Pożary akumulatorów litowo-jonowych: zagrożenia i metody zwalczania

Baterie litowo-jonowe (Li-Ion) oraz litowo-polimerowe (Li-Po) to obecnie jedne z najpowszechniej stosowanych źródeł energii, zasilające szeroką gamę urządzeń - od telefonów komórkowych, laptopów i hulajnóg elektrycznych, po pojazdy elektryczne i zaawansowane systemy magazynowania energii. Ich popularność wynika z wysokiej wydajności, dużej gęstości mocy oraz zdolności do magazynowania energii przy niskim poziomie samorozładowania, a także z faktu, że nie generują śladu węglowego i innych niepożądanych substancji do środowiska.

Akumulatory litowe znajdują zastosowanie w wielu sektorach, w tym w przemyśle morskim, lotniczym, transportowym oraz informatycznym.

Rodzaje akumulatorów litowych

Wśród akumulatorów litowych wyróżnia się głównie dwa typy, często potocznie nazywane "litowo-jonowymi":

• Akumulatory litowo-jonowe (Li-Ion): Są to ogniwa litowo-kobaltowo-tlenkowe o nominalnym napięciu pojedynczego ogniwa wynoszącym 3,60 V. Elektroda w nich jest wykonana z porowatego węgla, a druga z tlenków metali, natomiast rolę elektrolitu stanowi ciecz zawierająca sole litowe rozpuszczone w mieszaninie organicznych rozpuszczalników lub ciało stałe. Akumulatory Li-Ion mogą skumulować dwukrotnie więcej energii niż akumulatory NiMH o porównywalnych masach i rozmiarach, są jednymi z najlżejszych rozwiązań na rynku i nie wykazują "efektu pamięci". Ich główną wadą jest konieczność stosowania obwodów ochronnych, aby zapobiec samozapłonowi lub wybuchowi podczas ładowania. Charakteryzują się stałymi, twardymi obudowami.
• Akumulatory litowo-polimerowe (Li-Po lub Li-Poly): Prawidłowo powinny być nazywane polimerami litowo-jonowymi lub litowymi. Cechują się miękkimi obudowami, przypominającymi foliowe woreczki strunowe. Do ich budowy wykorzystuje się stopy metalicznego litu oraz polimery przewodzące. Mogą być konstruowane w konfiguracjach Li-kobalt, NMC, Li-fosforan oraz Li-mangan, choć większość bazuje na układach litowo-kobaltowych. Wykorzystanie polimerów umożliwia tworzenie giętkich, bardzo cienkich i elastycznych ogniw o grubości nawet kilku milimetrów. Ich wadą jest niska odporność na przeładowanie i łatwość uszkodzenia, co wymaga elektronicznych układów kontrolujących proces ładowania. Ponadto polimer w temperaturze pokojowej ma słabą przewodność, dlatego do ładowania akumulator wymaga podgrzania do 50-60°C.

Przyczyny i charakterystyka pożarów akumulatorów litowych

Zjawisko ucieczki termicznej

Gdy moduł akumulatorowy, zawierający ogniwa litowo-jonowe, ulegnie uszkodzeniu, ogniwa mogą doświadczyć niekontrolowanego wzrostu temperatury, znanego jako ucieczka termiczna (ang. thermal runaway). Wbudowane mechanizmy bezpieczeństwa często nie są w stanie temu zapobiec. Zjawisko to jest samonapędzającą się reakcją, w której temperatura wewnętrzna baterii wykracza poza zakres roboczy, powodując niestabilność elementów wewnętrznych i generowanie dodatkowego ciepła. Jeśli to ciepło nie zostanie rozproszone, temperatura będzie nadal rosła, przyspieszając proces wydzielania ciepła, co w skrajnych przypadkach może prowadzić do zapłonu, a nawet wybuchu.

Główne przyczyny pożarów

Pożary baterii litowo-jonowych mogą być spowodowane przez:

• Uszkodzenia mechaniczne: Nawet drobne pęknięcia mogą prowadzić do awarii.
• Przegrzanie urządzenia: Przekroczenie bezpiecznej temperatury pracy (większość akumulatorów nie jest przystosowana do temperatur powyżej 60°C).
• Niewłaściwe ładowanie: Nieprawidłowe ładowanie, w tym przeładowanie, jest jedną z najczęstszych przyczyn zapłonu.
• Wady produkcyjne: Wady fabryczne mogą obniżać bezpieczeństwo ogniw.
• Nieprawidłowe obchodzenie się: Niewłaściwe użytkowanie, transport lub przechowywanie.
• Zwarcie akumulatora: Może doprowadzić do zapłonu lub eksplozji.

