Híreink

A lítiumion-akkumulátor tüzek oltása tűzoltó készülékekkel

2021. június 10. 09:30

Ahogyan növekszik a lítiumion-akkumulátorok száma a mindennapokban, úgy növekszik az erősen alábecsült tűzveszély is az üzemekben és a háztartásokban. Német tesztekben egyes lítiumion-cellák még a tesztberendezésből is kiszabadultak, és több mint 10 m távolságra repültek el. Milyen lehetőségek vannak a rizikók minimalizálására? A kísérletek alapján ezt mutatja be szerzőnk Jürgen Petermann.


A modern technológia veszélyei

A lítiumion-akkumulátorok a legmodernebb technológia ellenére is kockázatot jelentenek. Nem is gondolnánk, hogy a fúró-csavarozó gépekben, laptopokban, okostelefonokban vagy zseblámpákban használt lítiumion-akkumulátorok által okozott tüzek és robbanások száma folyamatosan növekszik. A milliószámra, nagy elektromos készülékekbe, elektromos autókba, elektromos kerékpárokba és elektromos robogókba beépített nagyobb energiatárolók, szintén megsokszorozzák a tűzveszélyt.

A tüzet kiváltó mechanikus, termikus vagy elektromos ok lehet minőségi hiányosság, az akkumulátorok kora, baleset, de gondatlanság is. Az akkumulátorok sérülése, hőbehatások, valamint a túltöltés a belső ellenállás megnövekedéséhez vezethet, és különösen nagy elektromos áram esetén hozzájárulhat a hőfejlődéshez. A Li-ion tüzek egyik fő oka a cella erős túlmelegedése, ami aztán átterjed a mellette lévőre is. A teljes akkumulátorrendszer túlmelegedése ellenőrizhetetlen hőmérsékletet és veszélyes, erősen egészségkárosító gázkibocsátást eredményezhet.

A túlmelegedés mellett a meghibásodott, ill. a lítiumion-akkumulátorok szakszerűtlen, védtelen tárolása is veszélyt jelent. A szállítás és tárolás során bekövetkező mechanikus lökések, vagy az erős napsütés, hőség vagy hideg okozta termikus terhelés a lítiumion-akkumulátorok fizikai sérülését okozhatja.

Éghető gázok, elektrolitok és egyéb cellakomponensek

Az említett okok miatti sérülés esetén éghető gázok kiáramlása, illetve elektrolit kifolyása következtében tűz keletkezhet.  A túlmelegedés többnyire fehér/szürke füst formájában nyilvánul meg, ami az egészségre erősen káros és maró hatású akkumulátor összetevőket és bomlási termékeket tartalmaz. Belégzése veszélyes! A felszabaduló köd meggyulladhat és szúrólángot okozhat, ami viszont további, a közvetlen környezetben található lítiumion-akkumulátorok felhasadását okozhatja. A tényleges tűz mellett fennáll a robbanásszerű folyamatok veszélye, ugyanis a tűzfészek kis, szilánk alakú elemekre bomolhat szét, amelyek szétrobbannak.

Döntő fontosságú az összetétel ismerete

Mint már említettem, a lítiumion-akkumulátorok égésekor nagyon ártalmas gázok, valamint füst szabadul fel. Ezen anyagok egyike a hidrogén-fluorid, amely súlyos egészségkárosodást okozhat. A nagy koncentrációval történő közvetlen érintkezés a legrosszabb esetben akut szívmegálláshoz vezethet. Ennek ismeretében a lítiumtelepek és -akkumulátorok tüzének oltásakor nem csupán a megfelelő egyéni védőfelszerelésre és a helyszín vagy helyiség szellőztetésére kell odafigyelni, hanem az érintettek a lítiumion-akkumulátorok kiszámíthatatlanságának is tudatában kell legyenek. Így például a különböző biztonsági intézkedések ellenére megfigyeltek robbanásszerű reakciókat is, amelyeket a létrejött nyomás okozott.

