Osobní odběr zboží: Severní 276, Jinočany - Kontakt
Máte dotaz? +420 311 257 435
Osobní odběr zboží: Severní 276, Jinočany - Kontakt
Máte dotaz? +420 311 257 435
Nejčastěji vyhledávaní výrobci měřící a regulační techniky
Lithium-iontové i olověné baterie se dnes objevují všude tam, kde je potřeba zálohovat napájení nebo akumulovat energii – v datacentrech, místnostech s UPS, bateriových úložištích (BESS) i na rychlonabíjecích stanicích. S jejich rozšířením ale roste i riziko, na které klasické požární čidla nestačí: únik vodíku a dalších plynů při nabíjení nebo poruše článku. Tento článek vysvětluje, proč k uvolňování plynů dochází, proč standardní detekce požáru reaguje pozdě a jak problém řeší detektor uvolňovaných plynů Evikon E2673.
Autor: Bc. Jaromír Bittner – Specialista sortimentu Evikon
Vznik vodíku má dva hlavní mechanismy – a oba je potřeba mít na paměti, pokud projektujete bezpečnost bateriovny:
Olověné baterie (lead-acid, AGM, gelové, VRLA). Během nabíjení se elektrolýzou rozkládá voda v elektrolytu na vodík a kyslík. U záplavových (flooded) článků je únik zcela běžný, u VRLA baterií dochází k úniku až při přebíjení nebo poruše ventilu. Vodík se hromadí pod stropem (je 14× lehčí než vzduch) a pokud není místnost dostatečně větraná, koncentrace v okolí baterie může rychle růst.
Lithium-iontové baterie. Vodík není produktem normálního nabíjení – objevuje se až jako součást tzv. off-gassingu, tedy uvolňování plynů z článku při jeho přehřátí nebo degradaci. Spolu s vodíkem se uvolňují i páry elektrolytu (těkavé organické látky, typicky diethylkarbonát DEC a dimethylkarbonát DMC, případně DEMC), oxid uhelnatý a další zplodiny. Off-gassing je první fyzicky měřitelný projev tzv. tepelného úniku (thermal runaway) – samourychlující se reakce, při které rostoucí teplota článku spouští další exotermické děje uvnitř článku, ty zvyšují teplotu dál a nakonec mohou vést k zapálení nebo explozi.
Společným jmenovatelem obou případů je jeden fakt: vodík je bezbarvý, bez zápachu a vysoce hořlavý. Jeho dolní mez výbušnosti (LEL) je přibližně 4 obj. % ve vzduchu – stačí tedy málo a místnost se stává výbušnou atmosférou.
Standardní požární ústředna se opírá o tři typy hlásičů – kouřové, teplotní a plamenové. Všechny tři mají v případě selhání baterie zásadní problém s timingem:
Kouř ve fázi off-gassingu prakticky není. K uvolňování plynů dochází před hořením. V této fázi nemusí být v místnosti viditelný kouř ani plamen, teplota v prostoru se zvedne minimálně. Kouřové čidlo tedy mlčí, i když uvnitř článku už běží reakce, kterou by bylo možné zastavit.
Teplota stoupá uvnitř článku, ne v místnosti. Než se teplotní gradient přenese ven do prostoru, kde reaguje tepelný hlásič, je obvykle už v thermal runaway několik sousedních článků. Reakce se mezitím šíří modulem dál.
Plamenový detektor reaguje až po vznícení. V tu chvíli už nejde o prevenci, ale o omezení škod.
Jedinou metodou, která zachytí poruchu dříve, než vznikne otevřený oheň, je detekce plynů – konkrétně vodíku a par elektrolytu (VOC). Proto se pro bateriová úložiště a UPS místnosti doporučuje doplnit klasickou EPS o plynovou detekci napojenou na požární ústřednu nebo SCADA.
