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Mar 20, 2023

Brandbekämpfung in Batterieenergiespeichersystemen

Immer wenn eine große Energiemenge auf engstem Raum komprimiert wird, gibt es eine

Immer wenn eine große Energiemenge auf engstem Raum zusammengedrückt wird, besteht die Gefahr, dass sie unkontrolliert entweicht. In diesem Fall kommt es häufig zu Bränden und Explosionen sind möglich.

Artikel von | Stat-X® Brandbekämpfung mit kondensiertem Aerosol

Ein Batterie-Energiespeichersystem (BESS) ist bereits durch seinen Namen definiert. Dabei handelt es sich um ein Mittel zur Speicherung von Elektrizität in einem Batteriesystem zur späteren Verwendung. Als System sind BESSs typischerweise eine Ansammlung von Batteriemodulen und Lastmanagementgeräten. BESS-Installationen können von Systemen in Wohngebietsgröße bis hin zu großen Anordnungen von BESS-Containern reichen, die einen Windpark oder Netzdienste für Versorgungsunternehmen unterstützen.

BESSs werden für verschiedene Zwecke installiert. Eine beliebte Anwendung ist die Speicherung überschüssiger Stromproduktion aus erneuerbaren Energiequellen. In Zeiten geringer erneuerbarer Energieproduktion kann der im BESS gespeicherte Strom online geschaltet werden.

Zwei gängige Arten von BESSs sind Blei-Säure-Batterien und Lithium-Ionen-Batterietypen. Beide dienen im Wesentlichen demselben Zweck. Allerdings sind heute etwa 90 % der BESS-Systeme Lithium-Ionen-Systeme. Lithium-Ionen-Batterien erfreuen sich so großer Beliebtheit, weil sie eine hohe Energiedichte in einem kleinen, leichten Gehäuse bieten und wenig Wartung erfordern.

Lithium-Ionen-Batterien enthalten eine positive Kathode und eine negative Anode. Lithiumionen bewegen sich beim Entladen von der negativen Anode zur positiven Anode und beim Laden zurück. Dieser Mechanismus ist in einen ionenleitenden Elektrolyten eingetaucht. Der Elektrolyt ist ein brennbares flüssiges Lösungsmittel mit niedriger Viskosität.

Zusammengenommen in einem Gehäuse oder Behälter werden die Lithium-Ionen-Batterien „Zellen“ genannt. Ein BESS kann Dutzende, Hunderte oder sogar Tausende von Zellen zur Energiespeicherung enthalten. Die Zellen sind typischerweise in Modulen verpackt, die in Gestellen gehalten werden, und die Gestelle werden normalerweise in Strukturen vom Typ Transportcontainer gelagert. Offensichtlich sind Wohnmodelle viel kleiner und werden oft in der Garage oder im Keller eines Hauses installiert.

Immer wenn eine große Energiemenge auf engstem Raum zusammengedrückt wird, besteht die Gefahr, dass sie unkontrolliert entweicht. In diesem Fall kommt es häufig zu Bränden und Explosionen sind möglich.

Mehrere aktuelle Vorfälle in großen BESS-Anlagen zeigen, wie groß BESS-Brände sein können, wie schwierig sie zu löschen sind und wie gefährlich sie für Ersthelfer sein können.

Der Arizona Public Service betreibt ein großes BESS an seinem Solaranlagenstandort in Surprise, Arizona. Aus einem Lithium-Ionen-BESS-Behälter wurde Rauch beobachtet. Die Feuerwehr wurde gerufen und traf vor Ort ein.

Ungefähr drei Stunden nach der Ankunft öffneten Feuerwehrleute die Türen des immer noch rauchenden Containers. Als sich Frischluft mit den brennbaren Dämpfen im Behälter vermischte, kam es zu einer Explosion. Vier Feuerwehrleute wurden verletzt.

Teslas 300-MW-Projekt „Big Battery“ erlitt einen verheerenden Brand, der vier Tage lang brannte. Es handelte sich angeblich um den bisher weltweit größten BESS-Brand dieser Art, und die örtliche Feuerwehr stand bei der Löschung vor großen Herausforderungen. Sie kühlten schließlich umliegende Gebäude ab und ließen das Feuer ausbrennen.

Ein in einem privaten Solarpark installiertes BESS fing Feuer und brannte stundenlang. Das Feuer zerstörte 140 Batterien, verursachte strukturelle Schäden an der Anlage und brannte sieben Stromerzeugungsmodule nieder. Es gab keine Verletzten, aber das Feuer verursachte einen Schaden von über 300.000 US-Dollar.