Az alábbiakban ismertetett tesztekkel kitérünk ezekre a hatásokra. Az eredmények megmutatják, hogy mennyire kirívóak lehetnek a veszélyek. Egyes lítiumion-cellák még a leírt tesztberendezésből is kiszabadultak, és több mint 10 m távolságra repültek el.

Tesztberendezések, fentről lefelé haladva:

A 6 liter vízzel és Imprex C habanyaggal (2%, külön patronban) töltött GLORIA WKL6P készülékkel történő oltáshoz 49 darab 18650 típusú 642 Wh cellát és gyújtáshoz egy „báb”-cellát használtak. A 9 liter vízzel és Imprex C habanyaggal (2%, külön patronban) töltött GLORIA WKL9P készülékkel történő oltáshoz 98 darab 18650 típusú 1285 Wh cellát és gyújtáshoz két „báb”-cellát használtak. A további 9 liter vízzel és Imprex C habanyaggal (2%, külön patronban) töltött GLORIA WKL9P készülékkel végzett oltáshoz 7 darab 700 Wh zsebcellát használtak.

(Fényképek: GLORIA)

Tesztek – Mitől hatékony az oltókészülék?

Egy megfelelő lítiumion oltókészülék kifejlesztése csak az első lépés. A termék hatékonyságának biztosításához és bizonyításához megfelelő tesztek szükségesek, amelyek gyártóspecifikus, EN 3 szerinti engedéllyel rendelkező tűzoltó készülék modellekre és pontosan meghatározott lítiumion-akkumulátorokra vonatkoznak. Ezek a tesztek egy független vizsgáló intézet – a jelen esetben a híres holland KIWA, a világ 20 tesztelő, ellenőrző és tanúsító intézetének egyike – bevonásával történtek, amelyek, speciális jellegük miatt, nem érvényesek más gyártók tetszőleges lítiumion oltókészülékeire. A tesztek kizárólag a GLORIA 6 liter vízzel és Imprex C habanyaggal (2%, külön patronban) töltött GLORIA WKL6P és 9 liter vízzel és Imprex C habanyaggal (2%, külön patronban) töltött GLORIA WKL9P tűzoltó készülékekre vonatkoznak a megnevezett feltételek mellett tesztelve.

A lítiumion-akkumulátorok gyors fejlődése, növekvő kapacitása és energiasűrűsége alapján a KIWA-val közösen végzett tesztek eredményei nem ruházhatók át sem más lítiumion energiatárolókra, sem más gyártók tűzoltó készülékeire.

Meg kell jegyezni, hogy az olyan befolyásoló tényezők, mint az oltóanyag vagy a hozzá tartozó technikák adaptációja, valamint a lítiumion-akkumulátorok csomagolása vagy tárolása szintén negatív hatással lehet a tűzoltó készülék oltásteljesítményére. A KIWA nem határozta meg, hogy ezeket a tűzoltó készülékeket a lítiumion-akkumulátorok csomagolása, tárolása és feldolgozása szempontjából hova és milyen mennyiségben kell kihelyezni.

Teszt 18650 típusú ’Mainstream’ lítiumion-akkumulátor használatával

A teszteléshez a 2020-ban a piacon reprezentatívnak számító 18650 típusú lítiumion-akkumulátorokat használtak. A cellák töltöttségi állapota (State of Charge – SOC) >95%, és 4,1 Volt minimumfeszültséggel és 3200 mAh teljesítménnyel rendelkeztek.

