Najčastejšie vyhľadávaní výrobcovia meracej a regulačnej techniky
Lítium-iónové aj olovené batérie sa dnes objavujú všade tam, kde je potrebné zálohovať napájanie alebo akumulovať energiu – v dátových centrách, miestnostiach s UPS, batériových úložiskách (BESS) aj na rýchlonabíjacích staniciach. S ich rozšírením však rastie aj riziko, na ktoré klasické požiarne hlásiče nestačia: únik vodíka a ďalších plynov pri nabíjaní alebo poruche článku. Tento článok vysvetľuje, prečo k uvoľňovaniu plynov dochádza, prečo štandardná detekcia požiaru reaguje neskoro a ako problém rieši detektor uvoľňovaných plynov Evikon E2673.
Autor: Bc. Jaromír Bittner – Špecialista sortimentu Evikon
Vznik vodíka má dva hlavné mechanizmy – a na oba je potrebné myslieť, ak projektujete bezpečnosť batériovne:
Olovené batérie (lead-acid, AGM, gélové, VRLA). Počas nabíjania sa elektrolýzou rozkladá voda v elektrolyte na vodík a kyslík. Pri zaplavených (flooded) článkoch je únik úplne bežný, pri VRLA batériách dochádza k úniku až pri prebíjaní alebo poruche ventilu. Vodík sa hromadí pod stropom (je 14× ľahší ako vzduch) a ak miestnosť nie je dostatočne vetraná, koncentrácia v okolí batérie môže rýchlo rásť.
Lítium-iónové batérie. Vodík nie je produktom normálneho nabíjania – objavuje sa až ako súčasť tzv. off-gassingu, teda uvoľňovania plynov z článku pri jeho prehriatí alebo degradácii. Spolu s vodíkom sa uvoľňujú aj pary elektrolytu (prchavé organické látky, typicky dietylkarbonát DEC a dimetylkarbonát DMC, prípadne DEMC), oxid uhoľnatý a ďalšie splodiny. Off-gassing je prvý fyzikálne merateľný prejav tzv. tepelného úniku (thermal runaway) – samourýchľujúcej sa reakcie, pri ktorej rastúca teplota článku spúšťa ďalšie exotermické deje vo vnútri článku, tie zvyšujú teplotu ďalej a nakoniec môžu viesť k vznieteniu alebo explózii.
Spoločným menovateľom oboch prípadov je jeden fakt: vodík je bezfarebný, bez zápachu a vysoko horľavý. Jeho dolná medza výbušnosti (LEL) je približne 4 obj. % vo vzduchu – stačí teda málo a miestnosť sa stáva výbušnou atmosférou.
Štandardná požiarna ústredňa sa opiera o tri typy hlásičov – dymové, teplotné a plameňové. Všetky tri majú v prípade zlyhania batérie zásadný problém s načasovaním:
Dym vo fáze off-gassingu prakticky nie je. K uvoľňovaniu plynov dochádza pred horením. V tejto fáze nemusí byť v miestnosti viditeľný dym ani plameň, teplota v priestore sa zvýši len minimálne. Dymový hlásič teda mlčí, aj keď vo vnútri článku už prebieha reakcia, ktorú by bolo možné zastaviť.
Teplota stúpa vo vnútri článku, nie v miestnosti. Kým sa teplotný gradient prenesie von do priestoru, kde zareaguje tepelný hlásič, býva už v thermal runaway niekoľko susedných článkov. Reakcia sa medzitým šíri modulom ďalej.
Plameňový detektor reaguje až po vznietení. V tej chvíli už nejde o prevenciu, ale o obmedzenie škôd.
Jedinou metódou, ktorá zachytí poruchu skôr, než vznikne otvorený oheň, je detekcia plynov – konkrétne vodíka a pár elektrolytu (VOC). Preto sa pre batériové úložiská a UPS miestnosti odporúča doplniť klasickú EPS o plynovú detekciu napojenú na požiarnu ústredňu alebo SCADA.
Keby išlo len o olovené batérie, samostatný vodíkový detektor by stačil. Pri lítium-iónových článkoch je však situácia zložitejšia. Pomalá degradácia článku sa môže prejaviť najskôr únikom pár elektrolytu (VOC), bez toho aby sa hneď uvoľnilo veľké množstvo vodíka. Rýchle poruchy naopak začínajú nárastom vodíka. Ak sledujete obe skupiny plynov súčasne, zvyšujete pravdepodobnosť, že zlyhanie zachytíte v najskoršej fáze – bez ohľadu na to, ktorou cestou začne. Práve v tom je sila kombinovaného detektora.
