Автор: Олег КРИКУНОВ, эксперт по системам безопасности STEP LOGIC, Дмитрий БЕЛОВ, руководитель группы проектирования систем безопасности STEP LOGIC
Как снизить пожароопасность систем с литий-ионными батареями
В последние годы для больших систем накопления энергии взамен свинцово-кислотных аккумуляторов все чаще используют литий-ионные. Однако вопрос пожароопасности и тушения таких батарей до сих пор не решен. Почему переходят на литий-ионные батареи Современные системы накопления энергии требуют надежных, экономичных и долговечных источников питания. При проектировании больших дата-центров все чаще рассматривается вопрос замены свинцово-кислотных АКБ на литий-ионные, ведь они обладают рядом серьезных преимуществ. Во-первых, время зарядки таких батарей гораздо меньше, что позволяет системе накопления энергии быстрее восстановить запас. Во-вторых, при правильной эксплуатации у них более продолжительный жизненный цикл. В-третьих, они имеют большее число циклов заряда и разряда. В-четвертых, обладают большей энергетической плотностью, Вт/Кг и, соответственно, меньшим весом. Однако проектировщики систем накопления, как правило, не задумываются о пожарной нагрузке литий-ионных АКБ. Высокая пожароопасность Применение литий-ионных аккумуляторов создало совершенно новую проблему, поскольку в условиях пожара они ведут себя принципиально иначе, чем обычные аккумуляторы. Неправильная эксплуатация, внутренние механические дефекты, ошибка системы мониторинга (BMS), некачественная сборка или перегрев электролита в литий-ионной батарее могут привести к эффекту «теплового разгона». Он заключается в возрастании количества выделяемого кислорода и водорода и в перегреве батареи. Все это неизбежно приводит к росту внутреннего давления, короткому замыканию и, в конечном итоге, к самовоспламенению батареи.
Именно химический характер возгорания становится ключевым фактором пожароопасности литий-ионных батарей. Классические методы борьбы с пожаром, в основе которых лежит ограничение доступа кислорода к очагу пожара, здесь не работают. Сам процесс горения происходит автономно, без доступа кислорода извне, с обильным выделением тепла. Температура горения литий-ионного аккумулятора составляет порядка 900 градусов. Такой пожар способен очень быстро перекинуться на соседнюю пожарную нагрузку: будь то расположенные рядом АКБ или любые другие горючие вещества и материалы. Быстрое развитие возгорания не всегда дает возможность системам противопожарной защиты на ранней стадии уловить первичные признаки пожара. В некоторых случаях возгорание происходит практически одновременно с началом обильного выделения дыма. Здесь и возникает самый главных для нас вопрос: как тушить помещения, в которых расположены такие источники бесперебойного питания, как литий-ионные АКБ.
