Bariera termiczna w magazynie energii: materiały ogniotrwałe przeciw niekontrolowanemu wzrostowi temperatury (thermal runaway)

Niekontrolowany wzrost temperatury (thermal runaway) rozpoczyna się w pojedynczym ogniwie: wskutek zwarcia wewnętrznego, uszkodzenia mechanicznego, przeładowania lub wady produkcyjnej temperatura ogniwa rośnie tak bardzo, że rozkład elektrolitu zaczyna sam się przyspieszać. W ciągu sekund powstaje kilkaset stopni Celsjusza, palne gazy (wodór, tlenek węgla, węglowodory) oraz strumień gorących cząstek. Samego ogniwa nie da się już w tym stanie ugasić — reakcja przebiega, dopóki zgromadzona energia nie zostanie wyczerpana.

Niebezpieczne dla instalacji nie jest jedno ogniwo, lecz propagacja: ciepło pierwszego ogniwa nagrzewa ogniwa sąsiednie, aż i tam zostanie przekroczony próg. Bez bariery termicznej łańcuch przechodzi przez moduł, szafę rack i wreszcie kontener. Każdy stopień, który opóźnia przeniesienie o minuty, daje systemowi zarządzania baterią czas na wyłączenie, odprowadzeniu gazów czas na wentylację, a straży pożarnej czas na dojazd.

• Poziom ogniwa: temperatury na powierzchni ogniwa powyżej 600 °C, strumień cząstek do ponad 1000 °C
• Poziom modułu: uwolnienie kilkuset litrów gazu na kWh, wzrost ciśnienia w obudowie
• Poziom szafy rack i kontenera: dochodzi obciążenie ogniowe z tworzyw sztucznych, kabli i elektroniki
• Okno czasowe: propagacja między sąsiednimi ogniwami bez bariery typowo w ciągu minut, ze skuteczną barierą wyraźnie opóźniona lub przerwana

Dla stacjonarnych magazynów energii nie ma w Niemczech jednej, wyczerpującej ustawy — wymagania składają się z norm produktowych, metod badawczych, wytycznych ubezpieczycieli i prawa budowlanego. Dla doboru materiałów w kontenerze decydujące są przede wszystkim metody badawcze, którymi wykazuje się odporność na propagację.

UL 9540A to rozpowszechniona międzynarodowo metoda badawcza, która bada rozprzestrzenianie się thermal runaway stopniowo na poziomie ogniwa, modułu, jednostki i instalacji. Wiele przetargów i ubezpieczycieli wymaga dziś raportu UL 9540A; udokumentowane w nim temperatury i czasy są wielkościami wejściowymi do projektowania bariery termicznej. NFPA 855 jako standard instalacyjny reguluje odległości, strefy pożarowe oraz koncepcje gaszenia i wentylacji. W Europie IEC 62933-5-2 opisuje wymagania bezpieczeństwa dla elektrochemicznych systemów magazynowania energii w sieci. Wytyczna VdS 3103 podsumowuje oczekiwania niemieckich ubezpieczycieli majątkowych wobec magazynów litowo-jonowych.

Dla samych materiałów ogniotrwałych obowiązują klasyfikacje według DIN EN 13501-1 (reakcja na ogień, klasa A1 dla wyrobów niepalnych) oraz badania odporności ogniowej według DIN EN 1363 i DIN EN 1364. W przypadku materiałów włóknistych dochodzi ochrona pracy: wełna glinokrzemianowa (ASW) podlega niemieckiemu przepisowi technicznemu TRGS 558, biorozpuszczalna wełna AES nie — punkt, który w magazynach energii niemal zawsze przesądza o wyborze.

Skuteczna bariera termiczna odwzorowuje budowę magazynu od wewnątrz na zewnątrz. Każdy poziom ma własne zadanie, własne obciążenie temperaturowe, a tym samym własny odpowiedni materiał. Kto na wszystkich poziomach montuje ten sam materiał, albo płaci za dużo, albo chroni za słabo w miejscu krytycznym.

