Li-ion akkumulátor rendszerek tűzvédelme Seres Zoltán. Restricted Siemens 2022 Seres Z. Siemens SI BT Tervezoi Konferencia_Visegrad_

Átírás

1 Li-ion akkumulátor rendszerek tűzvédelme Seres Zoltán

2 Az energiatermelés változásának következményei Klíma változás Megújuló források Ingadozó termelés Energia tárolás Megújuló energia Hálózat stabilizáslása Csúcsterhelések kezelése Töltő infrastruktúra Tartalék energia ellátás Page 2

3 Jelenleg a legjobb energiatároló a lítium-ion akkumulátor... ezért a telepítések száma exponenciálisan nő!

4 Tűz egy valós veszély

5 Li-ion akkumulátoros energiatároló rendszerek A hálózat és a közüzemi megbízhatóság fontos eleme A tűz sokféle következménnyel jár, többek között Üzleti és működési zavarok Gazdasági veszteségek Hírnév sérülése Üzleti fennakadások Leállás Gazdasági veszteségek Page 5

6 A Li-ion akkumulátoros energiatároló rendszereknek aktív tűzvédelmi rendszerre van szükségük Hogyan tervezzünk tűzvédelmi megoldást energiatároló rendszerekre? Mik a tűzveszélyek? Mennyi az előfordulási valószínűsége? Mi a várható hatás? Milyen védelmi szint mérsékli az adott kockázatot? Hogyan érhetők el a védelmi célok? Page 6

7 Tűzveszély a Li-ion akkumulátoros energiatároló rendszerekben Lehetséges gyújtóforrások Elektromos kockázat Állandó gyújtóforrás (áram) és éghető anyagok, például műanyagok a nyomtatott áramköri lapokban Túlterhelés A nagy teljesítményű terhelés és/vagy a hibás berendezés rövidzárlathoz vagy túlmelegedéshez vezethet Nagy légsebesség A léghűtés magas légcserét eredményez, növeli a tűz tovább terjedésének kockázatát Li-ion akkumulátor cella Magas kémiai energia gyúlékony elektrolitokkal kombinálva A szeparátor elöregedése vagy sérülése belső rövidzárlathoz és hőfelfutáshoz vezet Az eredmény elektrolitikus gáz- és gőzrobbanás, valamint tűz Page 7

8 Tűzveszély a Li-ion akkumulátoros energiatároló rendszerekben Az elektromos tüzek kezelhető kockázatot jelentenek! Az ipari vállalatok tüzeinek fő oka az elektromos berendezések. Ezek a tüzek azonban korán észlelhetők és biztonságosan elolthatók, ha automata gázzaloltó rendszereket telepítenek. Page 8

9 Li-ion akkumulátor felépítése Az akkumulátor szíve az elektrokémiai akkumulátorcellák Li-ion Li-anion Li-kation Elektrolit Anód Katód Kollektor: alumínium és réz Szeparátor biztosítja az elektródák elválasztását Belső rövidzárlat túlmelegedéshez vezet egy exoterm kémiai reakcióban, ami hőfejlődéshez vezet Tűz esetén mérgező gázok szabadulnak fel Elektrolit: tűzveszélyes és/vagy maró hatású Kollektor Szeparátor Kollektor

10 Tűzveszély Li-ion akkumulátor menedzsment rendszer Hőmérséklet Feszültség Áram Hőmérséklet felügyelet Az akkumulátor működésének kezelése Működési állapot figyelés Töltési állapot figyelés Akkumulátor cellák felügyelete Page 10

11 Tűzveszély Li-ion akkumulátor hőfelfutása A szeparátor életkorából eredendő belső rövidzárlat Elektrolit melegedése és párolgása Robbanásveszélyes levegő-gáz keverék veszélye Hőfelfutás terjedése Ha a melegedés nem áll le, akkor hőfelfutás következik be. Page 11