K tomu sa v batériovni zvyčajne sleduje ešte teplota a relatívna vlhkosť. Odporúčaný rozsah pre dátové centrá a UPS miestnosti sa obvykle pohybuje medzi 40–60 % RH a 21–25 °C. Vyššia vlhkosť vedie ku korózii kontaktov, nízka k elektrostatickým výbojom, vysoká teplota skracuje životnosť článkov a zvyšuje riziko thermal runaway.
Estónsky výrobca Evikon MCI navrhol detektor E2673 presne pre tento typ aplikácií. V jednom puzdre na DIN lištu kombinuje štyri funkcie:
Vďaka tomu pokryje všetky kľúčové parametre prostredia v batériovej miestnosti jedným zariadením a ušetrí vám inštaláciu dvoch až troch samostatných snímačov.
Na detekciu vodíka využíva detektor princíp tepelnej vodivosti. Senzor meria, ako meraný plyn ovplyvňuje tepelnú vodivosť vzorky oproti referenčnému prostrediu. Vodík má asi 7× vyššiu tepelnú vodivosť ako vzduch, takže ho možno touto metódou spoľahlivo detegovať. Oproti elektrochemickým článkom navyše senzor nepodlieha otrave. Rozsah merania je 0–100 % LEL H₂ s rozlíšením 0,02 % LEL, alarmový prah nastavíte používateľsky v rozsahu 10–40 % LEL – teda výrazne pred dosiahnutím dolnej medze výbušnosti.
Na prchavé organické látky je nasadený MOS senzor (metal-oxide semiconductor) s indexom 0–500. Reaguje na pary elektrolytu DEC, DMC a ďalšie organické zlúčeniny, ktoré sa uvoľňujú pri degradácii Li-ion článkov. Vzorkovanie je difúzne – plyny sa k senzorom dostávajú prirodzenou cirkuláciou vzduchu cez kryt zariadenia, nie je potrebné čerpadlo ani vzorkovacie vedenie. Doba zahriatia po štarte je do 1 minúty, doba odozvy do 20 sekúnd.
Senzory majú očakávanú životnosť približne 15 rokov, čo sa blíži alebo presahuje životnosť samotných lítium-iónových úložísk. Detektor je navrhnutý bez potreby pravidelnej kalibrácie v teréne – odpadá tak typický problém vodíkových čidiel, ktoré po pár rokoch strácajú presnosť a v rozsiahlych inštaláciách je ťažké ich všetky udržiavať skalibrované. Stav detektora možno sledovať samodiagnostikou pri štarte aj počas prevádzky.
E2673 ponúka dve cesty pripojenia na nadradený systém:
Stav detektora priamo na zariadení indikujú tri LED: zelená (napájanie), žltá (porucha), červená (alarm).
Technické parametre v skratke:
E2673 sa hodí všade tam, kde môžu unikať plyny z lítium-iónových batérií alebo kde sa vo väčšom rozsahu nabíjajú olovené batérie:
Kompaktné puzdro umožňuje montáž priamo do batériového racku alebo do rozvádzača vedľa ostatných komponentov na DIN lištu. Na použitie v priestoroch s rizikom výbušnej atmosféry je detektor certifikovaný pre ATEX Zónu 2 podľa smerníc 2014/30/EU a 2014/34/EU.
Pri návrhu plynovej detekcie v batériovej miestnosti sa oplatí dodržať pár pravidiel:
Umiestnite detektor blízko stropu. Vodík stúpa nahor a hromadí sa v najvyššom mieste priestoru. Detektor inštalovaný v úrovni racku zachytí únik rýchlejšie než snímač vo výške 1,5 m nad podlahou.
Myslite na ventiláciu. Detekcia sama osebe požiar neuhasí. Alarm by mal spúšťať odvetranie priestoru – ideálne dvojstupňovo: pri dosiahnutí prvého prahu sa spustí ventilácia, pri druhom sa odpojí nabíjanie a aktivuje sa akustická aj optická signalizácia.
Prepojte detektor s EPS. Reléový výstup detektora pripojte na vstup požiarnej ústredne tak, aby alarm spustil štandardné protokoly EPS. Modbus potom slúži na vizualizáciu a trendovanie v BMS.
