Zabezpieczenia przeciwpożarowe magazynu przechowywania akumulatorów litowo-jonowych
Rozwój technologii bateryjnych sprawił, że akumulatory litowo-jonowe stały się nie tylko elementem magazynów energii elektrycznej czy pojazdów elektrycznych, ale również przedmiotem masowego obrotu handlowego i logistycznego. Coraz częściej mamy do czynienia z dużymi magazynami, w których przechowuje się setki, a nawet tysiące modułów bateryjnych oczekujących na montaż, sprzedaż lub transport. To właśnie problem przechowywania baterii, a nie eksploatacji pracujących systemów magazynowania energii elektrycznej w budynkach, staje się dziś jednym z kluczowych wyzwań bezpieczeństwa pożarowego. Zapraszamy do lektury materiału, w którym temat ten zgłębia specjalnie dla nas Paweł Gancarczyk - kierownik Jednostki Certyfikującej Usługi Centrum Naukowo-Badawczego Ochrony Przeciwpożarowej CNBOP-PIB.
Warto na wstępie powiedzieć, że akumulator litowo-jonowy również w stanie spoczynku stanowi źródło zagrożenia. Nawet jeśli nie jest podłączony do instalacji i nie pracuje w systemie, w jego wnętrzu zgromadzona jest energia chemiczna, która w sprzyjających warunkach może doprowadzić do gwałtownej reakcji egzotermicznej. Zjawisko termicznej ucieczki (thermal runaway) może zostać zainicjowane przez uszkodzenie mechaniczne, zwarcie wewnętrzne, przeładowanie przed magazynowaniem, wady produkcyjne lub niewłaściwe warunki środowiskowe, takie jak wysoka temperatura. W przeciwieństwie do pracującego systemu magazynu energii ESS (Energy Storage System), w którym funkcjonuje zaawansowany system BMS (Battery Management System) monitorujący parametry ogniw, w przypadku samego składowania modułów bateryjnych często nie istnieje żaden aktywny system nadzoru. To powoduje, że detekcja zagrożenia następuje późno – zwykle dopiero w momencie pojawienia się dymu lub pożaru.
Norma NFPA855 standardem bezpieczeństwa w systemach ESS
W Stanach Zjednoczonych jednym z podstawowych dokumentów regulujących kwestie instalacji i bezpieczeństwa pożarowego stacjonarnych systemów magazynowania energii jest norma NFPA 855 – Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems. Choć dokument ten dotyczy przede wszystkim instalowanych systemów ESS, jego podejście do zagrożeń, separacji, wydzieleń przeciwpożarowych oraz limitów energii ma istotne znaczenie również w kontekście przechowywania baterii. Norma wprowadza bardzo precyzyjne wymagania dotyczące maksymalnych poziomów energii w określonych strefach pożarowych, minimalnych odległości między jednostkami oraz konieczności wykonywania analiz zagrożeń dla większych instalacji. W przypadku przekroczenia określonych progów energii wymagane są dodatkowe badania w skali rzeczywistej (m.in. UL 9540A), które mają potwierdzić brak niekontrolowanej propagacji pożaru między modułami.
Choć NFPA 855 koncentruje się na systemach zainstalowanych i pracujących, jej filozofia bezpieczeństwa jasno pokazuje, że kluczowe jest ograniczenie koncentracji energii w jednej strefie pożarowej oraz zapewnienie odpowiednich odległości separacyjnych. W odniesieniu do dużych systemów przemysłowych norma dopuszcza strefy o energii rzędu setek kilowatogodzin, ale pod warunkiem wydzielenia ich przegrodami o odpowiedniej odporności ogniowej, ograniczenia ilości materiałów palnych w pomieszczeniu oraz zastosowania systemów detekcji i kontroli zagrożeń. W kontekście magazynów logistycznych przechowujących baterie litowo-jonowe oznacza to, że nie można traktować ich jak zwykłego towaru składowanego na regałach wysokiego składowania obok innych materiałów.
