Thermische afscherming in batterijopslagsystemen: vuurvaste materialen tegen thermal runaway

Een thermal runaway begint in één enkele cel: door een interne kortsluiting, mechanische beschadiging, overlading of een fabricagefout stijgt de celtemperatuur zo ver dat de ontleding van het elektrolyt zichzelf versnelt. Binnen enkele seconden ontstaan temperaturen van meerdere honderden graden Celsius, brandbare gassen (waterstof, koolmonoxide, koolwaterstoffen) en een jet van hete deeltjes. De cel zelf is in deze toestand niet meer te blussen — de reactie loopt door tot de opgeslagen energie is verbruikt.

Gevaarlijk voor de installatie is niet die ene cel, maar de propagatie: de warmte van de eerste cel verhit de naburige cellen tot ook daar de drempel wordt overschreden. Zonder thermische afscherming loopt de keten door de module, het rack en uiteindelijk de container. Elke stap die de overdracht met minuten vertraagt, geeft het batterijmanagementsysteem tijd om af te schakelen, de gasafvoer tijd om te ontluchten en de brandweer tijd om ter plaatse te komen.

• Celniveau: temperaturen aan het celoppervlak boven 600 °C, deeltjesjet tot boven 1000 °C
• Moduleniveau: gasvrijgave van meerdere honderden liters per kWh, drukopbouw in de behuizing
• Rack- en containerniveau: brandlast van kunststoffen, kabels en elektronica komt erbij
• Tijdvenster: propagatie tussen naburige cellen zonder barrière typisch binnen minuten, met een effectieve barrière aanzienlijk vertraagd of onderbroken

Voor stationaire batterijopslagsystemen bestaat in Duitsland geen enkele, allesomvattende wet — de eisen zijn samengesteld uit productnormen, beproevingsmethoden, richtlijnen van verzekeraars en het bouwrecht. Voor de materiaalkeuze in de container zijn vooral de beproevingsmethoden bepalend waarmee de propagatieveiligheid wordt aangetoond.

UL 9540A is de internationaal gangbare beproevingsmethode die de propagatie van een thermal runaway stapsgewijs op cel-, module-, eenheids- en installatieniveau onderzoekt. Veel aanbestedingen en verzekeraars eisen tegenwoordig een UL 9540A-rapport; de daarin gedocumenteerde temperaturen en tijden zijn de invoergrootheden voor het ontwerp van de thermische afscherming. NFPA 855 regelt als installatienorm afstanden, brandcompartimenten en blus- en ontluchtingsconcepten. In Europa beschrijft IEC 62933-5-2 de veiligheidseisen voor elektrochemische opslagsystemen in het net. De VdS-richtlijn 3103 vat de verwachtingen van de Duitse schadeverzekeraars ten aanzien van lithium-ion-opslagsystemen samen.

Voor de vuurvaste materialen zelf gelden de classificaties volgens DIN EN 13501-1 (brandgedrag, klasse A1 voor onbrandbare producten) en de brandwerendheidsproeven volgens DIN EN 1363 en DIN EN 1364. Voor vezelmaterialen komt de arbeidsveiligheid erbij: aluminiumsilicaatwol (ASW) valt onder de Duitse technische regel TRGS 558, biologisch oplosbare AES-wol niet — een punt dat bij batterijopslagsystemen vrijwel altijd de doorslag geeft.

Een effectieve thermische afscherming volgt de opbouw van het opslagsysteem van binnen naar buiten. Elk niveau heeft een eigen taak, een eigen temperatuurbelasting en daarmee een eigen passend materiaal. Wie op alle niveaus hetzelfde materiaal inbouwt, betaalt ofwel te veel of beschermt op de kritieke plek te weinig.

