Odprowadzanie gazów i ochrona przed deflagracją: NFPA 68/69 i konsekwencje dla wykładziny

W trakcie niekontrolowanego wzrostu temperatury (thermal runaway) ogniwa bateryjne uwalniają palną mieszaninę gazową — zasadniczo wodór, tlenek węgla, dwutlenek węgla oraz węglowodory takie jak metan i etylen. W zamkniętych kontenerach i pomieszczeniach bateryjnych mieszanina ta może się wzbogacać aż do momentu, w którym źródło zapłonu wywoła deflagrację. Kilka poważnych zdarzeń z ostatnich lat, również z rannymi ratownikami, nie wynikało z samego pożaru, lecz z wybuchu nagromadzonego gazu.

Środowisko branżowe rozróżnia dwa scenariusze: deflagrację natychmiastową, w której gaz zapala się krótko po odgazowaniu, oraz deflagrację opóźnioną, w której gaz gromadzi się przez minuty lub godziny, zanim ulegnie zapłonowi. Ta druga wywołuje znacznie wyższe ciśnienia — i wyłącznie środkami biernymi jest niemal nieopanowana. NFPA 855 wymaga dlatego dla magazynów litowo-jonowych rozwiązania z zakresu ochrony przeciwwybuchowej: odciążenia wybuchowego według NFPA 68 i/lub prewencji wybuchowej według NFPA 69.

NFPA 68 reguluje odciążenie ciśnienia deflagracji: powierzchnie rozrywne, klapy lub panele lekkiej konstrukcji otwierają się przy zdefiniowanym ciśnieniu zadziałania i odprowadzają falę ciśnienia oraz płomienie w sposób kontrolowany na zewnątrz. Powierzchnie odciążające wymiaruje się na podstawie właściwości gazu — maksymalnego ciśnienia wybuchu, prędkości spalania i granic wybuchowości gazu odprowadzanego z ogniwa, tak jak podaje je raport UL 9540A z poziomu ogniwa — oraz wytrzymałości ciśnieniowej obudowy (zredukowanego ciśnienia maksymalnego, które musi przenieść przegroda).

• Podstawą wymiarowania są rzeczywiste parametry gazu z raportu UL 9540A, a nie założenia ogólne
• Konstrukcja przegradzająca musi wytrzymać pozostające zredukowane ciśnienie wybuchu
• Przed otworami odciążającymi należy zachować strefy wolne — tamtędy wydostają się ciśnienie, płomienie i odłamki
• Bierne odciążenie wybuchowe działa niezawodnie przede wszystkim przeciw deflagracjom natychmiastowym

NFPA 69 działa jeszcze przed zapłonem: detekcja gazów i wentylacja mechaniczna utrzymują stężenie gazów palnych trwale poniżej 25 procent dolnej granicy wybuchowości (LFL). Jako wartość orientacyjna dla pomieszczeń bateryjnych ugruntowała się wydajność wentylacji co najmniej 1 cfm na stopę kwadratową powierzchni podłogi (około 5,1 l/s na m²), dobrana na najgorszy scenariusz z raportu badawczego. Ponieważ wodór z LFL na poziomie około 4 procent objętościowych jest składnikiem najbardziej krytycznym, detekcję projektuje się zasadnie na wodór jako wielkość wiodącą.

W praktyce oba standardy stosuje się łącznie: wentylacja i detekcja według NFPA 69 zapobiegają nagromadzeniu gazu, a powierzchnie odciążające według NFPA 68 przechwytują ryzyko resztkowe zapłonu natychmiastowego. Taka obrona w głąb chroni nie tylko instalację, lecz przede wszystkim ratowników, którzy w razie zdarzenia muszą podejść do obudowy.

Dla wykładziny wewnętrznej kontenerów i pomieszczeń bateryjnych z ochrony przeciwwybuchowej wynikają konkretne reguły konstrukcyjne, wykraczające poza klasyczną ochronę przeciwpożarową. Izolacja, która w razie pożaru odgradza doskonale, może stać się problemem w razie deflagracji — jeżeli blokuje powierzchnie odciążające, odspaja się pod ciśnieniem albo tworzy pustki, w których gromadzi się gaz.

• Powierzchnie odciążające i drogi odprowadzania gazu utrzymywać całkowicie wolne od warstw izolacyjnych i okładzinowych
• Wykładziny mocować mechanicznie tak, aby wytrzymały uderzenie ciśnienia i nie prowadziły do wyrzutu odłamków
• Wybierać zamknięte, niepalne powierzchnie; żadnych otwartych pustek i stref martwych bez przewietrzania
• Ścieżki odprowadzania gorących gazów wykładać materiałami odpornymi na temperaturę — temperatury gazu mogą, zależnie od chemii ogniwa, sięgać kilkuset stopni
• Przepusty dla wentylacji, detekcji i kabli uszczelniać gazo- i dymoszczelnie, nie utrudniając przy tym funkcji odciążającej

Ochronę przeciwpożarową i przeciwwybuchową należy zatem projektować wspólnie: wykładzina jest częścią obu systemów. Kto projektuje separację termiczną, nie znając ścieżek odprowadzania gazu, ciśnień zadziałania i koncepcji wentylacji, ryzykuje wzajemne unieważnienie systemów ochronnych — w najgorszym przypadku barierę, która utrzyma pożar, ale wzmocni wybuch.