Nezabudnite na zónovanie. Pri veľkých BESS kontajneroch alebo viacerých rackoch v jednej miestnosti počítajte s viacerými detektormi rozmiestnenými tak, aby pokryli všetky rizikové oblasti.
Detekcia plynov je pri moderných batériových systémoch tým, čím je dymový hlásič pri bežnej požiarnej ochrane – prvou líniou obrany. Rozdiel je v tom, že pri lítium-iónových úložiskách je to často jediná možnosť, ako zachytiť poruchu skôr, než prejde do nezvratnej fázy. Detektor Evikon E2673 spája v jednom kompaktnom zariadení všetko, čo batériovňa alebo UPS miestnosť potrebuje – detekciu vodíka, pár elektrolytu, vlhkosť aj teplotu – a vďaka 15-ročnej životnosti bez kalibrácie v teréne drží prevádzkové náklady nízko počas celej životnosti úložiska.
Ak nasadzujete detektor len do priestorov s olovenými batériami (zálohy v telekomunikáciách, klasické UPS miestnosti so staršou technológiou), samotná detekcia vodíka zvyčajne stačí – vodík je pri nich hlavným rizikovým plynom. Pri lítium-iónových batériách sa však často ako prvé prejavia pary elektrolytu, nie vodík. Pre Li-ion úložiská, dátové centrá s modernými UPS a BESS preto odporúčame kombinovanú detekciu H₂ + VOC, ktorú E2673 zvláda v jedinom prístroji.
Bezpečnostné normy odporúčajú alarm v rozmedzí 10–25 % LEL, teda približne 0,4–1 obj. % H₂ vo vzduchu. Prvý stupeň (predalarm) sa zvyčajne nastavuje na 10 % LEL na spustenie ventilácie, druhý stupeň (hlavný alarm) na 20–25 % LEL na odpojenie zdroja a vyhlásenie požiarneho poplachu. E2673 umožňuje nastaviť prah v rozsahu 10–40 % LEL podľa požiadaviek projektu.
Áno, E2673 má certifikáciu ATEX pre Zónu 2 podľa EN 60079-0, EN 60079-7 a EN 60079-29-0/-3. Pre Zónu 1 alebo Zónu 0 detektor použiť nemožno – v takých prípadoch je potrebné siahnuť po inom zariadení v prevedení Ex „d" alebo „ia".
Nie v teréne. Detektor je navrhnutý na bezúdržbovú prevádzku počas celej životnosti senzorov (~15 rokov). Dlhodobá stabilita je < 3 % LEL H₂ za 5 rokov. To je veľký rozdiel oproti elektrochemickým senzorom, ktoré je potrebné kalibrovať každoročne alebo meniť po 2–3 rokoch prevádzky.
Puzdro 94 × 56 × 32 mm sa štandardne nacvakne na DIN lištu, prípadne sa primontuje držiakom na stenu (dodáva sa v balení). Detekcia prebieha difúziou, takže nie je potrebné viesť vzorkovaciu hadičku ani riešiť umiestnenie čerpadla. Pre maximálnu účinnosť umiestnite detektor čo najbližšie k stropu priestoru, kde sa vodík hromadí.
Okrem dvoch alarmových relé má E2673 aj samostatné poruchové relé. Ak detektor zistí vlastnú poruchu (napr. výpadok senzora, napájanie mimo rozsahu), aktivuje žltú LED a zopne poruchové relé v NC logike – obsluha tak vie, že detekcia nie je funkčná a môže zasiahnuť. Stav možno sledovať aj cez Modbus RTU.
Áno, cez dve alarmové relé SPST (NC, 300 mA / 30 VDC). Ide o štandardný bezpotenciálový kontakt, ktorý prijme prakticky každá ústredňa EPS na vstupe pre plynovú detekciu.
Off-gassing je samotné uvoľňovanie plynov z článku – prvý fyzikálne merateľný prejav problému. Thermal runaway je až nadväzujúca samourýchľujúca sa reakcia, pri ktorej článok nezvratne prekračuje kritickú teplotu a môže sa vznietiť. Cieľom plynovej detekcie je zachytiť off-gassing skôr, než reakcia prejde do fázy thermal runaway – v tomto okne máte ešte šancu poruchu zastaviť ventiláciou, odpojením a izoláciou postihnutého modulu.
Bola.cz
