Odvod plynů a ochrana proti deflagraci: NFPA 68/69 a důsledky pro obložení

Při tepelném lavinovém jevu (thermal runaway) uvolňují bateriové články hořlavou plynnou směs — v podstatě vodík, oxid uhelnatý, oxid uhličitý a uhlovodíky jako metan a etylen. V uzavřených kontejnerech a bateriových místnostech se tato směs může obohacovat, dokud zápalný zdroj nevyvolá deflagraci. Několik závažných událostí posledních let, i se zraněnými zasahujícími hasiči, nevzešlo z požáru samotného, nýbrž z výbuchu nahromaděného ventilovaného plynu.

Odborná veřejnost rozlišuje dva scénáře: promptní deflagraci, při níž se plyn vznítí krátce po ventingu, a opožděnou deflagraci, při níž se plyn hromadí po minuty nebo hodiny, než se vznítí. Ta druhá vytváří podstatně vyšší tlaky — a čistě pasivními opatřeními je jen stěží zvládnutelná. NFPA 855 proto pro lithium-iontová úložiště vyžaduje řešení protivýbuchové ochrany: odlehčení výbuchu podle NFPA 68 a/nebo prevenci výbuchu podle NFPA 69.

NFPA 68 upravuje odlehčení výbuchového tlaku při deflagraci: průtržné plochy, klapky nebo lehké panely se otevřou při definovaném otevíracím tlaku a odvedou tlakovou vlnu a plameny řízeně ven. Odlehčovací plochy se dimenzují na základě vlastností plynu — maximálního výbuchového tlaku, rychlosti hoření a mezí výbušnosti ventilovaného plynu, jak je poskytuje zpráva UL 9540A na úrovni článku — a dále na základě tlakové odolnosti pouzdra (redukovaný maximální tlak, který musí opláštění vydržet).

• Podkladem návrhu jsou skutečné plynové charakteristiky ze zprávy UL 9540A, nikoli generické předpoklady
• Konstrukce opláštění musí odolat zbývajícímu redukovanému výbuchovému tlaku
• Před odlehčovacími otvory je nutné dodržet volné plochy — tam uniká tlak, plameny a úlomky
• Pasivní odlehčení výbuchu působí spolehlivě především proti promptním deflagracím

NFPA 69 nastupuje před vznícením: detekce plynů a nucené větrání udržují koncentraci hořlavých plynů trvale pod 25 procenty dolní meze výbušnosti (LFL). Jako návrhová orientační hodnota pro bateriové místnosti se etablovala vzduchotechnická výkonnost nejméně 1 cfm na čtvereční stopu půdorysné plochy (přibližně 5,1 l/s na m²), navržená na nejnepříznivější událost ze zkušební zprávy. Protože nejkritičtější složkou je vodík s LFL kolem 4 objemových procent, je účelné navrhnout detekci právě na vodík jako vůdčí veličinu.

V praxi se oba standardy kombinují: větrání a detekce podle NFPA 69 zabrání nahromadění plynu, odlehčovací plochy podle NFPA 68 zachytí zbytkové riziko promptního vznícení. Tato obrana do hloubky chrání nejen zařízení, nýbrž především zasahující jednotky, které musí v případě události k pouzdru přistoupit.

Pro vnitřní obložení kontejnerů a bateriových místností vyplývají z protivýbuchové ochrany konkrétní konstrukční pravidla, která jdou nad rámec klasické požární ochrany. Izolace, která v případě požáru dokonale odcloní, se může v případě deflagrace stát problémem — pokud blokuje odlehčovací plochy, pod tlakem se odtrhne nebo vytvoří dutiny, v nichž se hromadí plyn.

• Odlehčovací plochy a cesty odvodu plynů zcela ponechat volné, bez izolačních a obkladových vrstev
• Obložení mechanicky upevnit tak, aby odolalo tlakovému rázu a nevedlo k odletu úlomků
• Volit uzavřené, nehořlavé povrchy; žádné otevřené dutiny a nevětrané stinné zóny
• Cesty odvodu horkých ventilovaných plynů vyložit teplotně odolnými materiály — teploty plynů mohou podle chemie článku dosáhnout několika set stupňů
• Prostupy pro větrání, detekci a kabely utěsnit plyno- a kouřotěsně, aniž by byla omezena odlehčovací funkce

Požární ochrana a protivýbuchová ochrana proto musí být projektovány společně: obložení je součástí obou systémů. Kdo navrhuje tepelné oddělení, aniž zná odváděcí cesty, otevírací tlaky a koncepci větrání, riskuje, že se ochranné systémy navzájem znehodnotí — v nejhorším případě bariérou, která udrží požár, ale zesílí výbuch.