12 Tűzvédelemi megoldás a Li-ion akkumulátoros energiatároló rendszerekhez

13 Siemens akkumulátor teszt A Siemens svájci li-ion akkumulátorok tesztelésével foglalkozó kompetencia központjában... 6 nagy gyártó akkumulátorait tesztelték 2018 óta az oltási koncepció optimalizálásának érdekében. A teszthez használt tüskét egy hidraulikus szerkezet segítségével az akkumulátorba szúrják. Ez olyan típusú rövidzárlatot hoz létre, amely általában meghibásodásra jellemző. Ezek a tesztek lehetővé tették a Siemens számára, hogy finomítsa lítium-ion akkumulátorok oltási megoldásait. Page 13

14 Mi történt? Hőmérséklet emelkedés Hőfelfutás tűz, robbanás Rövidzárlat az akkumulátor belsejében Elektrolit gázok szabadulnak fel Szeparátor meghibásodás A hőmérséklet ellenőrizhetetlenül növekszik Page 14

15 Tűz érzékelése és oltása Siemens teszt Hőfelfutás érzékelése Terjedés megállítása Page 15

16 Terjedési teszt rendszerfelépítés szűrő Mintavevő pont Teszt felépítése Fűtőelem a teszt kamrában Akkumulátor közvetlenül a fűtőelem mellett ASD cső és mintavevő pont a teszt kamrában ASD berendezés cső és szűrő ASD berendezés (FDA241) ASD cső fűtőelem Teszt folyamata Az akkumulátorok egyenletes melegítése: a környezeti hőmérséklettől a szeparátor meghibásodásáig Állandó levegő-mintavétel és jelfigyelés ASD FDA 241 Page 16

17 Érzékelési teszt Lítium-nikkel-magnézium-kobalt-oxid cella Hőfelfutás Gázkiáramlás Hőfelfutás elérése melegítéssel Gázkibocsátás érzékelése Az FDA 241 valós időben érzékeli az elektrolitgáz felszabadulását Riasztás: kritikus akkumulátor állapot Tűzriasztás közvetlenül a gázkibocsátás után és 6 perccel a hőfelfutás előtt Heating curve cell Page 17

18 Érzékelési teszt Prizmás lítium-nikkel-mangán-oxid cella Hőfelfutás Füst Gázkiáramlás Hőfelfutás elérése melegítéssel Füstérzékelés Az FDA 241 érzékeli a T=145 C 28 perccel a gázkibocsátás és 32 perccel a hőfelfutás előtt Riasztás: kritikus akkumulátor állapot Korai érzékelés miatt tűzriasztás. Ez ideális előfeltétele az e-stop kioldásának, a robbanásmegelőzésnek és az oltásnak Page 18

19 Korai tűzérzékelés Megbízható érzékelése a hőfelfutásnak A hőfelfutás lehető legorábbi érzékelése: Elektrolit gázrészecskék érzékelése Parázsló tűz érzékelése Az akkumulátor típusától függően az FDA241 több mint 5-ször gyorsabban érzékeli a hőfelfutást, mint a speciális elektrolitgázérzékelők. Page 19

20 Cell 2 Cella 1 Cell a2 Cella 3 Terjedési teszt rendszer felépítés Érzékelő C2-C3 Érzékelő C1-C2 Teszt felépítése 3 akkumulátorcella elhelyezése egy eredeti akkumulátormodul szegmensben, közvetlenül egy pneumatikus mechanizmus mellett, amely pneumatikus hengerből és egy tüskéből áll 2 hőmérséklet érzékelő elhelyezése az 1. és 2., valamint a 2. és 3. cellák közötti térben Cella 3 Cella 2 Cella 1 Teszt folyamata Hőfelfutás stimulálása az 1. cellába való behatolással fémtüskével (cella belső rövidzárlat létrehozása) 20,9%-os oxigénkoncentrációnál és 11,3%-os oxigénkoncentrációnál Az akkumulátorcellák közötti hőmérséklet alakulásának folyamatos mérése és rögzítése Page 20