Przebieg pożaru

Pożar baterii litowej może trwać przez wiele godzin i charakteryzuje się kilkoma kluczowymi cechami:

• Ekstremalnie wysoka temperatura: Ciepło wydzielane podczas pożaru może osiągać nawet tysiąc stopni Celsjusza.
• Reaktywność litu: Sam lit w formie metalicznej jest pierwiastkiem wysoce reaktywnym, pożarowo i wybuchowo niebezpiecznym. W przypadku pożaru sprawia, że bateria nieustannie dostarcza tlenu do procesu spalania, co prowadzi do ponownego zapłonu i długotrwałej awarii.
• Kaskadowy wzrost zagrożenia: Jedna usterka w danym ogniwie może doprowadzić do kaskadowego rozprzestrzeniania się zagrożenia na cały system akumulatorów.
• Wydzielanie toksycznych gazów: Podczas pożaru wydzielane są duże ilości ciepła oraz toksyczne, rakotwórcze lub łatwopalne gazy (np. C2H4, C2H6), które są szkodliwe dla człowieka.
• Ryzyko wybuchu: Wawaryjnych stanach pracy może dojść do wydzielania palnych gazów i pożaru. Ponadto, atmosfera wybuchowa oraz efektywne źródło zapłonu mogą powstać wielokrotnie podczas pożaru baterii litowo-jonowej.
• Zagrożenie porażeniem prądem: Napięcie w ogniwach stanowi zagrożenie porażeniem prądem podczas akcji gaśniczych.
• Ryzyko ponownego zapłonu: Po zgaszeniu istnieje wysokie ryzyko ponownego zapalenia się baterii.

Gaszenie pożarów akumulatorów litowych

Wyzwania w gaszeniu

Gaszenie baterii litowo-jonowych jest skomplikowanym procesem i wymaga specjalistycznego podejścia. Standardowe gaśnice często zawodzą; na przykład gaśnice proszkowe ABC hamują dostęp tlenu, ale nie chłodzą baterii, co jest kluczowe w przypadku ucieczki termicznej. Nie ma też czegoś takiego jak "typowy" pożar baterii litowej, ponieważ ich konstrukcja i chemia różnią się w zależności od zastosowania.

Skuteczne metody gaszenia

Podstawowym problemem przy pożarach akumulatorów litowych jest to, że nie potrzebują one tlenu do palenia, a ich ugaszenie wymaga przede wszystkim intensywnego chłodzenia ogniw. Cel ataku zawsze powinien skupiać się na schłodzeniu modułów bateryjnych, zapewniając spadek temperatury i jej stabilne utrzymanie na niskim poziomie. Dopiero po osiągnięciu stabilnej temperatury można uznać rozprzestrzenianie się problemu za zatrzymane, a akcję gaśniczą za zakończoną.

Do najskuteczniejszych metod i środków gaśniczych należą:

• Chłodzenie wewnętrzne (np. system Cobra): Najskuteczniejszym sposobem zatrzymania procesu ucieczki termicznej jest chłodzenie wewnętrzne, osiągane poprzez ustanowienie wewnętrznego przepływu wody. System Cobra umożliwia szybki i łatwy dostęp do wnętrza modułów bateryjnych, zużywając przy tym tylko około 60 litrów wody na minutę. W trakcie operacji postęp jest monitorowany za pomocą kamery termowizyjnej (TIC), co pozwala znaleźć odpowiedni punkt ataku i potwierdzić efektywność chłodzenia. Sprzęt jest lekki i łatwy w obsłudze, co umożliwia szybkie rozmieszczenie i łatwe przemieszczanie lancy. Kluczowa jest dobra komunikacja między załogą, operatorem Cobry i dowódcą akcji.
• Wodna dyspersja wermikulitu (AVD): Dla pożarów akumulatorów litowo-jonowych najskuteczniejsze gaśnice zawierają roztwór AVD (Aqueous Vermiculite Dispersion). Wermikulit to naturalny minerał, który w formie wodnej dyspersji tworzy barierę odcinającą tlen i intensywnie chłodzi baterię. Środek AVD jest rewolucyjną technologią w dziedzinie gaszenia pożarów, szczególnie efektywną w przypadku baterii litowo-jonowych.
• Sorbenty mineralne (np. Lithfor): Uniwersalne sorbenty mineralne, takie jak Lithfor, łączą funkcję absorpcji substancji niebezpiecznych z możliwością gaszenia pożarów baterii litowych. Należy obsypać palącą się baterię grubą warstwą sorbentu i odczekać minimum 30 minut po ugaszeniu, aby upewnić się, że nie dojdzie do ponownego zapłonu. W razie potrzeby należy dosypywać sorbent aż do całkowitego ugaszenia.
• Zatopienie w wodzie: Na ten moment jedynym w pełni skutecznym działaniem na opanowanie zagrożenia, szczególnie dla pojedynczych akumulatorów, jest maksymalne chłodzenie palącego się akumulatora, najlepiej poprzez zatopienie go w zbiorniku z wodą. Metoda ta zabezpiecza również otaczające mienie, choć z oczywistych względów nie wszędzie można ją zastosować.