Während alle diese Vorfälle große direkte Brandschäden verursachten, können die indirekten Kosten in vielen Fällen weitaus höher sein. Ausfallzeiten, Produktivitätsverluste und Imageschäden des Unternehmens können schnell den Verlust der beschädigten Ausrüstung übersteigen.

Um das Brandproblem von BESSs zu verstehen, ist es wichtig zu verstehen, warum sie versagen. Ihre Art des Versagens verdeutlicht, dass Feuer (und/oder Explosion) das Endergebnis eines mehrstufigen Prozesses ist. Das Verständnis dieses Prozesses identifiziert Möglichkeiten, bei denen eine Intervention eingeleitet werden kann, um eine Katastrophe abzuwenden.

Es gibt vier Stadien oder Phasen eines Batterieausfalls:

Stufe eins: Batteriekompromittierung ​Batterien können auf eine von vier Arten beschädigt oder anderweitig beeinträchtigt werden:

Thermisch – Hitzestress durch interne Überhitzung oder externe Erwärmung durch ein Feuer oder eine starke Wärmequelle.

Elektrisch – Die Batterie ist überladen oder es entsteht ein Kurzschluss.

Mechanisch – Der Batteriebehälter ist auf irgendeine Weise beschädigt.

Herstellungsfehler – Ein Problem in der Herstellung führt zu einem thermischen oder elektrischen Fehler.

Stufe zwei: Entgasung

Sobald die Batterie beschädigt ist, steigen die Innentemperatur und der Druck der Batterie aufgrund der Ansammlung von Gasen an. Die Integrität des Batteriebehälters versagt und die Gase werden freigesetzt. Bei den Gasen handelt es sich meist um verdampften Elektrolyt, der brennbar oder explosiv ist. Die Entgasung kann zwischen zwei und fast dreißig Minuten vor der nächsten Stufe erfolgen.

Stufe drei: Rauchentwicklung

Wenn die Batterie ausfällt, sinkt die Spannung auf Null und es kommt zu einem Kurzschluss zwischen Anode und Kathode. Wenn die gesamte gespeicherte Energie der Batterie durch den Kurzschluss fließt, steigt die Temperatur der Batterie schnell auf über 300 °C. Dadurch entsteht Rauch im Inneren der Batterie. Die Rauchentwicklung ist der erste Schritt beim thermischen Durchgehen und kann brennbar werden.

Thermal Runaway ist eine Kettenreaktion, bei der:

Stufe vier: Feuer

Nach Rauchentwicklung kann es schnell zu einem Brand kommen. Oder das Thermal Runaway-Ereignis kann stundenlang andauern, ohne dass Flammen entstehen. Während dieser Zeit werden große Mengen brennbarer Dämpfe und Gase erzeugt und im Gehäuse eingeschlossen, wodurch eine explosionsfähige Atmosphäre entsteht.

In vielen Fällen kommt es jedoch zu einer Entzündung und es entsteht ein Feuer im Inneren des BESS-Gehäuses. Da die Batteriekomponenten durch Feuer zerstört werden, können sich auch Gase wie Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Wasserstoff und unverbrannte Kohlenwasserstoffe im Gehäuse ansammeln. Dadurch entsteht ein brennbares Gemisch, dessen kollektiver Flammpunkt viel niedriger ist als der Flammpunkt der einzelnen Gase.

Ein Brand innerhalb des Gehäuses kann zu einem thermischen Durchgehen führen oder dessen Geschwindigkeit steigern, was zu einem verheerenden und schwer zu löschenden Ereignis führt.

Bei jeder Art von Vorfall, bei dem eine Schadensbegrenzung möglich ist, ist es immer am besten, zum frühestmöglichen Zeitpunkt einzugreifen. Wie in den Stadien eines Batterieausfalls beschrieben, gibt es Möglichkeiten, frühzeitig Maßnahmen zu ergreifen, um ein katastrophales Ergebnis abzuwenden.