• Cel–cel: dunne tussenlagen van 1 tot 3 mm die de warmteoverdracht naar de naburige cel vertragen — keramisch vezelpapier in biologisch oplosbare kwaliteit of microporeuze folielaminaten; bepalend zijn geringe dikte en lage warmtegeleidbaarheid bij hoge temperatuur
• Module–module: platen van 5 tot 25 mm tussen de modules in het rack — microporeuze platen met de hoogste isolatiewerking per millimeter waar de inbouwruimte krap is; calciumsilicaatplaten waar bovendien druksterkte nodig is
• Rack–rack en rack–wand: scheidingswanden en bekledingen met brandwerendheid — calciumsilicaat- of vezelplaten in lagen, voegen verspringend, aansluitingen afgedicht met vezelkoord
• Binnenbekleding container: wand- en plafondbekleding van biologisch oplosbare vezeldeken of -plaat die de stalen mantel onder de kritieke temperatuur houdt en brandoverslag naar naburige containers voorkomt

Daar komen de doorvoeringen bij: kabels, koelleidingen, busbars en ventilatieopeningen doorsnijden elk niveau. Een scheidingswand is slechts zo goed als haar zwakste doorvoering — hier worden vezelkoorden, papierafdichtingen en brandmanchetten onderdeel van het concept, niet van het toebehoren.

In de industriële oven bepaalt de temperatuur het materiaal. In het batterijopslagsysteem komen drie eisen bij die de keuze sterker sturen: de inbouwruimte, de arbeidsveiligheid en de stuklijst van de klant.

Biologisch oplosbare AES-wol (SOLUT BW Blanket, BW Board, BW Paper) is volgens noot Q van de CLP-verordening vrijgesteld van de indeling als kankerverwekkend en valt niet onder de Duitse technische regel TRGS 558. Voor fabrikanten van opslagsystemen betekent dat: geen blootstellingscategorieën bij de montage, geen etiketteringsplicht in het product, geen SVHC-melding volgens REACH art. 33. Met een classificatietemperatuur van 1200 °C dekt zij de bij een thermal runaway optredende temperaturen aan wand en plafond af. Haar praktische continugrens onder circa 900 °C speelt hier geen rol — het belastingsgeval is een incident van minuten, geen continubedrijf.

Microporeuze platen (SOLUT MP Board) bieden de laagste warmtegeleidbaarheid van alle isolatiematerialen — rond 0,02 tot 0,03 W/mK bij 200 tot 400 °C — en daarmee de grootste barrièrewerking per millimeter. Dat is het materiaal bij uitstek tussen modules, waar elke millimeter inbouwruimte energiedichtheid kost. Ze zijn vezelvrij, onbrandbaar (A1) en leverbaar met een cachering van aluminiumfolie, glasweefsel of PE-folie, zodat ze bij het hanteren niet stuiven.

Calciumsilicaatplaten (SOLUT CAL Board) komen daar waar de barrière moet dragen: onder racks, als scheidingswand met bevestigingen, als ondergrond voor componenten. Druksterkten van 13 tot 27 N/mm² bij 1000 °C classificatietemperatuur, vezelvrij en te bewerken met houtbewerkingsgereedschap.

• Tussenlagen tussen cellen: SOLUT BW Paper 1–3 mm of microporeus laminaat
• Modulescheiding: SOLUT MP Board 5–25 mm, gecacheerd
• Dragende scheidingswanden en ondergronden: SOLUT CAL Board 12,7–50 mm
• Wand- en plafondbekleding container: SOLUT BW Blanket 25–50 mm of BW Board
• Doorvoeringen en voegen: vezelkoord en BW Paper, bij brandcompartimenten gecombineerd met toegelaten afschermingssystemen

Het volgende overzicht zet de vier belangrijkste barrièrematerialen naast elkaar — met de kenwaarden die in het opslagsysteem werkelijk beslissend zijn: warmtegeleidbaarheid bij een incident, benodigde inbouwruimte, mechanische belastbaarheid en regelgevende status.

De beste materiaalkeuze helpt niets als de barrière gaten heeft. Uit onze montages kennen we vier terugkerende zwakke plekken: open stootvoegen tussen platen, niet afgedichte doorvoeringen, stalen bevestigingen die als koudebrug door de isolatie lopen, en isolatielagen die bij het assembleren worden samengedrukt en daardoor hun dikte en isolatiewerking verliezen.

