Hawajach.
2. Pożar magazynu energii Tesli w Australii, 2021 rok. To chyba jeden z najbardziej spektakularnych pożarów. Wybuchł w największym w tym momencie bateryjnym magazynie energii na świecie, o nazwie Megapack. Ogień pojawił się w dniu 30 lipca. Przypuszcza się, że przyczyną były testy przeprowadzane przez firmę Neonen Australia. Pożar pojawił się w jednym z kontenerów. Dym był na tyle toksyczny, że okolicznym mieszkańcom zalecono nie otwieranie okien. Gaszenie trwało kilka dni
Fot. Pożar magazynu energii Tesli w Australii.
3. Pożar magazynu energii w Belgii listopad 2017 rok.
Magazyn o mocy 6MW. Zapalił się jeden z kontenerów o mocy 1 MW i uległ całkowitemu zniszczeniu.
Biały dym wydobywający się z magazynu na zamieszczonym zdjęciu jest bardzo toksyczny. Pojawiły się obawy o bezpieczeństwo okolicznej ludności. Pożar wybuchł w momencie uruchamiania akumulatorów litowo-jonowych Engie Ineo w miejscowości Drogenbos pod Brukselą. W momencie wybuchu pożaru żaden z systemów nie był podłączony do sieci, a obiekt był w pełni wyposażony w systemy wykrywania i gaszenia pożaru. Najwyraźniej jednak systemy te nie zdołały ugasić płomieni.
To zaledwie kilka przykładów, w dodatku dużych jednostek, położonych z dala od budynków mieszkalnych. Nas z pewnością bardziej interesują pożary magazynów domowych małej mocy. Czy takie przypadki miały miejsce? Tak i są dość dobrze skomentowane w sieci, tym bardziej, że działy się za naszą zachodnią granicą.
Pożary magazynów domowych
Chyba najlepiej znane są pożary domowych magazynów energii firmy Senec, do jakich doszło w 2022 roku w Niemczech (źr. https://gadzetomania.pl/wybuchy-magazynow-energii-w-niemczech-producent-szybko-reaguje,6746895482616416a) . Udokumentowane są co najmniej cztery takie przypadki, po których producent zdecydował się wyłączyć wszystkie jednostki sterowane poprzez internet do czasu wyjaśnienia przyczyn. Należy dodać, że wyłączenie było dobrowolne, a osoby, które zgodziły się na takie rozwiązanie, otrzymały od firmy rekompensatę w wysokości 25 euro za każdy rozpoczęty tydzień, w którym urządzenie nie będzie pracować.
Fot. Płonący magazyn energii SENEC, wyniesiony z budynku przez strażaków.
Co najmniej w jednym z powyższych przypadków, po wybuchu, został uszkodzony dach budynku (Bodnegg w Badenii-Wirtembergii), a budynek nie nadawał się do zamieszkania. Interesujący i wiele mówiący jest sam opis akcji gaśniczej. Po zlokalizowaniu źródła ognia strażacy wyłączyli napięcie w budynku, a następnie zdemontowali akumulator. Magazyn został wyniesiony przez pięciu strażaków wyposażonych w aparaty oddechowe i specjalną odzież. Gdy urządzenie było już na zewnątrz, znów stanęło w ogniu. Po ugaszeniu pożaru akumulator, który miał być uzupełnieniem fotowoltaiki, został umieszczony w kadzi z wodą, aby mógł się ochłodzić.
W Niemczech wybuchały nie tylko magazyny energii SENEC. Co najmniej jeden incydent dotyczy magazynu LG. O podobnych incydentach magazynów tego koreańskiego producenta informowały też USA. W Niemczech przegrzaniu uległ magazyn LG o pojemności 6,5kWh. Tutaj producent zaoferował użytkownikom wymianę magazynu na nowy wszędzie tam, gdzie istniało podejrzenie wadliwego rozwiązania. Dodatkowo klienci otrzymali wsparcie techniczne i bezpłatne oprogramowanie podnoszące bezpieczeństwo baterii.
Jak widać z tego krótkiego przeglądu, pożary magazynów energii nie są odosobnioną sytuacją i pojawiają się w różnych technologiach, tak w małych, jak i w wielkoskalowych instalacjach. We wszystkich przypadkach akcja gaśnicza jest trudna, a wydzielający się dym niebezpieczny dla zdrowia. Ilość incydentów nie jest jednak duża pod względem procentowym, a zachowanie producentów budzi szacunek. Pamiętajmy, że to nowa technologia i każdy taki przypadek jest gruntownie badany, aby wyeliminować podobne w przyszłości.
Dlaczego ogniwa płoną, jaka jest ich palność, czym gasić palący się magazyny energii w domu? Na te i być może inne pytania spróbuję odpowiedzieć w artykule.