BESSs können durch die folgenden Systeme geschützt werden:

Der einfachste und früheste Eingriff ist ein effektives Batteriemanagement. Die Hauptaufgabe eines Batteriemanagementsystems (BMS) besteht darin, Schäden an den Batteriezellen durch Überladung und Tiefentladung zu verhindern. Das BMS außerdem:

Berechnet die verbleibende Ladung der Batterie

Überwacht die Temperatur der Batterie

Überwacht auf Kurzschlüsse und fehlerhafte Verbindungen

Hält die Ladung innerhalb der Zellen im optimalen Leistungsbereich

Wenn das BMS ungewöhnliche Zustände erkennt, schaltet es die Batterie ab. Dies schützt die Zellen vor Schäden. Die meisten Menschen haben dies schon erlebt, als Mobiltelefone und Laptops plötzlich und ohne Vorwarnung ausfielen. Dies liegt daran, dass das BMS erkannt hat, dass die verbleibende Ladung außerhalb der Betriebsschwelle liegt, und die Batterie abgeschaltet hat.

Ein BMS bietet dem Endbenutzer zwei wichtige Dienste. Erstens verlängert es die Lebensdauer der Batterie, indem es sie im optimalen Betriebszustand hält. Und was am wichtigsten ist: Das BMS kann eine Batterie abschalten, bevor sie einen Punkt erreicht, an dem sie zu einem Sicherheitsrisiko wird.

Im Großen und Ganzen erledigen BMS ihre Arbeit sehr gut. Wenn jedoch das BMS beschädigt wird oder ein Herstellungsfehler vorliegt, kann die Batterie instabil werden und ausfallen.

Wie bereits erwähnt, beginnen die Temperatur und der Druck im Inneren der Zelle zu steigen, wenn der instabile Zustand der Batterie eskaliert, da sich brennbare Gase ansammeln. Irgendwann öffnet sich entweder eine installierte Entlüftung oder es liegt ein Fehler im Batteriegehäuse (normalerweise ein Beutel- oder Schalengehäuse) vor, und die Gase entweichen.

Es wurden Untersuchungen an Lithium-Ionen-Zellen durchgeführt und diese bis zum Versagen getestet. Die Gaschromatographie des Abgases ergab, dass der Hauptbestandteil Ethylmethylcarbonat war, das der Elektrolyt in der Zelle ist.

Ethylmethylcarbonat gilt als brennbare Flüssigkeit der Klasse II. Es hat einen Flammpunkt von etwa 80 °F. Sobald es durch die exotherme Reaktion, die bei einem Ausfall auftritt, verdampft, ist es leicht entflammbar.

Das Ausgasen kann bis zu 30 Minuten dauern, bevor Rauch entsteht. Die Gasdetektion bietet die erste Möglichkeit einzugreifen, nachdem das BMS ausgefallen ist. Die Gaserkennung ermöglicht eine weitaus schnellere Benachrichtigung über das Problem als ein Rauch-, Hitze- oder Flammenmelder. Mit der Gasdetektion bietet sich hier die Möglichkeit, das Problem zu entschärfen, bevor eine aktive Reaktion der Brandbekämpfungsausrüstung erforderlich ist.

Wenn der Gasdetektor das Vorhandensein eines Abgases meldet, kann er mehrere Abhilfemaßnahmen einleiten. Am wichtigsten ist vielleicht die Abschaltung der Stromversorgung der betroffenen Zelle(n). Darüber hinaus kann die Gasdetektionsausrüstung:

Aktivieren Sie ein Belüftungssystem im BESS-Gehäuse, um brennbare Gase und Hitze abzuleiten

Aktivieren Sie lokale und Fernalarme

Bieten Sie Betreibern eine frühzeitige Warnung, zusätzliche Maßnahmen zu ergreifen

Die Brandbekämpfung ist die letzte Verteidigungslinie. Die Entlassung des Agenten bedeutet, dass alle anderen Interventionen fehlgeschlagen sind. Allerdings erschweren die Art und Weise, wie Batterien versagen, und ihr Design eine vollständige Löschung.

Nach der Gasdetektion besteht die nächste Möglichkeit zur Branddetektion in der Detektion von Rauch. In diesem Fall löst ein Rauchmelder Alarm aus und das Signal löst ein Feuerlöschsystem aus, das aktiviert wird.

Aber wie bereits erwähnt und bei der Explosion des Arizona Public Service (APS) hervorgehoben wurde, kann es zu einem thermischen Durchgehen kommen, das Rauch erzeugt und sich langsam über Stunden ansammelt. Beim APS-Vorfall funktionierte das Rauchmeldesystem wie vorgesehen und aktivierte ein Löschmittel-Brandbekämpfungssystem.

