Bezpieczeństwo baterii litowych zawsze budziło obawy w branży. Ze względu na ich specjalną strukturę materiałową i złożone środowisko pracy, w przypadku pożaru może dojść do uszkodzenia sprzętu, utraty mienia, a nawet ofiar śmiertelnych. Po pożarze baterii litowej jej utylizacja jest trudna, zajmuje dużo czasu i często wiąże się z wytworzeniem dużej ilości toksycznych gazów. Dlatego terminowe ugaszenie pożaru może skutecznie kontrolować rozprzestrzenianie się pożaru, uniknąć rozległych pożarów i zapewnić personelowi więcej czasu na ucieczkę.

Podczas niekontrolowanego procesu termicznego akumulatorów litowo-jonowych często dochodzi do dymu, pożaru, a nawet eksplozji. Dlatego też kontrolowanie problemów związanych z niekontrolowaną utratą ciepła i dyfuzją stało się głównym wyzwaniem, przed jakim stają produkty z bateriami litowymi w procesie użytkowania. Wybór odpowiedniej technologii gaśniczej może zapobiec dalszemu rozprzestrzenianiu się niekontrolowanej temperatury akumulatora, co ma ogromne znaczenie w tłumieniu wystąpienia pożaru.

W artykule zostaną przedstawione główne gaśnice i mechanizmy gaśnicze dostępne obecnie na rynku, a także przeanalizujemy zalety i wady różnych typów gaśnic.

Rodzaje gaśnic

Obecnie gaśnice dostępne na rynku dzielą się głównie na gaśnice gazowe, gaśnice wodne, gaśnice w aerozolu i gaśnice proszkowe. Poniżej znajduje się wprowadzenie do kodów i charakterystyk każdego rodzaju gaśnic.

Perfluoroheksan: Perfluoroheksan został wymieniony w wykazie PFAS OECD i amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska (EPA). Dlatego też użycie perfluoroheksanu jako środka gaśniczego powinno być zgodne z lokalnymi przepisami i regulacjami oraz należy skonsultować się z organami regulacyjnymi ds. ochrony środowiska. Ponieważ produkty rozkładu termicznego perfluoroheksanu są gazami cieplarnianymi, nie nadaje się on do długotrwałego, ciągłego opryskiwania dużymi dawkami. Zaleca się stosowanie go w połączeniu z systemem natrysku wodnego.

Trifluorometan:Środki trifluorometanowe są produkowane tylko przez kilku producentów i nie ma konkretnych norm krajowych regulujących ten rodzaj środka gaśniczego. Koszt utrzymania jest wysoki, dlatego nie zaleca się jego stosowania.

Heksafluoropropan:Ten środek gaśniczy jest podatny na uszkodzenie urządzeń lub sprzętu podczas użytkowania, a jego potencjał tworzenia efektu cieplarnianego (GWP) jest stosunkowo wysoki. Dlatego heksafluoropropan można stosować jedynie jako przejściowy środek gaśniczy.

Heptafluoropropan:Ze względu na efekt cieplarniany jest on stopniowo ograniczany przez różne kraje i czeka go eliminacja. Obecnie zaprzestano stosowania środków heptafluoropropanowych, co będzie prowadzić do problemów z uzupełnianiem istniejących systemów heptafluoropropanowych podczas konserwacji. Dlatego nie zaleca się jego stosowania.

Gaz obojętny:Należą do nich IG 01, IG 100, IG 55, IG 541, wśród których IG 541 jest szerzej stosowany i cieszy się międzynarodowym uznaniem jako ekologiczny i przyjazny dla środowiska środek gaśniczy. Ma jednak wady związane z wysokimi kosztami budowy, dużym zapotrzebowaniem na butle z gazem i zajmowaniem dużej przestrzeni.

Środek na bazie wody:Gaśnice na mgłę wodną są szeroko stosowane i zapewniają najlepszy efekt chłodzenia. Dzieje się tak głównie dlatego, że woda ma duże ciepło właściwe, które może szybko pochłonąć dużą ilość ciepła, schładzając nieprzereagowane substancje aktywne wewnątrz akumulatora i tym samym hamując dalszy wzrost temperatury. Jednakże woda powoduje znaczne uszkodzenia akumulatorów i nie stanowi izolacji, co prowadzi do zwarć akumulatorów.

Aerosol:Ze względu na przyjazność dla środowiska, nietoksyczność, niski koszt i łatwą konserwację, aerozol stał się głównym środkiem gaśniczym. Jednakże wybrany aerozol powinien być zgodny z przepisami ONZ oraz lokalnymi przepisami i regulacjami, a także wymagana jest lokalna, krajowa certyfikacja produktu. Aerozole nie mają jednak właściwości chłodzących, a podczas ich stosowania temperatura akumulatora pozostaje stosunkowo wysoka. Gdy środek gaśniczy przestanie się wydzielać, akumulator jest podatny na ponowny zapłon.

Skuteczność gaśnic

Państwowe Kluczowe Laboratorium Nauk o Ogniu na Uniwersytecie Nauki i Technologii w Chinach przeprowadziło badanie porównujące skuteczność gaśniczą suchego proszku ABC, heptafluoropropanu, wody, perfluoroheksanu i środków gaśniczych CO2 na akumulatorze litowo-jonowym 38A.

Porównanie procesu gaszenia pożaru

Suchy proszek ABC, heptafluoropropan, woda i perfluoroheksan mogą szybko ugasić pożar akumulatora bez ponownego zapłonu. Jednakże gaśnice CO2 nie są w stanie skutecznie ugasić pożarów akumulatorów i mogą spowodować ponowny zapłon.