• Ogniwo–ogniwo: cienkie przekładki o grubości od 1 do 3 mm, które opóźniają przenikanie ciepła do sąsiedniego ogniwa — papier z włókien ceramicznych w jakości biorozpuszczalnej lub mikroporowate laminaty foliowe; decydujące są mała grubość i niska przewodność cieplna w wysokiej temperaturze
• Moduł–moduł: płyty o grubości od 5 do 25 mm między modułami w szafie rack — płyty mikroporowate o najwyższej skuteczności izolacyjnej na milimetr tam, gdzie brakuje przestrzeni; płyty z krzemianu wapnia tam, gdzie dodatkowo potrzebna jest wytrzymałość na ściskanie
• Rack–rack i rack–ściana: ściany działowe i okładziny o odporności ogniowej — płyty z krzemianu wapnia lub płyty włókniste w warstwach, ze spoinami przesuniętymi, połączenia uszczelnione sznurem włóknistym
• Wykładzina wewnętrzna kontenera: okładzina ścian i sufitu z biorozpuszczalnej maty lub płyty włóknistej, która utrzymuje płaszcz stalowy poniżej temperatury krytycznej i zapobiega przeniesieniu pożaru na sąsiednie kontenery

Do tego dochodzą przepusty: kable, przewody chłodzenia, szyny prądowe i otwory wentylacyjne przechodzą przez każdy poziom. Ściana działowa jest tylko tak dobra, jak jej najsłabszy przepust — tu sznury włókniste, uszczelki papierowe i opaski ogniochronne stają się częścią koncepcji, a nie akcesoriami.

W piecu przemysłowym o materiale decyduje temperatura. W magazynie energii dochodzą trzy wymagania, które silniej kształtują wybór: przestrzeń zabudowy, ochrona pracy i lista materiałowa klienta.

Biorozpuszczalna wełna AES (SOLUT BW Blanket, BW Board, BW Paper) jest zgodnie z uwagą Q rozporządzenia CLP zwolniona z klasyfikacji jako rakotwórcza i nie podlega niemieckiemu przepisowi technicznemu TRGS 558. Dla producentów magazynów oznacza to: brak kategorii narażenia przy montażu, brak obowiązku oznakowania w produkcie, brak zgłoszenia SVHC zgodnie z REACH art. 33. Przy temperaturze klasyfikacyjnej 1200 °C pokrywa temperatury występujące podczas thermal runaway na ścianie i suficie. Jej praktyczna granica pracy ciągłej poniżej około 900 °C nie ma tu znaczenia — przypadkiem obciążenia jest zdarzenie trwające minuty, a nie praca ciągła.

Płyty mikroporowate (SOLUT MP Board) oferują najniższą przewodność cieplną ze wszystkich materiałów izolacyjnych — około 0,02 do 0,03 W/mK przy 200 do 400 °C — a tym samym największą skuteczność bariery na milimetr. To materiał z wyboru między modułami, gdzie każdy milimetr przestrzeni zabudowy kosztuje gęstość energii. Są bezwłóknowe, niepalne (A1) i dostępne z okładziną z folii aluminiowej, tkaniny szklanej lub folii PE, aby nie pyliły podczas manipulacji.

Płyty z krzemianu wapnia (SOLUT CAL Board) trafiają tam, gdzie bariera musi przenosić obciążenia: pod szafy rack, jako ściana działowa z mocowaniami, jako podkład pod komponenty. Wytrzymałość na ściskanie od 13 do 27 N/mm² przy temperaturze klasyfikacyjnej 1000 °C, bezwłóknowe i obrabialne narzędziami do drewna.

• Przekładki między ogniwami: SOLUT BW Paper 1–3 mm lub laminat mikroporowaty
• Oddzielenie modułów: SOLUT MP Board 5–25 mm, z okładziną
• Nośne ściany działowe i podkłady: SOLUT CAL Board 12,7–50 mm
• Okładzina ścian i sufitu kontenera: SOLUT BW Blanket 25–50 mm lub BW Board
• Przepusty i spoiny: sznur włóknisty i BW Paper, w strefach pożarowych w połączeniu z dopuszczonymi systemami przegród

Poniższe zestawienie porównuje cztery najważniejsze materiały barierowe — z parametrami, które w magazynie energii naprawdę decydują: przewodnością cieplną w razie zdarzenia, zapotrzebowaniem na przestrzeń zabudowy, wytrzymałością mechaniczną i statusem regulacyjnym.

Najlepszy dobór materiałów nic nie da, jeśli bariera ma luki. Z naszych montaży znamy cztery powtarzające się słabe punkty: otwarte spoiny stykowe między płytami, nieuszczelnione przepusty, mocowania stalowe prowadzące przez izolację jako mostki cieplne oraz warstwy izolacyjne zgniatane podczas montażu, które przez to tracą grubość i skuteczność izolacyjną.