A kísérlethez a hengeres lítiumion telepeket ötös halmazokba egyesítették. A WKL6P-val végzett leírt oltási kísérletnél az 50 cella egyikét „báb”-cellával helyettesítették, amelyikbe be volt építve a fűtőelem. Ezzel a konfigurációval szimulálni lehetett egy cella túlmelegedését, ill. a 100 cella közül kettőt a WKL9P-vel végzett oltáskor. A báb-cella a tesztelrendezésben úgy lett elhelyezve, hogy lehetővé vált a cellák közötti optimális hőterjedés. A cellakészletet a tesztkörnyezetben oldalirányban helyezték el, és egy fémkeretbe lett befogva. A tesztépítmény fejvégeire egy tűzálló lapot helyeztek el, elkerülve a fémmel történő érintkezést, ami kizárta a fémnek a cellára gyakorolt esetleges hűtő hatását. Ilyen módon sikerült létrehozni egy lehetőleg reprezentatív struktúrát, amelyben a tiszta lítiumion tüzet kellett eloltani, és amelyik igénybe vette az oltóanyag teljes hűtőkapacitását.

Teszt zsebcella használatával

A kísérlethez 100 Wh Li-Co/NMC akkukat használtak. A zsebcellákat, mint a lítiumion-akkumulátorok széles körben elterjedt formáját 95%-ra és 4,1 Volt minimum feszültségre töltötték fel. A cellákat 7 darabos kötegekben helyezték el, egy keretbe fogták be, és túltöltéssel lettek meggyújtva. Meg kell jegyezni, hogy ebben a kísérletben nem használtak tűzálló lapot.  Ennek megfelelően a tesztelrendezés hőkisugárzása annyira nagy volt, hogy a keret hűtőhatása nem volt releváns.

Ennél a tesztfelépítésénél nem egy tiszta lítiumtűzről van szó, amilyet az EN 3-7 / A1 szabványnak megfelelő tűzoltó készülékek tesztelésekor kérnek. Ebben a tesztben sokkal inkább olyan lítiumakkumulátorokat használtak, amelyek csak kis részben álltak lítiumból. A tesztkonstrukciót a benne található cellákkal a vizsgálat helyszínén építették fel, és olyan egyértelmű jelöléssel látták el, amely azonosíthatóvá tette az összes tesztbeállítást. A tesztelés előtt nem csupán pontosan ellenőrizték minden cella feszültségét, de bizonyítékot szolgáltattak arra is, hogy a tesztbeállítás megfelel a tesztterv követelményeinek.

Viszonyítási alapul oltási kísérlet nélkül végzett próbatűz szolgál

Viszonyítási alapként minden vizsgálati elrendezéshez elvégeztek egy előzetes próbatüzet. Ennek során ellenőrizni lehetett, hogy a vizsgálati elrendezés működik-e, és hogy az összes cella (18650 típusú 49/98 cellák, ill. 7 zseb) tűzoltás nélkül meggyullad-e. Ezt a helyzetet megfigyelték az összes vizsgálati elrendezésnél. A cellák teljes töltöttségi állapotának meghatározására méréseket végeztek mind a vizsgálat megkezdése előtt, mind pedig a tűz után, ami bizonyította, hogy egyetlen cellában sem volt már feszültség.

Minden tesztet háromszor végeztek el szabad ég alatt, 8,6 °C és 11 °C közötti környezeti hőmérsékleten, 76-79%-os levegő páratartalomnál, felhős égboltnál és eső nélkül.

1. vizsgálat

  • 6 literes tűzoltó készülék
  • Vizsgálati elrendezés: 49 x 18650 + 1 báb-cella
  • A báb-cella felmelegítésének kezdete: 00:00:00
  • A túlmelegedés kezdete: +0:05:09
  • Lángészlelés: +0:00:36
  • Tűzoltás kezdete: +0:00:10
  • Már nincs láng észlelés: +0:00:11
  • Az oltási folyamat befejezése: +0:02:13
  • Nem észleltek visszagyulladást: > 120 perc
  • Fennmaradt aktív cellák: >20*
  • Eredmény: átment

* Az aktív cellák a teszt után még feszültséget jeleztek a mérőeszközön, az inaktív cellákban már nem volt feszültség, de nem feltétlenül kell, hogy „felrobbant/átütött legyenek.