Porównanie wyników tłumienia pożaru

Po ucieczce termicznej zachowanie baterii litowych pod działaniem środków gaśniczych można z grubsza podzielić na trzy etapy: etap chłodzenia, etap szybkiego wzrostu temperatury i etap powolnego spadku temperatury.

Pierwszy etapto etap schładzania, podczas którego po uwolnieniu środka gaśniczego temperatura powierzchni akumulatora spada. Dzieje się tak głównie z dwóch powodów:

• Odpowietrzanie akumulatora: Przed ucieczką termiczną akumulatorów litowo-jonowych wewnątrz akumulatora gromadzi się duża ilość alkanów i CO2. Gdy akumulator osiągnie granicę ciśnienia, zawór bezpieczeństwa otwiera się, uwalniając gaz pod wysokim ciśnieniem. Gaz ten przenosi substancje czynne z wnętrza akumulatora, jednocześnie zapewniając akumulatorowi efekt chłodzenia.
• Działanie środka gaśniczego: Efekt chłodzący środka gaśniczego składa się głównie z dwóch elementów: absorpcji ciepła podczas zmiany fazowej i efektu izolacji chemicznej. Absorpcja ciepła ze zmianą fazy bezpośrednio usuwa ciepło wytwarzane przez akumulator, podczas gdy efekt izolacji chemicznej pośrednio zmniejsza wytwarzanie ciepła poprzez przerywanie reakcji chemicznych. Woda ma najbardziej znaczący efekt chłodzący ze względu na jej wysoką pojemność cieplną właściwą, umożliwiającą szybkie pochłonięcie dużej ilości ciepła. Następuje perfluoroheksan, natomiast suchy proszek HFC-227ea, CO2 i ABC nie wykazują znaczącego działania chłodzącego, co jest związane z naturą i mechanizmem działania środków gaśniczych.

Drugi etap to etap szybkiego wzrostu temperatury, podczas którego temperatura akumulatora gwałtownie wzrasta od wartości minimalnej do wartości maksymalnej. Ponieważ środki gaśnicze nie są w stanie całkowicie zatrzymać reakcji rozkładu wewnątrz akumulatora, a większość środków gaśniczych ma słabe działanie chłodzące, temperatura akumulatora wykazuje niemal pionowy trend wzrostowy w przypadku różnych środków gaśniczych. W krótkim czasie temperatura akumulatora wzrasta do wartości maksymalnej.

Na tym etapie występuje znacząca różnica w skuteczności różnych środków gaśniczych w hamowaniu wzrostu temperatury akumulatora. Skuteczność w kolejności malejącej to woda > perfluoroheksan > HFC-227ea > suchy proszek ABC > CO2. Gdy temperatura akumulatora rośnie powoli, zapewnia to dłuższy czas reakcji na ostrzeżenie o pożarze akumulatora i dłuższy czas reakcji operatora.

Wniosek

1. CO2: Środki gaśnicze, takie jak CO2, które działają głównie poprzez uduszenie i izolację, mają słabe działanie hamujące pożary akumulatorów. W tym badaniu wystąpiło poważne zjawisko ponownego zapłonu w przypadku CO2, co czyni go nieodpowiednim do pożarów baterii litowych.
2. Suchy proszek ABC / HFC-227ea: Suchy proszek ABC i środki gaśnicze HFC-227ea, które działają głównie poprzez izolację i tłumienie substancji chemicznych, mogą w pewnym stopniu częściowo hamować reakcje łańcuchowe wewnątrz akumulatora. Mają nieco lepsze działanie niż CO2, ale ponieważ nie mają efektu chłodzenia i nie mogą całkowicie zablokować reakcji wewnętrznych w akumulatorze, temperatura akumulatora nadal szybko rośnie po uwolnieniu środka gaśniczego.
3. Perfluoroheksan: Perfluoroheksan nie tylko blokuje reakcje wewnętrzne baterii, ale także pochłania ciepło poprzez parowanie. Dlatego jego działanie hamujące pożary akumulatorów jest znacznie lepsze niż w przypadku innych środków gaśniczych.
4. Woda: Spośród wszystkich środków gaśniczych woda ma najbardziej oczywiste działanie gaśnicze. Dzieje się tak głównie dlatego, że woda ma duże ciepło właściwe, dzięki czemu może szybko pochłonąć dużą ilość ciepła. Powoduje to ochłodzenie nieprzereagowanych substancji aktywnych znajdujących się wewnątrz akumulatora, co zapobiega dalszemu wzrostowi temperatury. Woda powoduje jednak znaczne uszkodzenia akumulatorów i nie ma działania izolującego, dlatego przy jej stosowaniu należy zachować szczególną ostrożność.

Co powinniśmy wybrać?

Dokonaliśmy przeglądu systemów przeciwpożarowych stosowanych przez kilku producentów systemów magazynowania energii dostępnych obecnie na rynku, wykorzystujących przede wszystkim następujące rozwiązania gaśnicze:

• Perfluoroheksan + woda
• Aerozol + woda

To widaćsynergiczne środki gaśnicze to główny trend wśród producentów baterii litowych. Biorąc za przykład Perfluoroheksan + Woda, Perfluoroheksan może szybko ugasić otwarty ogień, ułatwiając kontakt drobnej mgły wodnej z akumulatorem, natomiast drobna mgiełka wodna może skutecznie ją schłodzić. Wspólne działanie zapewnia lepsze efekty gaśnicze i chłodzące w porównaniu do stosowania pojedynczego środka gaśniczego. Obecnie unijne rozporządzenie w sprawie nowych akumulatorów wymaga, aby przyszłe etykiety akumulatorów zawierały informacje o dostępnych środkach gaśniczych. Producenci muszą także wybrać odpowiedni środek gaśniczy w oparciu o swoje produkty, lokalne przepisy i skuteczność.