Użycie tradycyjnych metod gaszenia pożarów, wymagających znacznej ilości wody (450 litrów na minutę lub więcej), może prowadzić do znaczących szkód wodnych w otoczeniu.

Zapobieganie pożarom i bezpieczne przechowywanie

Zasady bezpieczeństwa

Technologia akumulatorów litowych dynamicznie się rozwija, ale ich największym wrogiem pozostaje wysoka temperatura oraz uszkodzenia mechaniczne. Akumulatory litowo-jonowe są powszechnie stosowane i w normalnych warunkach są bezpieczne, jednak w wyniku obciążeń termicznych może dojść do uwolnienia toksycznych, rakotwórczych lub łatwopalnych substancji. Należy zawsze dążyć do jak najszybszego ugaszenia zapalonej baterii litowo-jonowej, aby zminimalizować szkody dla sprzętu i ryzyko dla zdrowia ludzkiego.

Ładowanie akumulatorów litowych

Proces ładowania akumulatorów jest z natury niebezpieczny, ponieważ ogniwa rozgrzewają się, co może doprowadzić do pożaru lub wybuchu. Akumulatory litowe nie tolerują przeładowania. Wszystko to narzuca ładowarkom surowe reżimy pracy.

• Parametry ładowania: W zależności od materiału katody, istnieją różne parametry ładowania (np. do 4,20 V/ogniwo dla kobaltu, niklu, manganu i glinu, z wąską tolerancją ±50 mV/ogniwo).
• Dwustopniowe ładowanie: Standardowo ładowanie jest dwustopniowe: początkowo większym prądem, a następnie mniejszym (około 10-15% pierwotnego), aby nie przekroczyć maksymalnego napięcia i nie przegrzać ogniwa.
• Chłodzenie podczas ładowania: Przeważnie podczas całego procesu ładowania akumulatory są dodatkowo chłodzone.
• Miejsce ładowania: Akumulatory litowo-jonowe nigdy nie powinny być ładowane w pobliżu materiałów łatwopalnych. Zaleca się, aby obszary ładowania były wydzielone pożarowo (minimum REI120). W przypadku mniejszych akumulatorów można rozważyć stałą obecność zbiorników do zatopienia baterii, a dla większych jednostek - możliwość ewakuacji na zewnątrz obiektu.

Przechowywanie i transport

Zagrożenia związane z przechowywaniem są wielowymiarowe i zależą od wielkości oraz ilości akumulatorów. Stale należy prowadzić monitoring temperatury, ponieważ przy zbyt wysokiej temperaturze akumulatory mogą się zapalić i wybuchnąć. W kwestiach transportowych należy pamiętać, że akumulatory litowe podlegają przepisom ADR.

• Dedykowane rozwiązania: Konwencjonalne szafy magazynowe nie zapewniają skutecznej ochrony przed wpływami termicznymi. Na rynku dostępne są dedykowane szafy i kontenery, które gwarantują odporność ogniową i spełniają rygorystyczne normy (np. DIN EN 14470-1, DIN EN 1363-1). Szafy te są projektowane do bezpiecznego przechowywania i ładowania, posiadają automatyczne mechanizmy zamykania drzwi w przypadku pożaru zewnętrznego oraz systemy blokowania drzwi przy pożarze wewnętrznym, minimalizując ryzyko rozprzestrzeniania się ognia i zabezpieczając przed cofnięciem się prądu.
• Monitoring: Systemy monitorujące temperaturę, takie jak DÜPERTHAL connect, umożliwiają wczesne wykrywanie potencjalnych zagrożeń.
• Wydzielenia pożarowe: Celem rekomendacji jest ograniczenie ewentualnego pożaru do obszaru magazynu, a nie jego rozprzestrzeniania się na pozostałe części zakładu. Rekomenduje się standard REI 120 ze względu na bardzo intensywny przebieg procesu spalania tych akumulatorów.