21 Temperature [ C] Temperature [ C] Terjedési teszt teszt eredmény 20.9% oxigén 11.3% oxigén Time [s] Time [s] Page 21

22 Megelőző oltás Megbízható érzékelése a közelgő hőfelfutásnak A kialakuló hőfelfutás lehető legkorábbi észlelése Elektrolit gázrészecskék érzékelése Parázsló tűz érzékelése És az oltóanyag elárasztása a kezdeti hőfelfutás előtt Mind a robbanásveszélyes tüzek, mind a hőfelfutás megelőzésére A korai oltás a Li-ion akkumulátorban keletkező tüzet egy kezelhető kockázattá teszi Page 22

23 Védelem célja és megoldása

24 Tűzvédelem célja Aktív tűzvédelem az ESS Li-ion akkumulátorhoz Az akkumulátorrendszereket, modulokat és cellákat védeni kell a külső (elektromos) tűz ellen Az akkumulátor konfigurációjától függően a cellatüzeket az egyes cellákra vagy az érintett modulokra kell korlátozni. Meg kell akadályozni, hogy az érintett modulon túl a hőfelfutás továbbterjedjen Másodlagos tüzek megelőzése! Page 24

25 A lehető legkorábbi érzékelés A Siemens aspirációs füstérzékelővel (ASD). A levegőmintákat a védelemre szoruló területekről mintavevő furatokkal ellátott csövön keresztül veszik A levegőmintákat füst és elektrolitgáz jelenlétére értékeli az érzékelőkamrában A Siemens szabadalmaztatott optikai kettős hullámhosszú érzékelő technológiája nagyon korai és rendkívül megbízható tűzérzékelést tesz lehetővé Teljes integráció és az egyszerű kezelés Ideális olyan területeken, ahol elengedhetetlen a nagy érzékenységű érzékelés Page 25

26 Védelmi koncepció Korai érzékelés A korai fázisban kialakuló hőfelfutás kimutatása elektrolitgáz-részecskék detektálásával Vészeseti leállítás Lehetővé teszi a vészhelyzeti vezérlést és a vészleállítást a tűzjelző központ az akkumulátorkezelő rendszernek küldött riasztás útján Tűzoltó rendszer A robbanásveszélyes elektrolit gáz-levegő keverék csökkentése A hőfelfutás lassítása és terjedésének megakadályozása Másodlagos tüzek megelőzése inert gázzal oltó rendszerrel Page 26

27 Sinorix N 2 Biztonságos és fenntartható oltási megoldás Elektromos tüzek oltása, a hőfelfutás terjedésének leállítása és a másodlagos tüzek megakadályozása Teljes elárasztás N2 tervezési koncentrációja 45,2% Oltás utáni oxigénkoncentráció 11,3 % alatt Több mint 30 perc tartási idő Page 27

28 Detector Kockázat kelezlése Sinorix oltórendszerrel N2 Rövidzárlat az akkumulátor belsejében Page 28 Elektrolit gázok szabadulnak fel amelyek azonnal észlelhetők Az oxigén kiszorítására nitrogén oltógázzal. A tűz meggyulladása lehetetlen Helyzet stabilizálása a hiba elhárításának megjezdéséig

29 Temperature [ C] Temperature [ C] A megfelelő védelem Védelem nélkül FDA241 és Sinorix N2 védelemmel Terjedés megbízhatóan megakadályozva Time [s] Time [s] Page 29

30 Li-ion akkumulátorok felhasználása Page 30

31 Az Orange County Choppers tervezte a Siemens számára 2009-ben Váz újrahasznosított acélból készült 535 kg önsúllyal LED lámpák 2db 3,2V-os Li-ion akkumulátor csomag 300mm széles hátsó kerekék >100 km/h sebesség ~ 60km-es hatótáv Page 31

32 Tűzveszély - elektromos járművek Page 32

33 Érzékelés elektromos járművek / töltők Videós érzékelés Hagyományos érzékelés Videós tűz- és füstérzékelés Page 33

34 Li-ion akkumulátorok tűzvédelme - KÉRDÉSEK Köszönöm a figyelmet! Page 35

35 Kvíz Page 36