Doch selbst nach dem Ablassen des Reinigungsmittels setzte das thermische Durchgehen fort. Drei Stunden lang, bevor die Feuerwehr die Containertüren öffnete (und eine Explosion auslöste), wurden weiterhin große Mengen brennbaren Rauchs erzeugt.

Was ist also bei dem APS-Vorfall schief gelaufen? Aus Sicht der Brandbekämpfungsmittel war das gewählte Löschmittelsystem, das ein Fluorketonmittel verwendet, nicht richtig konzipiert. Das System funktionierte und gab eine Wirkstoffkonzentration von 10 % ab.

Laut einem Untersuchungsbericht von DNV GL (heute DNV), einem international führenden Anbieter von Batterietests, „war das {Fluorketon}-Reinigungsmittel unzureichend und ungeeignet, um das kaskadierende thermische Durchgehen mehrerer Batteriezellen oder -module zu stoppen oder zu verhindern.“

In dem Bericht wurde weiterhin der Wirkstoffhersteller zitiert, der in Kommentaren zu einem Entwurf des NFPA 855-Standards für die Installation stationärer Energiespeichersysteme® feststellte: „Saubere Wirkstoffe sind nachweislich unwirksam bei der Verhinderung und Eindämmung des thermischen Durchgehens, ebenso wie Schaum und Trockenchemikalien.“ ."

Da das Löschmittel zum Löschen von Entstehungsbränden konzipiert war, gelang es ihm nicht, das nicht brennende thermische Durchgehen zu stoppen. Dreißig Minuten nach der Entladung befand sich kein Wirkstoff mehr in der Schwebe und der Raum war völlig explosions- und feuergefährdet. Als einer der Hauptfaktoren für die Schwere des Vorfalls wurde das Versäumnis genannt, ein entsprechend konzipiertes Feuerlöschsystem zu verwenden, einschließlich der fehlenden vollständigen Abdichtung des Gehäuses, wodurch eine frühzeitige Erschöpfung der Wirkstoffkonzentration und eine kürzere Haltezeit ermöglicht wurden.

Da saubere Mittel bei BESS-Vorfällen unwirksam sind, wie wäre es dann mit der Verwendung einer Sprinkleranlage? Herkömmliche Sprinkler sind keine gute Wahl. Die begrenzte Beschaffenheit der Batteriezellen verhindert effektiv, dass Wasser den beheizten Bereich erreicht. Sprinkleranlagen erfordern außerdem eine eigene Wasserversorgung, was in vielen Bereichen problematisch sein kann. Schließlich kann der Wasserabfluss die BESS-Komponenten beschädigen und aufgrund des Wasserabflusses Umweltbedenken hervorrufen.

Um einen hervorragenden Brandschutz für BESSs zu gewährleisten, ist ein spezialisierter Agent erforderlich. Der ideale Agent ist in diesem Fall einer, der:

Begrenzen Sie die Ausbreitung des thermischen Durchgehens

Unterdrücken Sie eventuell vorhandenes Feuer

Begrenzen Sie Schäden an Komponenten

Erfordert keine nennenswerte Infrastruktur

Auch wenn es schwierig ist, diese „Must-Haves“ bereitzustellen, gibt es einen Agenten, der genau das tut. Das Stat-X®-Brandbekämpfungssystem mit kondensiertem Aerosol ist das ideale Mittel zur BESS-Brandbekämpfung.

Stat-X wurde ausgiebig getestet, wodurch seine Leistung in diesen Kategorien bestätigt wurde. Zunächst beauftragte Fireaway DNV – dieselbe Organisation, die den APS-Vorfall untersucht hatte – mit der Durchführung von Versuchen mit Stat-X bei Bränden von Lithium-Ionen-Batteriezellen. Die Ergebnisse waren äußerst positiv:

Stat-X hat sich beim Löschen von Bränden bei Einzel- und Doppelzellen-Lithium-Ionen-Batterien als wirksam erwiesen.

Das verbleibende Stat-X-Aerosol in der Gefahrenzone bietet einen zusätzlichen erweiterten Schutz vor einem erneuten Aufflammen des Feuers.

Stat-X reduzierte den Sauerstoffgehalt in einer geschlossenen Umgebung während eines Batteriebrandes auf 18 %.

Die Verweilzeit von Gasen und Aerosolen während des Stat-X-Einsatzes hängt davon ab, wann die Atmosphäre belüftet wird.