Magazyn z bateriami litowo-jonowymi
To najpopularniejsze obecnie rozwiązanie dlatego na nim się skupię. Akumulator litowo-jonowy ma budowę, jak na rys.
W akumulatorze takim anoda i katoda zanurzone są w elektrolicie, który zawiera sole litu. Skupię się na tym ostatnim pierwiastku.
Lit jest metalem ziem rzadkich, palnym, topi się w temperaturze około 180,5°C. Jeśli występuje w postaci stałej, potrafi się zapalić w powietrzu przy wzroście temperatury powyżej temperatury topnienia. Jeśli jest w postaci proszku, zapala się już w temperaturze pokojowej. W połączeniu z wodą reaguje wydzielaniem gazu, który może ulec samozapłonowi, dlatego w pracowniach chemicznych, w szkołach, lit przechowywany jest zawsze w ciemnych naczyniach wypełnionych naftą, lub w butlach z gazem obojętnym.
Gaszenie płonącej baterii litowej jest bardzo skomplikowane i niebezpieczne dla zdrowia. Lit powoduje oparzenia skóry, jest szkodliwy dla oczu. Polewanie baterii wodą powoduje dodatkowe zagrożenie, związane z wydzielaniem dużej ilości szkodliwych i palnych gazów. Jak bardzo palny jest lit i sama bateria litowo-jonowa, niech posłuży porównanie z poradnika PPSRF-001/2022 (Wymagania ppoż. dla magazynów energii). Według autorów wartość opałowa jednego litra akumulatora Li-jon wynosi około 5,8 kWh. Dla porównania benzyna ma około 8,6 kWh/l. Możemy więc z powodzeniem zaliczyć akumulatory litowo-jonowe do materiałów łatwopalnych.
Dlaczego się zapala?
Z zasady działania baterii Li-jon wynika, że nadmierny wzrost temperatury, powyżej którego może nastąpić niekontrolowany zapłon ogniw wywołany jest najczęściej zwarciem między anodą i katodą. Przyczyn może być tutaj wiele.
Błędy konstrukcyjne w budowie baterii – rzadkie, ale niestety możliwe w produkcji błędy mogą prowadzić do zbyt małych odległości separacyjnych między anodą i katodą, a w konsekwencji do przebić elektrycznych, zwykle już przy pierwszym uruchomieniu
Uszkodzenie mechaniczne baterii w trakcie użytkowania lub transportu – magazyny energii powinny być transportowane w sposób bezpieczny, zapobiegający upadkowi z wysokości, uderzeniom, itp. Urazy mechaniczne ogniw mogą uszkadzać w sposób niewidoczny ich wewnętrzną budowę, prowadzić do przemieszczeń anod i katod w ogniwach. Każde takie zdarzenie powinno być odnotowane i najlepiej sprawdzone przez serwis. Montaż magazynów w garażach, przy braku odbojników może też np. skutkować uderzeniem przez parkujący samochód.
Zbyt wysoka temperatura otoczenia, w której pracuje urządzenie – każdy magazyn energii posiada w swojej specyfikacji określony zakres temperatur, w jakim powinien pracować. Najczęściej jest to temperatura między 20-40°C, przy czym producent znacznie ją rozszerza o wartości dochodzące do ujemnych temperatur, a odgórnie do 55-60°C. Tak wysokie wartości sprzyjają jednak szybszemu starzeniu sie ogniw, mogą też ujawniać ukryte wady. Pomieszczenia na magazyn winny być więc wentylowane. Brak wentylacji powoduje kumulację wydzielanego ciepła. Inne, najczęstsze tutaj błędy montażowe, to:
- umieszczanie magazynów na niezaizolowanym poddaszu
- umieszczanie magazynu w pobliżu źródła ciepła (grzejnik, kocioł)
- magazyn w miejscu nasłonecznionym
Nieprawidłowości w procesie ładowania baterii – (z ang. elektrical abuse) każdy magazyn powinien współpracować z systemem zarządzania energią (BMS), brak takiego systemu, lub jego nieprawidłowa praca mogą skutkować zbyt szybkim ładowaniem baterii lub jej przeładowywaniem, ale nie tylko. Częstym błędem jest podłączanie do systemu odbiorników o bardzo dużym poborze energii, przekraczającym wydajność baterii. Zbyt szybkie jej rozładowywanie powoduje podobne skutki i może być przyczyną pożaru, a nawet wybuchu.
Oddziaływanie środowiska – mam tutaj na myśli wpływ warunków zewnętrznych takich jak, wilgoć, gryzonie, zalanie, zapylenie, itp. W regionach nadmorskich magazyn energii może być dodatkowo narażony np. na słoną mgłę, która ma wybitne właściwości korozyjne i może sprzyjać zwarciom.
