Przegrzewanie się magazynu energii - czym grozi?

Dlaczego baterie się przegrzewają?

Chcąc odpowiedzieć na to pytanie trzeba wyjść oczywiście od przybliżenia zasady działania baterii, czy też akumulatora i opisania reakcji, jakie w nich zachodzą. Do najbardziej popularnych typów baterii stosowanych także w wielu modelach magazynów energii należą ogniwa litowo-jonowe. W uproszczeniu ich konstrukcja opiera się na dwóch elektrodach. Jedna z nich to katoda o dodatnim ładunku, która zbudowana jest z tlenków metali. Druga natomiast to anoda - węglowa elektroda o ładunku ujemnym. Kluczowym aspektem budowy baterii jest rozdzielenie katody i anody za pomocą elektrolitu zawierającego między innymi sole litowe oraz cienkiego, perforowanego tworzywa, które mają zapobiegać stykaniu się elektrod. W trakcie procesu ładowania ogniw ładunek elektryczny przepływa od katody do anody, a w trakcie ich rozładowywania (i tym samym zasilania urządzeń) kierunek przepływu jest odwrotny. Trzeba też pamiętać, że w zależności od pojemności magazynu energii, w jego ramach może funkcjonować od kilkudziesięciu do nawet kilku tysięcy tak zbudowanych ogniw.

Jak zatem dochodzi do nadmiernego przegrzewania się baterii podczas użytkowania magazynu energii? Bezpośrednią przyczyną tego zjawiska jest najczęściej zwarcie, a więc spotkanie się katody i anody. W jego wyniku inicjowana jest reakcja łańcuchowa, która postępuje w zazwyczaj w bardzo szybkim, trudnym do zahamowania tempie. W zależności od stopnia zaawansowania awarii, w baterii dochodzi do stopniowego lub gwałtownego wzrostu temperatury, co w rezultacie może doprowadzić do stopienia się materiału, z którego wykonany jest separator rozdzielający elektrody. W takim wypadku przegrzewanie się urządzenia będzie postępować jeszcze dynamiczniej, a w kontekście magazynów energii składających się z wielu ogniw, awarią będą stopniowo ulegać kolejne z nich. W jaki jednak sposób dochodzi do zwarcia pomiędzy katodą a anodą? Niestety nie ma uniwersalnej odpowiedzi na to pytanie. Wśród możliwych przyczyn wystąpienia takich nieprawidłowości wymienia się między innymi:

• • fabryczne błędy konstrukcyjne w budowie baterii - choć producenci baterii zazwyczaj skrupulatnie dbają o najwyższe standardy produkcji ogniw, to niestety w ramach tego procesu zdarzają się niekiedy błędy lub niedopatrzenia. Najczęściej chodzi tu o zbyt bliskie zamontowanie względem siebie katody i anody, które powiększając nieznacznie swoją objętość w trakcie ładowania mogą się zetknąć i doprowadzić tym samym do zwarcia;

• • uszkodzenie mechaniczne baterii w trakcie jej użytkowania - magazyny energii zwykle umieszczane są w obudowach, które mają chronić wrażliwe ogniwa bateryjne przed zróżnicowanymi czynnikami zewnętrznymi, w tym również przed uszkodzeniami mechanicznymi. Zdarza się jednak, że ochrona ta okazuje się niewystarczająca i w wyniku upadku lub uderzenia urządzenia, może dojść przemieszczenia się elektrod w ogniwach, a to w konsekwencji doprowadzi do przegrzewania się akumulatora lub awarii o bardziej gwałtownym przebiegu;

• • zbyt wysoka temperatura otoczenia, w której pracuje urządzenie - każdy magazyn energii posiada w swojej specyfikacji określenie zakresu temperatur, w jakim powinien pracować. Zazwyczaj optymalną wartością dla zachowania najwyższej wydajności i żywotności baterii jest temperatura 25 stopni Celsjusza, choć oczywiście parametr ten należy rozpatrywać indywidualnie dla każdego urządzenia. Tym niemniej zbyt wysoka temperatura otoczenia i brak wydajnej wentylacji pomieszczenia, może przyczyniać się do regularnego przegrzewania się magazynu energii;

• nieprawidłowości w procesie ładowania baterii - producenci magazynów energii zwracają szczególną uwagę na wdrażanie w ramach swoich produktów systemów zabezpieczających przed przeładowaniem ogniw. Jeżeli jednak użytkownik zdecyduje się na zastosowanie nieodpowiednich przewodów, niekompatybilnych akcesoriów czy słabej jakości komponentów, może się zdarzyć, że dojdzie do przeładowania, a tym samym przegrzania urządzenia.