Zweitens beauftragte Fireaway PVEL, einen führenden Anbieter von Produkt- und Regulierungstests für erneuerbare Energien, mit der Durchführung umfassender Tests gemäß UL 9540a. Auch diese Ergebnisse waren positiv. Während des Zeitraums der Stat-X-Entladung und der Verweildauer des Wirkstoffs:

Das thermische Durchgehen breitete sich nicht auf benachbarte Batteriegestelle aus

Es wurden keine Flammen beobachtet

Es wurde kein signifikanter Temperaturanstieg beobachtet

Es wurde keine Verpuffung oder Explosion beobachtet

Das Stat-X-Vollflutungssystem bietet die einzigartige Kombination, die Ausbreitung von thermischem Durchgehen zu begrenzen und gleichzeitig das Feuer zu unterdrücken und niederzuschlagen. Die eigenständigen Einheiten können an jede Art von Detektionssystem angeschlossen oder so konfiguriert werden, dass sie bei einer vorher festgelegten Temperatur oder Gaskonzentration aktiviert werden. Und die praktisch wartungsfreien und kompakten Einheiten erfordern keine Rohrleitungen oder andere Infrastrukturanforderungen.

Es ist auch wichtig zu beachten, dass Brandbekämpfungsmittel aus kondensierten Aerosolen keine Eigenschaften zur globalen Erwärmung oder zum Ozonabbau haben. Das Mittel ist für normal belegte Bereiche ausgelegt.

Um ein BESS angemessen zu schützen, ist ein vollständiges und integriertes System erforderlich. Jede Komponente hat ihren Platz und ihre Funktion, um mehrschichtigen Schutz zu bieten. Ein hochgeschütztes BESS könnte so aussehen:

Ein gut konzipiertes und hergestelltes Batteriemanagementsystem ermöglicht die Überwachung der Funktionen und Betriebsbedingungen der Batterie.

Ein Gaserkennungssystem wird eingesetzt, um fehlerhafte Zellen abzuschalten und:

Aktivieren Sie ein Belüftungssystem

Ertönen Sie lokale und entfernte Alarme

Ein Brandbekämpfungssystem mit kondensiertem Aerosol und vollständiger Überflutung ist installiert und an das Brandmeldesystem angeschlossen.

Um die Sicherheit der Ersthelfer zu erhöhen, kann Folgendes dazu beitragen, einen Vorfall wie die APS-Explosion zu verhindern:

Ein Schnellanschluss-Trockenrohrsprinkler oder ein Wassernebelsystem für die Feuerwehr, damit die Feuerwehr das Innere des Gehäuses kühlen kann.

Wärmebildkameras zur Erkennung von Hitzeniveaus und Hotspots von außerhalb des Gehäuses.

Stat-X®-Foto mit freundlicher Genehmigung von Fireaway Inc.

Bei Lithium-Ionen-BESSs besteht eindeutig Brand- und Explosionsgefahr. Ihr Design und die Art ihres Versagens machen viele herkömmliche Brandbekämpfungsmittel und -taktiken wirkungslos. Um BESSs angemessen zu schützen, ist ein mehrschichtiges Schutzsystem erforderlich, um zu verhindern, dass das BESS einem schweren thermischen Durchgehen ausgesetzt wird. Wenn diese Maßnahmen erfolglos bleiben, ist ein Brandbekämpfungsmittel wie Stat-X erforderlich, um einen Brand schnell zu unterdrücken, die Ausbreitung des thermischen Durchgehens zu begrenzen und einen vollständigen Überschwemmungsschutz zur Unterdrückung von Rückflammen aufrechtzuerhalten.

Stat-X® Condensed Aerosol Fire Suppression ist eine Lösung für Anwendungen in Energiespeichersystemen (ESS) und Batterieenergiespeichersystemen (BESS). Dazu gehören Anwendungen in Gebäuden, Containern und Schränken. Das Stat-X-Produkt wurde auf Wirksamkeit bei der Löschung von Li-Ionen-Batteriebränden getestet. Es wurde festgestellt, dass der Stat-X-Agent Brände von Einzel- und Doppelzellenbatterien erfolgreich löschte. Diese Tests wurden parallel zu einem großen Batterie-Brandtestprogramm durchgeführt. DNV GL Energy führte die Tests durch und validierte die Wirksamkeit des Stat-X-Aerosolmittels bei Bränden von Li-Ionen-Batterien auf Zellenebene.

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