Wytyczne VdS 3856en dla ochrony tryskaczowej

Dla magazynów akumulatorów litowych zaleca się stosowanie wytycznych VdS 3856en dotyczących ochrony tryskaczowej, które uwzględniają specyfikę urządzeń z wbudowanymi bateriami oraz skoncentrowanego przechowywania baterii.

Urządzenia z bateriami litowymi (np. elektronarzędzia)

• Wszystkie urządzenia w wodoodpornych opakowaniach.
• Niedozwolone akumulatory napędowe do samochodów.
• Zmagazynowana energia na jednostkę magazynowania (np. paletę) nie może przekraczać 50 kWh (maks. HL II wg Tabeli 1).
• Składowanie w regałach: projekt wg VdS CEA 4001, K.7.1 (Tabela K.7-1, kategoria IV) - zabezpieczenie tryskaczowe na każdym poziomie regału.
• Składowanie blokowe: projekt wg VdS CEA 4001, HHS4 + K.7.

Skoncentrowane przechowywanie baterii

• Wszystkie akumulatory w opakowaniach odpornych na zalanie.
• Akumulatory napędowe do samochodów są niedozwolone.
• Zmagazynowana energia na jednostkę magazynowania (np. paletę) nie może przekraczać 50 kWh (maks. HL II wg Tabeli 1).
• Wymagania te są niezależne od stanu naładowania (SOC).
• Przechowywanie w regałach:
  • Wykonanie wg VdS CEA 4001, 11,5 + K.7 (kat. IV).
  • Zabezpieczenie tryskaczowe na każdym poziomie półki.
  • Poziome przegrody blaszane nad każdym poziomem tryskaczy zgodnie z VdS CEA 4001, 11.6.2.5.2.
  • Tryskacze czołowe należy zainstalować w każdym poprzecznym kanale spalinowym oprócz tryskaczy w centralnym kanale spalinowym.
• Składowanie blokowe:
  • Maksymalnie 20 m² bloki.
  • 2,4 m odstępu pomiędzy blokami.
  • Maks. wysokość składowania 1,5 m.
  • Projektowana intensywność zraszania 17,5 mm/min.
  • Zraszacz szybkiego reagowania K160.
  • Maksymalna wysokość stropu: 12 m.

Istotne standardy i źródła informacji

W celu oceny zagrożenia wybuchem baterii litowych oraz planowania bezpieczeństwa, pomocne są następujące standardy:

• NFPA 485 - Standard for the Storage, Handling, Processing, and Use of Lithium Metal
• NFPA 484 - Standard for Combustible Metals
• NFPA 853 - Standard for the Installation of Stationary Fuel Cell Power Systems
• NFPA 855 - Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems
• UL Standard for Safety of Lithium Batteries
• Lithium Ion Batteries Hazard and Use Assessment - Phase III FINAL REPORT BY: R.

Przykład pożaru kontenera magazynowego w Trzebini

Dnia 23 kwietnia ok. godz. 11:25 na terenie firmy w Trzebini doszło do pożaru kontenera magazynowego, adaptowanego na magazyn energii. Pożar był spowodowany wybuchem znajdujących się wewnątrz kontenera baterii litowo-jonowych, w wyniku czego jedna osoba została poszkodowana i odwieziona do szpitala.

W tym dniu oraz w nocy z 23/24 kwietnia działania ratowniczo-gaśnicze prowadziły zastępy straży pożarnej z Chrzanowa oraz Jednostka Ratowniczo-Gaśnicza JRG 6 z Krakowa. Do środka kontenera podawano duże ilości wody, a wykorzystując teren utwardzony w obrębie zakładu oraz podziemny szczelny zbiornik na wody opadowej, udało się zastosować obieg zamknięty wody gaśniczej. Akcja gaśnicza została zakończona w godzinach porannych 24 kwietnia, a dalsze działania przejęła policja. Inspektorzy WIOŚ w Krakowie kontynuowali rozpoznanie możliwości skażenia środowiska.

tags: #pozar #akumulatorow #litowo