Limitowanie energii oraz dzielenie powierzchni magazynu przechowującego baterie
W praktyce projektowej – przy odniesieniu do podejścia prezentowanego w NFPA 855 – oznacza to konieczność bardzo konkretnego limitowania energii zgromadzonej w jednej strefie pożarowej, a nie jedynie geometrycznego sposobu składowania. W amerykańskim modelu regulacyjnym przyjmuje się, że przekroczenie określonych progów energetycznych wymaga dodatkowych zabezpieczeń konstrukcyjnych i analizy zagrożeń. Dla większych instalacji przemysłowych jako istotny próg wskazuje się poziom około 600 kWh energii w jednej strefie pożarowej. Powyżej tej wartości wymagane są wydzielenia o odporności ogniowej rzędu 2 godzin, ograniczenie materiałów palnych w pomieszczeniu oraz podział systemu na mniejsze sekcje. W praktyce oznacza to dzielenie zasobu na moduły o energii rzędu do 50 kWh każda sekcja, separowane przestrzennie oraz oddzielone od przegród budowlanych co najmniej o około 1 metr.
Jeżeli te wartości odniesiemy do magazynu logistycznego przechowującego baterie, oznacza to, że nie powinno się dopuszczać do niekontrolowanego kumulowania kilku megawatogodzin energii w jednej otwartej hali bez wydzieleń przeciwpożarowych. Przykładowo, partia 200 palet zawierających moduły po 10 kWh każda daje już 2000 kWh energii chemicznej – czyli wielokrotność poziomu, przy którym w standardzie amerykańskim wymaga się dodatkowych zabezpieczeń. Dlatego rekomendowane jest dzielenie powierzchni magazynu na strefy o kontrolowanej łącznej energii, np. nieprzekraczającej 500–600 kWh na wydzieloną sekcję, oraz zachowanie przerw separacyjnych między partiami towaru, aby ograniczyć możliwość propagacji zjawiska termicznej ucieczki.
Ograniczanie wysokości składowania również wynika z potrzeby redukcji energii przypadającej na jednostkę powierzchni. Im większa koncentracja kWh na metr kwadratowy, tym większe obciążenie ogniowe i trudniejsze warunki dla ewentualnej akcji ratowniczej. W praktyce projektowej oznacza to kontrolę zarówno liczby pakietów w jednej sekcji, jak i ich łącznej energii – a nie wyłącznie liczby sztuk czy masy towaru. Dodatkowo minimalizuje się obecność innych materiałów palnych w tej samej przestrzeni, tak aby całkowite obciążenie ogniowe strefy nie rosło ponad poziom wynikający z samej energii baterii.
W obiektach o większej koncentracji energii – zbliżonej do progów wymagających w USA analizy zagrożeń – wprowadza się także monitoring termowizyjny, który pozwala identyfikować lokalne wzrosty temperatury jeszcze przed pojawieniem się dymu. W przypadku baterii przechowywanych bez aktywnego systemu BMS taka kontrola środowiskowa może być jedynym narzędziem wczesnego ostrzegania. Detekcja podwyższonej temperatury w pakiecie o energii rzędu 5–15 kWh może zapobiec rozwojowi zjawiska, które w przeciwnym razie mogłoby objąć sekcję o łącznej energii kilkuset kilowatogodzin.
Problem przechowywania baterii litowo-jonowych w magazynach polega na kumulacji energii chemicznej w jednym miejscu oraz możliwości propagacji zjawiska termicznej ucieczki między sąsiadującymi modułami. Jeśli jedno ogniwo ulegnie uszkodzeniu i zapłonowi, może doprowadzić do efektu domina. W wyniku rozkładu termicznego wydzielają się znaczne ilości gazów palnych, w tym wodoru, tlenku węgla oraz węglowodorów. W przestrzeni zamkniętej może powstać atmosfera wybuchowa. Dlatego kluczowe znaczenie ma zapewnienie odpowiedniej wentylacji oraz detekcji gazów. W odróżnieniu od klasycznych pożarów materiałów stałych, tutaj zagrożenie może rozwijać się bezpłomieniowo, a zapłon nastąpi dopiero po osiągnięciu odpowiedniego stężenia mieszaniny palnej.