• Plaatstoten in twee lagen laten verspringen of met messing en groef uitvoeren; eenlaagse stootvoegen met vezelkoord onderleggen
• Elke doorvoering als eigen detail tekenen: koord, papier of manchet, afdichtlengte minimaal gelijk aan de plaatdikte
• Bevestigingen thermisch scheiden — keramische of roestvaststalen ankers met onderlegplaat in plaats van doorlopende stalen schroeven
• Isolatiedikte in ingebouwde toestand controleren, niet in leveringstoestand; klemming en compressie documenteren
• Cacheringen en folies aan de naar het incident gekeerde zijde beoordelen: ze beschermen bij het hanteren, maar dragen in geval van brand niet bij

Het bewijs verloopt in twee stappen: de materiaalkenmerken komen uit de datasheets en de brandclassificaties, de barrièrewerking van het systeem uit een propagatieproef op module- of eenheidsniveau — bij voorkeur volgens UL 9540A, omdat de resultaten dan ook bruikbaar zijn voor verzekeraars en vergunningverlenende instanties. Wij leveren de materiaalgegevens en begeleiden de fabricage van de proefstukken, zodat het beproefde systeem overeenkomt met wat later wordt ingebouwd.

De meeste vertragingen in opslagprojecten ontstaan niet bij de montage, maar daarvoor — omdat de basisgegevens ontbreken op het moment dat offertes vergeleken moeten worden. Deze twaalf punten horen geregeld te zijn voordat de eerste aanvraag de deur uitgaat:

• UL 9540A-rapporten van de cel-/moduleleverancier op module- en eenheidsniveau beschikbaar? Welke temperaturen en tijden zijn gemeten?
• Beschermingsdoel gedefinieerd: propagatie cel–cel voorkomen, module–module vertragen of alleen container–container scheiden?
• Inbouwruimtebudget per niveau vastgelegd (mm tussen cellen, modules, racks)?
• Eisen van de verzekeraar opgevraagd (VdS 3103, eventueel eigen voorwaarden)?
• Brandgedrag van de materialen geëist als klasse A1 volgens DIN EN 13501-1?
• Vezelvrije stuklijst geëist — of is biologisch oplosbare vezel (noot Q) toegestaan?
• Doorvoeringen geteld en per type een afdichtdetail gedefinieerd (kabel, koelleiding, busbar, ventilatie)?
• Bevestigingsconcept zonder doorlopende koudebruggen gepland?
• Compressie van de isolatielagen bij de assemblage berekend — dikte in ingebouwde toestand?
• Proefstukken voor de propagatieproef ingepland (materiaal, datum, beproevingsinstituut)?
• Serieproductie: op maat gesneden als bouwpakket of als losse delen? Toleranties gedefinieerd?
• Ontmantelings- en reserveonderdelenconcept: hoe wordt een barrière na een onderhoudsingreep hersteld?

Een thermische barrière werkt in normaal bedrijf niet — zij wacht. Juist daarom raakt zij bij onderhoud en ombouw gemakkelijk beschadigd: platen worden voor de toegang uitgebouwd en onvolledig teruggeplaatst, afdichtingen aan doorvoeringen gaan bij het vervangen van kabels verloren, isolatielagen worden door achteraf ingebouwde componenten samengedrukt. In de onderhoudsdocumentatie hoort daarom een afschermingsplan dat elke barrière, elke doorvoering en elke afdichting benoemt.

• Na elke ingreep: visuele controle van de betreffende barrière tegen het afschermingsplan, foto in het dossier
• Jaarlijks: steekproef van de afdichtingen van doorvoeringen en van de compressie van de isolatielagen
• Na een thermisch incident: getroffen barrières volledig vernieuwen — ook biologisch oplosbare wol en microporeuze platen verliezen na temperatuurdoorslag hun eigenschappen
• Bij demontage: materialen volgens etikettering scheiden — biologisch oplosbare en vezelvrije materialen zijn geen gevaarlijk afval, oud ASW-materiaal valt onder afvalcode 170603*