Kdyby šlo jen o olověné baterie, samostatný vodíkový detektor by stačil. U lithium-iontových článků je ale situace složitější. Pomalá degradace článku se může projevit nejdřív únikem par elektrolytu (VOC), aniž by se hned uvolnilo velké množství vodíku. Rychlé poruchy naopak začínají nárůstem vodíku. Pokud sledujete obě skupiny plynů současně, zvyšujete pravděpodobnost, že selhání zachytíte v nejranější fázi – ať už začne kteroukoli cestou. Právě v tom je síla kombinovaného detektoru.
K tomu se v bateriovně obvykle hlídá ještě teplota a relativní vlhkost. Doporučené rozmezí pro datacentra a UPS místnosti se obvykle pohybuje mezi 40–60 % RH a 21–25 °C. Vyšší vlhkost vede ke korozi kontaktů, nízká k elektrostatickým výbojům, vysoká teplota zkracuje životnost článků a zvyšuje riziko thermal runaway.
Estonský výrobce Evikon MCI navrhl detektor E2673 přesně pro tento typ aplikací. V jednom DIN-lištovém pouzdru kombinuje čtyři funkce:
Díky tomu pokryje veškeré klíčové parametry prostředí v bateriové místnosti jedním zařízením a ušetří vám instalaci dvou až tří samostatných čidel.
Pro vodík detektor využívá princip tepelné vodivosti. Senzor měří, jak měřený plyn ovlivňuje tepelnou vodivost vzorku oproti referenčnímu prostředí. Vodík má asi 7× vyšší tepelnou vodivost než vzduch, takže ho lze touto metodou spolehlivě detekovat. Oproti elektrochemickým článkům navíc senzor nepodléhá otravě. Rozsah měření je 0–100 % LEL H₂ s rozlišením 0,02 % LEL, alarmový práh nastavíte uživatelsky v rozsahu 10–40 % LEL – tedy výrazně před dosažením spodní meze výbušnosti.
Pro těkavé organické látky je nasazený MOS senzor (metal-oxide semiconductor) s indexem 0–500. Reaguje na páry elektrolytu DEC, DMC a další organické sloučeniny, které se uvolňují při degradaci Li-ion článků. Vzorkování je difuzní – plyny se k senzorům dostávají přirozenou cirkulací vzduchu přes kryt zařízení, není potřeba čerpadlo ani vzorkovací linka. Doba zahřátí po startu je do 1 minuty, doba odezvy do 20 sekund.
Senzory mají očekávanou životnost přibližně 15 let, což se blíží nebo přesahuje životnost samotných lithium-iontových úložišť. Detektor je navržený bez nutnosti pravidelné kalibrace v terénu – odpadá tak typický problém vodíkových čidel, která po pár letech ztrácejí přesnost a v rozsáhlých instalacích je obtížné je všechny udržovat zkalibrované. Stav detektoru lze sledovat samodiagnostikou při startu i během provozu.
E2673 nabízí dvě cesty napojení na nadřazený systém:
Stav detektoru přímo na zařízení indikují tři LED: zelená (napájení), žlutá (porucha), červená (alarm).
Technické parametry v kostce:
E2673 se hodí všude, kde mohou unikat plyny z lithium-iontových baterií nebo kde se nabíjí olověné baterie ve větším měřítku:
Kompaktní pouzdro umožňuje montáž přímo do bateriového racku nebo do rozváděče vedle ostatních DIN-lištových komponent. Pro využití v prostorách s rizikem výbušné atmosféry je detektor certifikovaný pro ATEX Zónu 2 podle směrnic 2014/30/EU a 2014/34/EU.
Při návrhu plynové detekce v bateriové místnosti se vyplatí dodržet pár pravidel:
Umístěte detektor blízko stropu. Vodík stoupá vzhůru a hromadí se v nejvyšším místě prostoru. Detektor instalovaný v úrovni racku zachytí únik rychleji než čidlo ve výšce 1,5 m nad podlahou.
Myslete na ventilaci. Detekce sama o sobě požár neuhasí. Alarm by měl spouštět odvětrání prostoru – ideálně dvoustupňově: při dosažení prvního prahu se rozběhne ventilace, při druhém se odpojí nabíjení a aktivuje se akustická i optická signalizace.