Amerykańskie podejście regulacyjne, reprezentowane przez NFPA 855, zakłada również ścisłą współpracę z lokalnym organem nadzoru (Authority Having Jurisdiction – AHJ), który ocenia dokumentację projektową, analizę zagrożeń oraz scenariusze awaryjne. W praktyce oznacza to konieczność przeprowadzenia szczegółowej analizy ryzyka także dla obiektów magazynowych przechowujących większe ilości baterii, nawet jeśli nie są one jeszcze zainstalowane w systemie ESS. Podejście to różni się od tradycyjnego traktowania akumulatorów jako zwykłych urządzeń elektrycznych – tutaj analizowana jest całkowita energia zgromadzona w przestrzeni, a nie tylko charakter pojedynczego produktu.
Problem gaszenia pożarów baterii litowo-jonowych
Istotnym wyzwaniem pozostaje kwestia gaszenia pożarów baterii litowo-jonowych. Nie istnieje jednoznacznie rekomendowany środek gaśniczy, który w każdym przypadku skutecznie zatrzyma reakcję wewnątrz ogniwa. Lit może reagować w sposób gwałtowny, a proces spalania nie wymaga dostępu tlenu atmosferycznego w klasycznym rozumieniu. Systemy gazowe mogą ograniczać rozwój pożaru w początkowej fazie, ale wymagają szczelności pomieszczenia i odpowiednich warunków projektowych. Z kolei użycie wody wiąże się z ryzykiem porażenia prądem oraz wtórnych zagrożeń elektrycznych. W przypadku magazynów logistycznych kluczowe staje się więc zapobieganie rozwojowi pożaru poprzez odpowiednie wydzielenia, ograniczenie wysokości składowania, separację partii towaru oraz wczesną detekcję dymu i gazów pożarowych, wybuchowych.
Coraz większe znaczenie zyskują systemy bardzo wczesnej detekcji dymu, systemy zasysające oraz czujniki gazów palnych. W przypadku przechowywania baterii, gdzie brak jest aktywnego systemu BMS nadzorującego parametry ogniw, to właśnie detekcja środowiskowa może być jedynym narzędziem pozwalającym na wykrycie nieprawidłowości przed rozwinięciem się pożaru. W niektórych obiektach rozważa się również zastosowanie monitoringu termowizyjnego, który pozwala identyfikować lokalne wzrosty temperatury w obrębie składowanych palet.
Warto podkreślić, że magazyn przechowujący baterie litowo-jonowe nie jest zwykłym magazynem materiałów elektrycznych. To przestrzeń, w której może znajdować się ogromna ilość skoncentrowanej energii chemicznej zdolnej do gwałtownej reakcji.
Amerykańskie doświadczenia oraz wymagania wynikające z NFPA 855 pokazują kierunek myślenia: ograniczać koncentrację energii w jednej strefie, wydzielać pożarowo przestrzenie, minimalizować obecność innych materiałów palnych i zapewniać możliwie najwcześniejsze wykrycie zagrożenia.
Wraz z rosnącą skalą rynku bateryjnego problem bezpiecznego przechowywania akumulatorów będzie narastał. Niezależnie od tego, czy baterie czekają na montaż w systemie przemysłowym, czy są elementem łańcucha dostaw, powinny być traktowane jako materiał o podwyższonym ryzyku pożarowym i wybuchowym. Doświadczenia amerykańskie stanowią dziś ważny punkt odniesienia także dla polskich projektantów i służb ochrony przeciwpożarowej.
materiał powstał we współpracy z Pawłem Gancarczykiem - kierownik Jednostki Certyfikującej Usługi Centrum Naukowo-Badawczego Ochrony Przeciwpożarowej CNBOP-PIB.