Отсутствие норм пожаротушения Пожары литий-ионных батарей можно отнести к классу D – с вовлечением горючих металлов. Свод правил СП485.1311500.2020 «Системы противопожарной защиты. Установки пожаротушения автоматические. Нормы и правила проектирования» не распространяется на данный класс пожара. И на сегодняшний день в РФ отсутствуют нормативные документы, которыми можно было бы руководствоваться при защите Li-Ion помещений с литий-ионными батареями. К тому же эксперименты по поиску огнетушащих веществ и способов тушения пожаров класса D, которые могли бы дать базу для создания нормативных документов, практически не проводятся. Выбор огнетушащего вещества Указанный свод правил не дает ответ на вопрос: каким огнетушащим веществом тушить помещения с литий-ионными батареями. Перед проектировщиком систем пожаротушения стоит сложная задача по выбору наиболее подходящего огнетушащего вещества (ОТВ). ДАВАЙТЕ РАЗБЕРЕМ СУЩЕСТВУЮЩИЕ ВИДЫ ОТВ: Порошковое пожаротушение. Очень часто применяется для помещений с ИБП по примеру электрощитовых. При тушении литий-ионных батарей порошок может кратковременно сбить пламя, но горение внутри АКБ, безусловно, продолжится. Газовое пожаротушение. Создаст во всем помещении среду, препятствующую распространению возгорания, и поможет «сбить температуру» у развивающегося пожара. Но проникнуть внутрь корпуса АКБ газ, скорее всего, не сможет, соответственно, и остановить процесс горения внутри АКБ не получится. Модульное водяное пожаротушение с ограниченным количеством воды. В процессе тушения на очаг пожара выльется некоторое количество воды, что собьет пламя и временно охладит АКБ, но химический процесс горения продолжится. Следует также учитывать и тот факт, что при взаимодействии лития с водой происходит распад воды на водород и кислород, что, в конечном итоге, приведет к усилению горения. Агрегатное водяное пожаротушение с неограниченным количеством воды. Локализует процесс горения за счет большого объема воды. Дополнительным плюсом будет постоянный отбор тепла от АКБ, что замедлит химический процесс и не позволит пожару перекинуться на соседние стойки. Эффективность данной системы будет зависеть от конструктивного исполнения стойки с АКБ, расположения и производительности спринклеров. Зарубежный опыт Иностранный подход к проблематике пожарной опасности систем накопления энергии с применением литий-ионных батарей можно условно разделить на консервативный западный и практичный восточный подходы. Европейцы предлагают использовать различные системы тушения, в том числе, комбинированные, разрабатывают нормативные документы по соблюдению расстояний между стойками и стараются за счет сложной автоматизации найти параметры, которые могли бы «сообщить» о неправильной работе батарей еще до начала теплового разгона. В то время как китайцы, будучи производителями продукции, стремятся уменьшить ее себестоимость и устанавливают самые простые системы контроля лишь основных параметров – влажности, температуры, утечки газа. Наиболее современным и эффективным подходом считается использование комбинированного способа тушения ячеек с аккумуляторами. При первых признаках перегрева в ячейку или помещение подается огнетушащий газ, который снижает температуру стойки и препятствует развитию пожара. Применение газа на данной стадии дает шанс спасти стойку от залива водой путем резкого охлаждения. Если это не останавливает тепловой разгон, и температура продолжает расти, то в помещение подается тонкораспылённая вода, которая продолжительное время заливает очаг пожара. На данном этапе речь о спасении оборудования уже не идет – система пытается локализовать пожар и не дать ему распространиться за пределы помещения.
8 способов снизить пожароопасность систем с литий-ионными батареями Чтобы предотвратить возгорание в системах накопления энергии с применением литий-ионных батарей, специалисты рекомендуют устранять факторы риска. 1. Приобретать батареи у проверенных производителей. 2. Внимательно отнестись к выбору и настройке программного обеспечения, контролирующего работу АКБ. Обратить внимание на системы с всевозможными датчиками, не допускающими перегрев, перезаряд и полный разряд батарей. 3. Не экономить место при проектировании систем накопления энергии. Отсутствие скученности АКБ позволит избежать быстрого перекидывания пожара на соседние аккумуляторы и поможет огнетушащему веществу локализовать загоревшуюся батарею. 4. Использовать системы сверхраннего обнаружения пожара и газоанализаторы для выявления первых признаков перегрева АКБ. 5. Обесточить стойку с АКБ при первых признаках перегрева батарей. Желательно иметь возможность выключения стойки без входа в помещение. Продолжать контролировать температуру стойки. 6. Использовать комбинированные системы пожаротушения. 7. Проводить работу с персоналом и диспетчерами, отрабатывать на практике возможные сценарии возгорания АКБ. 8. При объемных системах накопления энергии с большим количеством АКБ наилучшим решением будет вынос помещения за пределы здания по примеру дизельно-генераторных установок.
Внимание! Копирование материалов, размещенных на данном сайте допускается только со ссылкой на ресурс http://www.tzmagazine.ru