2. vizsgálat

  • 9 literes tűzoltó készülék
  • Vizsgálati elrendezés: 98 x 18650 + 2 báb-cella
  • A báb-cella felmelegítésének kezdete: 00:00:00
  • A túlmelegedés kezdete: +0:05:05
  • A második túlmelegedés kezdete: +0:00.14
  • Lángészlelés: +0:00:28
  • Tűzoltás kezdete: +0:00:17
  • Már nincs láng észlelés: +0:00:15
  • Az oltási folyamat befejezése: +0:02:31
  • Nem észleltek visszagyulladást: > 120 perc
  • Fennmaradt aktív cellák: >20 *
  • Eredmény: átment

3. vizsgálat

  • 9 literes tűzoltó készülék
  • Vizsgálati elrendezés: 7 zseb
  • A báb-cella felmelegítésének kezdete: 00:00:00
  • A túlmelegedés kezdete: +0:15:37
  • Lángészlelés: +0:00:00
  • Tűzoltás kezdete: +0:00:06
  • Már nincs láng észlelés: +0:00:05
  • Az oltási folyamat befejezése: +0:02:17
  • Nem észleltek visszagyulladást: > 120 perc
  • Fennmaradt aktív cellák: 4*
  • Eredmény: átment

A teszteredmények a lítiumion-akkumulátorok tényleges oltását bizonyítják

A GLORIA tűzoltó készülékekkel végzett tűzvizsgálatokból és azok eredményeiből a következő következtetések vonhatók le:

A leírt tűzvizsgálatokban használt mindkét tűzoltó készülék (GLORIA WKL6P és WKL9P) bizonyítja, hogy egy lítiumion-akkumulátor tüzét meg lehet állítani egy vízzel oltó tűzoltó készülékkel.

A vizsgálati eredmények azt is mutatják, hogy ennek a két tűzoltó készüléknek a használata közvetlen hatással van a tűz fejlődésére ebben a tűzvizsgálati beállításban, amelyben a lángjelenségeket azonnal el lehetett fojtani. Továbbá a két tűzoltó készülék használata után ebben a vizsgálati elrendezésben nem történt lítiumion-akkumulátor visszagyulladás, ami a következő következtetésre ad lehetőséget:

  • Mindkét tűzoltó készülék hatékonyan el tud oltani egy ennek a vizsgálati elrendezésnek megfelelő lítiumion tüzet. A vizsgálati elrendezés oltása során megfigyelt állandó hőmérsékletesés a lítiumion-akkumulátorokat az újragyulladást lehetővé tevő hőmérséklet alá csökkenti.
  • Mindkét GLORIA WKL modell karbantartásbarát patronos készülék, és az EN 3 szerinti engedély révén a klasszikus A osztályú tüzek oltására is használható.

GLORIA WKL6P és WKL9P tűzoltó készülék (Fénykép: GLORIA)

Megjegyzés

A GLORIA WKL 6 P-vel végzett teszt 49 x Li-Ion 18650 3,2 Ah = 156,8 Ah x 4,1 Volt = 642,88 Wh elrendezésen történt.

A GLORIA WKL 9 P-vel végzett teszt 98 x Li-Ion 18650 3,2 Ah = 313,6 Ah x 4,1 Volt = 1285,76 Wh és egy 7 x 100 Wh LiCo/NMC-akkuk* = 700 Wh elrendezésen történt.

A szerző, Jürgen Petermann, a GLORIA GmbH termékmenedzsere és műszaki vezetője, aki több mint 25 éves tapasztalattal rendelkezik a megelőző tűzvédelem területén.

*Li-Co/NMC akkuk:

Nagy energiasűrűségű, nagy áramú akkumulátorok, eredetileg lítium-kobalt-dioxid elektródával, ma már vegyes oxid (lítium-nikkel-mangán-kobalt-oxid vagy NMC) akkumulátorok.

Vissza

Ezt a hírt eddig 1261 látogató olvasta.