Etapy przegrzewania się akumulatorowych magazynów energii

W kontekście zjawiska przegrzewania się magazynów energii trzeba wiedzieć, że zazwyczaj dochodzi do niego stopniowo, a to oznacza, że na określonym etapie można zapobiec poważniejszym konsekwencjom tego procesu, jakimi mogą być pożar, a nawet wybuch akumulatora. Niezwykle ważne jest zatem regularne kontrolowanie parametrów magazynu energii, aby w odpowiednim momencie zareagować na pojawiające się nieprawidłosci w jego funkcjonowaniu. Eksperci wymieniają cztery etapy, w trakcie których przegrzewanie się magazynu energii postępuje w kierunku pożaru lub wybuchu urządzenia. Etapy te to:

1. Wystąpienie czynnika inicjującego zwarcie pomiędzy elektrodami lub inne nieprawidłowości w działaniu baterii (wada fabryczna, uszkodzenie mechaniczne, przeładowanie baterii, nieodpowiednie warunki pracy urządzenia);

2. Ogniwo lub ogniwa, w których doszło do awarii zaczynają się przegrzewać, a w wyniku tego zjawiska uwalnia się dwutlenek węgla oraz Lotne Związki Organiczne (LZO), których skład uzależniony jest od technologii, w jakiej wykonano akumulator. Uwalniają się wówczas także gazy palne i jest to moment, w którym należy wdrożyć działania zapobiegające dalszemu rozprzestrzenianiu się awarii;

3. Dochodzi do zjawiska ucieczki termicznej, co powoduje gwałtowny wzrost temperatury urządzenia. Na tym etapie ucieczki termicznej nie można już zatrzymać, ale można złagodzić jej skutki;

4. W przypadku braku odpowiedniej reakcji na wcześniejszych etapach, magazyn energii inicjuje pożar lub ulega wybuchowi, by w konsekwencji zagrozić bezpieczeństwu innych instalacji i urządzeń, a nawet prowadzić do zagrożenia dla zdrowia i życia użytkowników systemu.

Systemy chłodzenia i wykrywania awarii w magazynach energii

Niezbędnym elementem magazynu energii bez względu na jego rozmiar i przeznaczenie, jest zapewnienie mu wydajnego systemu chłodzenia, który w wielu przypadkach będzie zapobiegał przegrzewaniu się modułów bateryjnych. Zarówno w domowych, jak i przemysłowych magazynach energii stosuje się zazwyczaj jeden z dwóch systemów chłodzenia: chłodzenie cieczą (wodą i chłodziwem) lub chłodzenie powietrzem. Obydwa te systemy zalicza się do aktywnych. Istnieje także system pasywny, który polega na oddawaniu ciepła przez obudowę urządzenia, jednak w przypadku magazynu energii będzie on zazwyczaj zbyt mało efektywny. Niezwykle istotnym elementem magazynu energii w kontekście zapobiegania i wczesnego wykrywania niestabilności termicznej urządzenia, są różnego rodzaju czujniki i systemy monitorowania pracy akumulatora. Możemy wśród nich wyróżnić między innymi (na podstawie datacenterfrontier.com) :

• systemy zarządzania baterią (BMS) - pozwalają kontrolować za pomocą dedykowanej aplikacji lub przez konto w serwisie producenta bieżące parametry systemu magazynującego. Należą do nich między innymi temperatura, napięcie, a także impedancja występujące w urządzeniu. BMS-y oferują zazwyczaj system alertów ostrzegających o przekroczeniu bezpiecznych wartości;
• czujniki termowizyjne - rozmieszczone w ramach konstrukcji magazynu energii czujniki reagują w momencie wykrycia przekroczenia dopuszczalnej normy temperaturowej. Czujniki te mogą także prewencyjnie wskazywać miejsca, które regularnie nagrzewają się bardziej niż inne, co może świadczyć o awarii ogniwa;
• czujniki jakości energii elektrycznej - monitorują one odstępstwa od normy w zakresie napięcia i przepływu energii elektrycznej przez urządzenie;
• detektory gazów - wykrycie ulatniających się z magazynu energii gazów i wysłanie alertu do użytkownika może być ostatnim momentem na wdrożenie działań zapobiegających niebezpiecznym skutkom przegrzewania się magazynu energii;
• czujniki chłodziwa i wody - są one w stanie wykryć wycieki w systemach chłodzenia magazynów energii cieczą i dzięki temu poinformować o konieczności podjęcia kroków celem ochrony urządzenia i instalacji, do których jest ono podłączone przed możliwymi skutkami awarii;
• czujniki wykrywające uszkodzenia mechaniczne - pozwalają wykazać wystąpienie czynnika mogącego spowodować w magazynie energii uszkodzenie mechaniczne (wstrząs, wibracje). Czujniki takie zazwyczaj monitorują stan urządzenia z częstotliwością kilku razy na sekundę, aby zminimalizować ryzyko przeoczenia zdarzenia, które mogłoby zainicjować mechaniczne nadwyrężenie konstrukcji akumulatora.

