*του Στυλιανού Στάθη, Διπλ. Μηχανολόγος Μηχανικός, Ζαριφόπουλος Α.Ε
Νέες προκλήσεις, αλλά και σύγχυση, επικρατούν στη προσέγγιση εφαρμογών για τη προστασία κατασκευής, αποθήκευσης και χρήσης συσσωρευτών (μπαταριών) ιόντων λιθίου (Li-Ion). Οι συσσωρευτές ιόντων λιθίου αποτελούν σήμερα τη κύρια επιλογή για διάφορους τομείς, όπως, μεταξύ άλλων, η παραγωγή ενέργειας, οι επικοινωνίες, η βιομηχανία, η κίνηση οχημάτων και πολλές άλλες.
Τύποι συσσωρευτών
Οι συσσωρευτές ιόντων λιθίου (lithium-ion battery, Li-ion battery) ποικίλλουν σε χαρακτηριστικά και συνεχίζουν να εξελίσσονται, όσον αφορά στα υλικά κατασκευής και τη διαμόρφωσή τους. Οι συσσωρευτές ιόντων λιθίου είναι ένας τύπος επαναφορτιζόμενης μπαταρίας στην οποία τα ιόντα λιθίου κινούνται από το αρνητικό ηλεκτρόδιο προς το θετικό κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης και αντίστροφα κατά τη φόρτιση.
Στους συσσωρευτές ιόντων λιθίου χρησιμοποιείται μια ειδική ένωση του λιθίου, σε αντίθεση με το μεταλλικό λίθιο που χρησιμοποιείται σε ένα μη επαναφορτιζόμενο συσσωρευτή. Ο ηλεκτρολύτης, που επιτρέπει την μετακίνηση ιόντων και τα δύο ηλεκτρόδια, είναι το πιο σημαντικό συστατικό του στοιχείου. Το περίβλημα των κυψελών μπορεί να είναι μέταλλο ή πολυμερές.
Οι συσσωρευτές ποικίλλουν σε μέγεθος και διαμόρφωση ανάλογα την εφαρμογή τους. Μεγαλύτεροι συσσωρευτές χρησιμοποιούνται σε συστήματα αποθήκευσης ενέργειας και οχήματα, ενώ μικρότεροι σε φορητούς υπολογιστές και κινητά τηλέφωνα. Οι συσσωρευτές συνήθως είναι διατεταγμένοι παράλληλα ή σε σειρά για αύξηση της τάσης ή της χωρητικότητας.
Αίτια πυρκαγιάς
Οι συσσωρευτές ιόντων λιθίου μπορούν να θέσουν ιδιαίτερους κινδύνους ασφάλειας επειδή περιέχουν έναν εύφλεκτο ηλεκτρολύτη και ενδέχεται να διατηρούνται υπό πίεση. Καθώς αυτές δεν περιέχουν μεταλλικό λίθιο, δεν θα πρέπει να θεωρούνται ως απειλή πυρκαγιάς τύπου «μετάλλου», κατηγορίας D. Τα πιθανά αίτια έναρξης πυρκαγιάς από τον συγκεκριμένο τύπο μπαταρίας είναι τα ακόλουθα:
- Εσωτερικά κατασκευαστικά ελαττώματα
- Φυσική ζημιά κατά την συναρμολόγηση και χρήση
- Ηλεκτρικό αίτιο (υπερφόρτιση, βραχυκύκλωμα)
- Θερμικό αίτιο (έκθεση σε υψηλές θερμοκρασίες)
Η αστοχία της κυψέλης οδηγεί σε πτώση τάσης και αυξανόμενη απελευθέρωση θερμότητας και σηματοδοτεί την έναρξη της «θερμικής διαφυγής» (“thermal runaway”). Πρόκειται για μία εξωθερμική χημική αντίδραση η οποία προκαλεί σταδιακά τα παρακάτω φαινόμενα:
- Αύξηση θερμοκρασίας
- Έκλυση εύφλεκτων / τοξικών ατμών ηλεκτρολύτη
- Φλόγα
- Έκρηξη
Το Thermal Runaway ξεκινά από ένα κελί και η θερμική διάδοση δημιουργεί ένα ντόμινο φαινομένων μέσω των γειτονικών κυψελών.
Ανίχνευση πυρκαγιάς
Η βασικότερη μέθοδος αντιμετώπισης της εξάπλωσης πυρκαγιάς είναι η απομόνωση του συσσωρευτή. Για παράδειγμα, οι αεροπορικές εταιρίες χρησιμοποιούν άκαυστες τσάντες για την αποθήκευση μικρών φορητών συσκευών με επαναφορτιζόμενο συσσωρευτή κατά την διάρκεια της πτήσης.
Στα μεγάλα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας, η χρήση πυράντοχων χωρισμάτων μεταξύ των συστοιχιών συσσωρευτών είναι ικανή να περιορίσει την εξάπλωση της φωτιάς.
