Gaszenie pożaru w systemach magazynowania energii akumulatorowej

Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na systemy magazynowania energii elektrycznej (ESS) kwestie bezpieczeństwa stają się kluczowym zagadnieniem. W szczególności akumulatory litowo-jonowe, często stosowane w zewnętrznych obudowach ESS, wymagają odpowiednich zabezpieczeń ze względu na ich wysoką podatność na pożary. Skuteczne systemy gaśnicze są niezbędne, aby zapewnić ochronę takich instalacji.

Struktura systemów ESS

Obudowy ESS składają się zazwyczaj z wielu regałów zawierających moduły, które z kolei zbudowane są z licznych ogniw litowo-jonowych (Li-ion). Ogniwa te działają jako akumulatory, umożliwiając magazynowanie i rozładowywanie energii elektrycznej. Zgodnie z normą NFPA 855, obudowy ESS muszą być wykonane z materiałów niepalnych oraz spełniać określone wymogi wymiarowe.

Ucieczka termiczna jako kluczowe zagrożenie

Ucieczka termiczna to proces wywołany egzotermicznymi reakcjami chemicznymi w akumulatorach litowo-jonowych, który może prowadzić do pożaru. Do czynników ryzyka zalicza się:

• przegrzanie spowodowane zwarciami wewnętrznymi,

• uszkodzenia mechaniczne,

• nadmierne ładowanie,

• awarie systemu zarządzania akumulatorem.

Wysokie temperatury mogą uszkodzić separator ogniwa, co prowadzi do uwolnienia palnych elektrolitów i emisji toksycznych gazów. Ucieczka termiczna może szybko rozprzestrzenić się z jednego ogniwa na cały moduł, regał, a nawet całą obudowę, czyniąc wybór odpowiedniego systemu tłumienia ognia krytycznym dla bezpieczeństwa.

Standardy bezpieczeństwa i systemy gaszenia pożarów

Dwa główne standardy regulujące systemy gaśnicze dla ESS to FM Global Data Sheet (FM DS) 5-33 oraz NFPA 855. Kluczowe wymagania obejmują:

• Automatyczne systemy zraszające – skuteczne schładzanie jest niezbędne, aby zapobiec reakcji łańcuchowej i ponownemu zapłonowi ogniw.

• Alternatywne systemy tłumienia ognia – NFPA 855 dopuszcza ich stosowanie, jeśli spełniają wymagania normy UL 9540A („Test Method for Evaluating Thermal Runaway Fire Propagation in Battery Energy Storage Systems”). Systemy te muszą zapobiec rozprzestrzenianiu się pożaru między regałami.

Znaczenie norm UL 9540A i UL 9540

Norma UL 9540A dostarcza szczegółowych procedur testowych oceniających przydatność systemów tłumienia ognia w systemach ESS, w tym ich wydajność i niezawodność. Z kolei norma UL 9540, akredytowana przez ANSI, obejmuje wymogi dotyczące:

• bezpieczeństwa mechanicznego, elektrycznego i przeciwpożarowego,

• niezawodności i wydajności systemu,

• dokumentacji technicznej.

Zalecenia dotyczące odległości i barier termicznych

Zgodnie z FM DS 5-33, minimalna odległość między sąsiadującymi obudowami ESS powinna wynosić 6 m, aby zapobiec rozprzestrzenianiu się ognia. W przypadku ograniczeń przestrzennych zaleca się zastosowanie barier termicznych o minimalnej odporności ogniowej jednej godziny, takich jak ściany z betonu komórkowego. Skuteczne zarządzanie ryzykiem pożarowym w systemach ESS wymaga kompleksowego podejścia, obejmującego zarówno zaawansowane systemy gaśnicze, jak i ścisłe przestrzeganie norm bezpieczeństwa.