W przypadku wykrycia nieprawidłowości w funkcjonowaniu magazynu energii określony czujnik bądź grupa czujników wysyła do użytkownika odpowiedni alert. Wówczas należy jak najszybciej wyłączyć urządzenie i uruchomić system tłumienia konsekwencji niestabilności termicznej akumulatora.

Czym może grozić przegrzewanie się magazynu energii?

Przegrzewanie się magazynu energii jest jedną z najczęściej występujących awarii w tego typu urządzeniach. Nie oznacza to bynajmniej, że zdarza się ona często. Jak zostało wskazane powyżej, musi dojść do wystąpienia jednego lub zespołu czynników generujących niestabilność termiczną urządzenia. Tym niemniej warto wiedzieć, dlaczego zjawiska przegrzewania się magazynu energii nie można w żadnym wypadku ignorować i uznawać go za niegroźne dla dla funkcjonowania samego urządzenia, jak również całej instalacji, w ramach której akumulator pracuje. Pojedyncze epizody wzrostu temperatury urządzenia występujące na przykład podczas szybkiego ładowania magazynu lub w przypadku podwyższonej temperatury otoczenia, są zjawiskiem normalnym. Jednak powtarzające się alerty muszą spotkać się z reakcją użytkownika. Do czego może prowadzić regularne przegrzewanie się magazynu energii? Między innymi do:

• • pożaru - brak odpowiedniej reakcji na wczesnym etapie przegrzewania się magazynu energii może doprowadzić do jego zapłonu, a w konsekwencji do rozprzestrzenienia się pożaru na inne urządzenia, instalacje PV i zasoby w zależności od miejsca, w którym użytkowany był akumulator. Skutkiem tego są zazwyczaj znaczące straty finansowe i bezpośrednie zagrożenie dla zdrowia i życia osób przebywających w pobliżu zajętego ogniem urządzenia;

• • wybuchu - w wyniku przegrzewania się magazynu może dojść do stopniowo postępującego procesu prowadzącego do inicjacji pożaru, ale zaistniała reakcja może mieć dużo bardziej dynamiczny charakter w postaci wybuchu urządzenia. W takim wypadku straty mogą być bardzo istotne;

• • zniszczenia sprzętów i instalacji - regularna, nieprawidłowa temperatura pracy magazynu energii może w dłuższej perspektywie doprowadzać do stopniowej degradacji samego akumulatora, ale także innych sprzętów i instalacji podłączonych wraz z nim do systemu energetycznego w domu lub firmie;

• • niewydajnej pracy systemu - niestabilność termiczna akumulatora nie będzie służyła bynajmniej wydajności pracy systemu magazynowania energii. Oznacza to straty na poziomie inwestycji w urządzenie, jak również całą instalację OZE, która z nim współpracuje. Magazyn energii w połączeniu z fotowoltaiką nie będzie generował oszczędności, na które liczy inwestor;

• obniżonej żywotności magazynu energii - zbyt wysoka temperatura pracy magazynu energii przekłada się na obniżenie żywotności baterii i szacowanej ilości cykli ładowania i rozładowywania urządzenia. W konsekwencji tym trudniej będzie osiągnąć zwrot z inwestycji w pożądanym czasie.

Jak temperatura wpływa na żywotność magazynu energii?

Każdy producent magazynu energii zamieszcza w specyfikacji urządzenia przedział temperatur, w jakim powinno ono funkcjonować. Między innymi od tego zależy jak długo i ile energii będzie on w stanie przechować. Co więcej, szacując liczbę cykli ładowania i rozładowywania akumulatora, a więc określając jego przybliżoną żywotność, konstruktorzy zwracają uwagę na optymalną temperaturę pracy urządzenia dla osiągnięcia zakładanych wartości. Dlaczego te parametry są tak ważne? Ponieważ, jak zostało to już wskazane, zbyt wysoka temperatura otoczenia, w którym pracuje magazyn energii może wpływać na jego przegrzewanie się, a tym samym stopniową degradację ogniw bateryjnych.

Temperatury, w jakich pracuje magazyn energii wpływają także na gwarancję, jaką producenci tych urządzeń dają swoim klientom w zakresie żywotności akumulatorów. I tak na przykład Tesla zakłada zachowanie przynajmniej 70% pierwotnej pojemności magazynu energii przez 10 lat jeżeli będzie on pracował w zakresie temperatur od -20 do 50 stopni Celsjusza. w przypadku urządzeń marki LG natomiast, akumulator ma zachować do 60% swojej pojemności jeżeli będzie pracował w temperaturze od -10 do 45 stopni Celsjusza. W rzeczywistości jednak najbardziej optymalną temperaturą zachowania wysokiej żywotności magazynu energii, jest zapewnienie mu funkcjonowania w 20 do 25 stopni Celsjusza (np. magazyny energii WeCo).