Propojte detektor s EPS. Reléový výstup detektoru zaveďte na vstup požární ústředny tak, aby alarm spustil standardní protokoly EPS. Modbus pak slouží pro vizualizaci a trendování v BMS.
Nezapomeňte na zónování. Pro velké BESS kontejnery nebo více racků v jedné místnosti počítejte s více detektory rozmístěnými tak, aby pokryly všechny rizikové oblasti.
Detekce plynů je u moderních bateriových systémů to, čím je kouřové čidlo u běžné požární ochrany – první linie obrany. Rozdíl je v tom, že u lithium-iontových úložišť je to často jediná možnost, jak poruchu zachytit dříve, než přejde do nezvratné fáze. Detektor Evikon E2673 spojuje v jednom kompaktním zařízení vše, co bateriovna nebo UPS místnost potřebuje – detekci vodíku, par elektrolytu, vlhkost i teplotu – a díky 15leté životnosti bez kalibrace v terénu drží náklady na provoz nízko po celou dobu životnosti úložiště.
Pokud nasazujete detektor jen do prostor s olověnými bateriemi (zálohy v telekomunikacích, klasické UPS místnosti se starší technologií), samotná detekce vodíku obvykle stačí – vodík je u nich hlavním rizikovým plynem. U lithium-iontových baterií se ale často první projeví páry elektrolytu, ne vodík. Pro Li-ion úložiště, datacentra s moderními UPS a BESS proto doporučujeme kombinovanou detekci H₂ + VOC, kterou E2673 zvládá v jediném přístroji.
Bezpečnostní normy doporučují alarm v rozmezí 10–25 % LEL, tedy přibližně 0,4–1 obj. % H₂ ve vzduchu. První stupeň (předalarm) se obvykle nastavuje na 10 % LEL pro spuštění ventilace, druhý stupeň (hlavní alarm) na 20–25 % LEL pro odpojení zdroje a vyhlášení požárního poplachu. E2673 umožňuje nastavit práh v rozsahu 10–40 % LEL podle požadavků projektu.
Ano, E2673 má certifikaci ATEX pro Zónu 2 podle EN 60079-0, EN 60079-7 a EN 60079-29-0/-3. Pro Zónu 1 nebo Zónu 0 detektor použít nelze – v takových případech je potřeba sáhnout po jiném zařízení v provedení Ex „d" nebo „ia".
Ne v terénu. Detektor je navržený pro bezúdržbový provoz po celou dobu životnosti senzorů (~15 let). Dlouhodobá stabilita je < 3 % LEL H₂ za 5 let. To je velký rozdíl proti elektrochemickým senzorům, které je potřeba kalibrovat každoročně nebo měnit po 2–3 letech provozu.
Pouzdro 94 × 56 × 32 mm se standardně cvakne na DIN lištu, případně se přimontuje držákem na stěnu (dodává se v balení). Detekce probíhá difuzí, takže není potřeba vést vzorkovací hadičku ani řešit umístění čerpadla. Pro maximální účinnost umístěte detektor co nejblíž ke stropu prostoru, kde se vodík hromadí.
Kromě dvou alarmových relé má E2673 i samostatné poruchové relé. Pokud detektor zjistí vlastní závadu (např. výpadek senzoru, mimo rozsahu napájení), aktivuje žlutou LED a sepne poruchové relé v NC logice – obsluha tak ví, že detekce není funkční a může zasáhnout. Stav lze sledovat i přes Modbus RTU.
Ano, přes dvě alarmová relé SPST (NC, 300 mA / 30 VDC). Jedná se o standardní bezpotenciálový kontakt, který přijme prakticky každá EPS ústředna na vstupu pro plynovou detekci.
Off-gassing je samotné uvolňování plynů z článku – první fyzicky měřitelný projev problému. Thermal runaway je až navazující samourychlující se reakce, při které článek nezvratně překračuje kritickou teplotu a může se zapálit. Cílem plynové detekce je zachytit off-gassing dřív, než reakce přejde do fáze thermal runaway – v tomto okně máte ještě šanci poruchu zastavit ventilací, odpojením a izolací postiženého modulu.
Bola.cz