Co dzieje się w momencie przegrzania ogniwa?
Ogniwo, które osiągnęło temperaturę krytyczną, zaczyna zwykle wydzielać toksyczne i łatwopalne gazy. Są to tlenek węgla, wodór, HCl (chlorowodór), metan, a także gazy zawierające często silnie toksyczne substancje jak np. HCN (cyjanowodór). Jest to moment, gdy można jeszcze przerwać cały proces, potrzebna jest jednak szybka reakcja i wczesne wykrycie zjawiska, np. poprzez zamontowanie w budynku czujek gazu.
Jeśli proces trwa dalej, dochodzi do tzw. ucieczki termicznej. To już reakcja poza kontrolą, wydzielają się duże ilości ciepła i następuje gwałtowny wzrost temperatury ogniw. Wydzielane gazy mogą się zapalić,
może też dojść do nagłego, niekontrolowanego zapalenia się i wybuchu. Jedno ogniwo powoduje zapłon drugiego, powstaje reakcja łańcuchowa. To, z jaką prędkością wzrośnie temperatura ogniwa, zależy od jego współczynnika „thermal runaway„. Wartość ta nie jest zbyt chętnie podawana przez firmy, dlatego raczej nie znajdziemy jej w instrukcjach obsługi magazynów. Poniżej pokazuję takie wykresy dla czterech typów magazynów Li-jon:
- LFP znane pod skrótem LiFePo4, lub litowo-żelazowo-fosforowe
- NCA, litowo-kobaltowo-aluminiowe
- NCO, litowo-kobaltowo-tlenkowe
- NMC, litowo-niklowo-manganowo-kobaltowe
Można zauważyć, że spośród wspomnianych powyżej technologii litowo-jonowych, LCO i NCA są najbardziej niebezpiecznymi z punktu widzenia niekontrolowanej temperatury. Jej Wzrost wynosi około 470°C na minutę. NMC emituje około połowę tej energii, przy wzroście 200°C na minutę, ale nawet ten poziom powoduje wewnętrzne spalanie materiałów i zapłon ogniwa.
Technologia LiFePO4 – LFP jest w niewielkim stopniu narażona na zjawisko niekontrolowanej zmiany temperatury, przy wzroście temperatury wynoszącym zaledwie 1,5°C na minutę.
Jeszcze ciekawsze wnioski można wysnuć po obejrzeniu poniższego filmu. Pokazuje on zachowanie ogniw w przypadku mechanicznego uszkodzenia (tutaj – przewiercenie). Ogniwo NMC w takim przypadku od razu wybucha, ogniwo LFP nie wykazuje żadnych widocznych negatywnych objawów.
Dodam, że ogniwa LCO, NCA lub litowo-polimerowe, zachowują się podobnie do NMC w teście perforacji (natychmiastowe zapalenie).
Test na przeładowanie ogniwa i związaną z tym palność pokazuje kolejny film. https://youtu.be/Qzt9RZ0FQyM
Czym gasić?
Pożar magazynu energii zawierającego akumulatory litowo-jonowe jest groźny dla życia. Gaszenie wymaga specjalistycznych ubrań i masek tlenowych. Powiedzmy sobie jednak szczerze, że nikt z nas nie będzie czekał biernie na przyjazd straży patrząc, jak płonie dom. Czy można samemu prowadzić taką akcję i czym gasić palące się akumulatory? Czy są jakieś specjalne gaśnice do tego celu i czy warto posiadać je w domu?
Pytania trudne, bowiem magazyn energii, to nie płonąca firanka, czy choinka. W każdej chwili może wybuchnąć. Warto natomiast posiadać w domu gaśnicę do tego typu urządzeń. W tym wypadku jest podobnie jak z gaśnicą samochodową. Można ją mieć, niekoniecznie używać. Do gaszenia magazynu litowo-jonowego nadają się szczególnie gaśnice LITH EX z wodną dyspersją wermikulitu. Ten minerał został specjalnie zaprojektowany do gaszenia pożarów baterii litowo-jonowych. Tworzy film niedopuszczający tlenu do pożaru. Na rynku znajdziemy gaśnice o pojemnościach 1, 2, 6 i 9 litrów. Ceny są dość wysokie. Zamiast gaśnicy można więc nabyć koc gaśniczy. Koc izoluje ogniwa akumulatora, baterii, aby zatrzymać niekontrolowany wzrost temperatury i zapobiec rozprzestrzenianiu się ognia.
Koc gaśniczy do baterii litowo-jonowych wykonany jest z wermikulitu. Koce sprzedawane są o różnych rozmiarach, np. 3300×2400, 2000x1500mm.
Fot. Po lewej gaśnica do magazynów litowo-jonowych, po prawej – koc gaśniczy.