Znane przykłady pożarów i wybuchów magazynów energii na świecie

Przemysłowe magazyny energii są szczególnie narażone na przegrzewanie się ze względu na swoją pojemność, rodzaj obudowy, a także niekiedy mało efektywne (lub awaryjne) systemy chłodzenia. Dodatkowo należy wymienić wysoką temperaturę otoczenia (elektrownie pracujące na otwartych przestrzeniach w ciepłym klimacie), a także podatność na uszkodzenia mechaniczne. Tysiące ogniw zlokalizowanych w specjalnej szafie lub kontenerze szybko ulega reakcjom łańcuchowym w przypadku uszkodzenia jednego lub kilku z nich. Informacje o pożarach i wybuchach przemysłowych magazynów energii pojawiają się co jakiś czas w mediach. Wśród takich incydentów znalazły się między innymi:

• • w listopadzie 2017 roku w Belgii zapalił się jeden z magazynów podłączonych do infrastruktury energetycznej niedaleko stolicy kraju. Najpoważniejszą konsekwencją tego incydentu było uwolnienie wysokiego stężenia toksycznych gazów, które zagrażały zdrowiu mieszkańców okolicy;

• • w kwietniu 2019 roku w USA doszło do wybuchu magazynu energii zaopatrującego w prąd jeden z zakładów usług publicznych w stanie Arizona. Konsekwencje eksplozji były tak rozległe, że kilku strażaków próbujących zapanować nad pożarem odniosło poważne obrażenia;

• w lipcu 2021 roku w Australii doszło do pożaru jednej z szaf wchodzących w skład “Tesla Big Battery”. Mieszczący się w niej magazyn energii miał pojemność około 3 MWh. Strażacy przez kilka godzin walczyli o to, aby pożar nie przeniósł się na inne szafy chłodząc ich otoczenie wodą. Do ugaszenia płonącego magazynu nie używano natomiast wody, aby nie zniszczyć działających ogniw;

Okazuje się, że od pożarów i wybuchów w wyniku przegrzania nie są wolne także domowe magazyny energii. Są to sytuacje zdecydowanie sporadyczne, jednak na początku 2022 roku można było przeczytać o serii wybuchów magazynów energii firmy Senec. Po otrzymaniu trzech zgłoszeń o podobnych incydentach na terenie Niemiec, producent zdecydował się wyłączyć wszystkie magazyny energii własnej produkcji, które zostały zainstalowane na terenie kraju. Firma Senec nadal poszukuje przyczyn awarii i zadeklarowała, że wypłaci użytkownikom akumulatorów 25 euro za każdy kolejny tydzień bez dostępu do zakupionych przez nich urządzeń.

W jakich warunkach powinien pracować magazyn energii?

Magazynowanie energii z fotowoltaiki zarówno w instalacjach domowych, jak i komercyjnych jest szansą na zwiększenie autokonsumpcji energii pozyskanej z OZE, a także stanowi jeden z filarów postępującej transformacji energetycznej na świecie. Tak jak każda technologia, tak również akumulatorowa obarczona jest jednak niewielkim ryzykiem wystąpienia określonych awarii. Jeżeli ich przyczyną nie jest wada fabryczna baterii, to warto wiedzieć, jak eksploatować magazyn energii, aby zapewnić mu optymalne warunki pracy. Należy zatem:

• zainstalować magazyn energii w miejscu utrzymującym temperaturę otoczenia na wskazanym przez producenta poziomie;
• zapewnić odpowiednią wentylację, jeżeli akumulator funkcjonuje w zamkniętym pomieszczeniu;
• używać jedynie dedykowanych przewodów i akcesoriów o parametrach dostosowanych do specyfiki pracy urządzenia;
• nie doprowadzać do przeładowania magazynu energii;
• instalację i serwis zlecać profesjonalistom;
• zadbać o brak czynników mogących doprowadzić do mechanicznych uszkodzeń akumulatora (wstrząsy, wibracje);
• kupować magazyny energii od doświadczonych producentów, gwarantujących odpowiednią certyfikację, nie korzystać z urządzeń typu DIY (np. samodzielnie skonstruowany magazyn energii z baterii samochodowej);
• regularnie monitorować parametry urządzenia za pośrednictwem BMS i reagować na ewentualne nieprawidłowości.

Przegrzewanie się magazynu energii to rodzaj awarii, która ma określone podłoże. Ważne, aby korzystać z urządzeń posiadających odpowiednie systemy zabezpieczeń i czujniki pozwalające wykryć odchylenia od norm na wczesnym etapie. Użytkowanie magazynu energii zgodnie z zaleceniami producenta gwarantuje nie tylko bezpieczeństwo i wydajność systemu, ale także długą żywotność urządzenia pozwalającą cieszyć się pełnia jego możliwości przez długie lata.