Όμως, για μεγαλύτερα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας, η πιο διαδεδομένη μέθοδος πρόληψης είναι η έγκαιρη ανίχνευση αερίων που εκλύονται κατά την υπερθέρμανση (“off-gas detection”).
Off-gas detection
Σε περίπτωση αστοχίας της κυψέλης, η έκλυση ατμών του θερμαινόμενου καταλύτη συμβαίνει αρκετά νωρίς. Υπάρχουν συστήματα που είναι ικανά να ανιχνεύσουν τα αέρια αυτά, ακόμα και σε χαμηλές συγκεντρώσεις, ώστε έγκαιρα να παρέχουν προειδοποίηση για επικείμενη «θερμική διαφυγή» και να προκαλούν άμεση / αυτόματη ηλεκτρική απομόνωση του συσσωρευτή, πριν την εκκίνηση πυρκαγιάς.
Η εφαρμογή “off-gas detection” αφορά κυρίως μεγάλες συστοιχίες συσσωρευτών, οι οποίες συνήθως περικλείονται εντός συγκεκριμένου περιβλήματος (rack) και η φόρτισή τους επιτηρείται από κεντρικό ελεγκτή. Τυπικό παράδειγμα εφαρμογής είναι τα λεγόμενα Data Center τηλεπικοινωνιακών εταιρειών και παρόχων.
Αντιμετώπιση πυρκαγιάς
Το πλέον συνηθισμένο μέσο αντιμετώπισης πυρκαγιάς σε συστοιχία συσσωρευτών είναι τα αδρανή (“inert”) αέρια κατάσβεσης.
Τα συστήματα κατάσβεσης με αέριο αποτελούνται από μία ή περισσότερες φιάλες που περιέχουν την κατάλληλη ποσότητα κατασβεστικού μέσου ανάλογα τον όγκο και τον εξοπλισμό του υπό προστασία χώρου.
Τα συστήματα ενεργοποιούνται χειροκίνητα ή αυτόματα μέσω κατάλληλου συστήματος πυρανίχνευσης.
Σε περίπτωση αστοχίας μίας κυψέλης εκλύονται ηλεκτρολύτες οι οποίοι είναι εύφλεκτο υγρό κατηγορίας Β. Τα κατασβεστικά αέρια θα είναι ικανά μεν να σβήσουν την φωτιά που παράγεται από την καύση ηλεκτρολύτη, αλλά θα έχουν μικρή ή καθόλου ικανότητα να μετριάσουν / αποτρέψουν μια «θερμική διαφυγή» (“thermal runaway”), διότι δεν θα έχουν την ικανότητα να αφαιρέσουν επαρκή θερμότητα με αποτέλεσμα η φωτιά να διατηρηθεί. Έτσι, ακόμα και με πολύ υψηλές συγκεντρώσεις κατασβεστικού αερίου, η προστασία δεν θα είναι αποτελεσματική.
Ο κίνδυνος αναζωπύρωσης της φωτιάς στις περιπτώσεις αυτές είναι συχνός. Όσο οι συσσωρευτές συνεχίζουν να υπερθερμαίνονται, θα παραμένει η πιθανότητα έκλυσης εύφλεκτων και τοξικών αερίων.
Συμπεράσματα
Ατυχή συμβάντα που πραγματοποιούνται σε χώρους φόρτισης / αποθήκευσης από συσσωρευτές ιόντων λιθίου μπορούν να εξελιχθούν σε σημαντικές και ασταμάτητες πυρκαγιές «θερμικής διαφυγής», επομένως απαιτούνται μέτρα για την έγκαιρη και αποτελεσματική αντιμετώπιση κινδύνων από αυτές.
Θα πρέπει να παρακολουθούμε και να ανιχνεύουμε κινδύνους από τις συνθήκες λειτουργίας ή φόρτισης των συσσωρευτών, πριν από την εκδήλωση της πυρκαγιάς, παρακολουθώντας διάφορα φαινόμενα όπως εκπομπές αερίων και μη φυσιολογικές θερμοκρασίες. Πρόσφατα συμβάντα αποδεικνύουν ότι το κλειδί είναι η έγκαιρη ανίχνευση αερίων από τον υπερθερμαινόμενο καταλύτη και η άμεση αποσύνδεση της πηγής ενέργειας των συσσωρευτών.
Τέλος, πρέπει να γίνει κατανοητό ότι ο κίνδυνος πυρκαγιάς παραμένει μετά την λειτουργία του συστήματος αυτόματης κατάσβεσης, λόγω πιθανής ζημιάς σε γειτονικές κυψέλες, οι οποίες έχουν την ικανότητα να ανανεώσουν την πυρκαγιά. Συνεπώς, ενδέχεται να σχεδιαστούν διορθωτικά μέτρα για την αποφυγή εκ νέου κλιμάκωσης.