• Styki płyt przesuwać w dwóch warstwach lub wykonywać na pióro i wpust; jednowarstwowe spoiny stykowe podkładać sznurem włóknistym
• Każdy przepust rysować jako osobny detal: sznur, papier lub opaska, długość uszczelnienia co najmniej równa grubości płyty
• Mocowania oddzielać termicznie — kotwy ceramiczne lub ze stali nierdzewnej z podkładką zamiast przelotowych śrub stalowych
• Grubość izolacji sprawdzać w stanie zamontowanym, nie w stanie dostawy; dokumentować zacisk i kompresję
• Okładziny i folie oceniać po stronie zwróconej do zdarzenia: chronią podczas manipulacji, ale w razie pożaru nie przenoszą obciążeń

Wykazanie odbywa się dwustopniowo: parametry materiałowe pochodzą z kart danych technicznych i klasyfikacji ogniowych, skuteczność bariery systemu — z badania propagacji na poziomie modułu lub jednostki, najlepiej według UL 9540A, ponieważ wyniki są wtedy użyteczne również dla ubezpieczycieli i organów wydających pozwolenia. Dostarczamy dane materiałowe i towarzyszymy przy wykonaniu próbek badawczych, aby badany system odpowiadał temu, co zostanie później zamontowane.

Większość opóźnień w projektach magazynów energii nie powstaje przy montażu, lecz wcześniej — ponieważ brakuje podstaw, gdy trzeba porównać oferty. Te dwanaście punktów należy wyjaśnić, zanim wyjdzie pierwsze zapytanie:

• Czy dostępne są raporty UL 9540A dostawcy ogniw/modułów na poziomie modułu i jednostki? Jakie temperatury i czasy zmierzono?
• Czy zdefiniowano cel ochrony: zapobiec propagacji ogniwo–ogniwo, opóźnić moduł–moduł czy tylko oddzielić kontener–kontener?
• Czy ustalono budżet przestrzeni zabudowy dla każdego poziomu (mm między ogniwami, modułami, szafami rack)?
• Czy pozyskano wymagania ubezpieczyciela (VdS 3103, ewentualnie własne warunki)?
• Czy dla materiałów wymagana jest reakcja na ogień klasy A1 według DIN EN 13501-1?
• Czy wymagana jest bezwłóknowa lista materiałowa — czy też dopuszczalne jest włókno biorozpuszczalne (uwaga Q)?
• Czy policzono przepusty i dla każdego typu zdefiniowano detal uszczelnienia (kabel, przewód chłodzenia, szyna prądowa, wentylacja)?
• Czy zaplanowano koncepcję mocowań bez przelotowych mostków cieplnych?
• Czy obliczono kompresję warstw izolacyjnych podczas montażu — grubość w stanie zamontowanym?
• Czy zaplanowano próbki badawcze do testu propagacji (materiał, termin, instytut badawczy)?
• Produkcja seryjna: docinanie jako zestaw montażowy czy pojedyncze elementy? Czy zdefiniowano tolerancje?
• Koncepcja demontażu i części zamiennych: jak bariera zostanie odtworzona po ingerencji serwisowej?

Bariera termiczna w normalnej eksploatacji nie pracuje — czeka. Właśnie dlatego łatwo ulega uszkodzeniu podczas konserwacji i przebudowy: płyty są demontowane dla uzyskania dostępu i niekompletnie montowane ponownie, uszczelnienia przepustów giną przy wymianie kabli, warstwy izolacyjne są zgniatane przez doposażone komponenty. Do dokumentacji utrzymania należy dlatego plan przegród, który nazywa każdą barierę, każdy przepust i każde uszczelnienie.

• Po każdej ingerencji: kontrola wizualna dotkniętej bariery względem planu przegród, zdjęcie do akt
• Corocznie: wyrywkowa kontrola uszczelnień przepustów i kompresji warstw izolacyjnych
• Po zdarzeniu termicznym: dotknięte bariery całkowicie wymienić — również wełna biorozpuszczalna i płyty mikroporowate tracą swoje właściwości po przejściu temperatury
• Przy demontażu: materiały segregować według oznakowania — materiały biorozpuszczalne i bezwłóknowe nie są odpadem niebezpiecznym, zużyty materiał ASW podlega pod kod odpadu 170603*