Systemy Gaszenia Pożarów dla Obudów Zewnętrznych ESS

Wybór odpowiedniego systemu gaszenia pożarów w przypadku zewnętrznych obudów systemów magazynowania energii (ESS) jest kluczowy dla zapewnienia bezpieczeństwa instalacji. Omówiono tutaj trzy powszechnie stosowane systemy: automatyczne zraszacze, mgłę wodną oraz systemy gaszenia gazowego, wskazując ich zalety i ograniczenia.

Automatyczne Systemy Zraszające

Automatyczne zraszacze są preferowaną metodą ochrony ESS, dzięki ich zdolności do skutecznego chłodzenia, przystępnym kosztom oraz niewielkiemu wpływowi na środowisko. Pomimo że rama regału może ograniczać bezpośredni kontakt wody z ogniwami, zraszacze efektywnie zapobiegają rozprzestrzenianiu się ognia między regałami. Jednak należy uwzględnić możliwość uszkodzeń spowodowanych wodą po ich aktywacji.

Wymogi projektowe:

• Minimalna gęstość zraszaczy: 12,2 l/min/m² (zgodnie z normą FM Global).

• Minimalny czas rozładowania: 90 minut dla akumulatorów litowo-żelazowo-fosforanowych (LFP) i 45 minut dla akumulatorów litowo-niklowo-manganowo-kobaltowych (NMC) na każdy sąsiadujący regał.

Normy:

• NFPA 855 i FM DS 5-33 określają wymogi odległości między regałami oraz dopuszczalne parametry pracy zraszaczy.

• Testy zgodne z UL 9540A są niezbędne do potwierdzenia skuteczności alternatywnych rozwiązań.

System Mgły Wodnej

System mgły wodnej działa na zasadzie wytwarzania drobnych kropli wody pod wysokim ciśnieniem, które odparowując, chłodzą ogniwa, zmniejszają stężenie tlenu i ograniczają promieniowanie cieplne. Dzięki drobnym kroplom mgła wodna skutecznie tłumi reakcje egzotermiczne, zmniejszając ryzyko rozprzestrzenienia się pożaru.

Klasyfikacja ciśnienia:

1. Niskie ciśnienie: <12,1 bara.

2. Średnie ciśnienie: 12,1–34,5 bara.

3. Wysokie ciśnienie: >34,5 bara.

Wymogi:

• Minimalna gęstość: 1,0–2,0 l/min/m².

• Minimalny czas pracy: 30 minut (zgodnie z normą NFPA 750).

Zalety:

• Mniejsze zużycie wody w porównaniu do systemów zraszaczy.

• Ograniczenie uszkodzeń sprzętu dzięki drobniejszym kroplom wody.

Systemy Gaszenia Gazowego

Systemy gazowe, takie jak te oparte na gazach obojętnych czy FK-5-1-12 (Novec 1230), działają na zasadzie zmniejszania stężenia tlenu lub przerwania reakcji chemicznej ognia. Charakteryzują się minimalnym ryzykiem uszkodzenia sprzętu elektrycznego oraz brakiem pozostałości po ich zastosowaniu.

Zalecenia:

• Obudowy muszą być szczelne, aby zapobiec wyciekom gazu.

• Zbiorniki gazowe powinny być zaprojektowane na co najmniej dwa cykle wyładowań.

Ograniczenia:
FM DS 5-33 nie zaleca stosowania gazowych systemów gaszenia jako jedynego środka ochrony ESS ze względu na brak właściwości chłodzących i ryzyko ponownego zapłonu.

Wybór systemu gaszenia pożarów powinien być dostosowany do specyficznych potrzeb instalacji ESS, uwzględniając dostępne normy i wytyczne (NFPA 855, UL 9540A, FM DS 5-33). Optymalnym rozwiązaniem może być zastosowanie systemu hybrydowego: gazowego systemu gaszenia do początkowej fazy tłumienia ognia i wodnego systemu chłodzenia w przypadku ucieczki termicznej.

Aby zwiększyć bezpieczeństwo, obudowy ESS powinny być wyposażone w otwory wentylacyjne, zgodne z normą NFPA 68, aby zapobiec gromadzeniu się gazów palnych i ograniczyć ryzyko deflagracji.