Compartimentação térmica em sistemas de armazenamento em baterias: materiais refratários contra a fuga térmica

Uma fuga térmica (thermal runaway) começa numa única célula: devido a um curto-circuito interno, a danos mecânicos, a sobrecarga ou a um defeito de fabrico, a temperatura da célula sobe até ao ponto em que a decomposição do eletrólito se acelera por si própria. Em poucos segundos geram-se várias centenas de graus Celsius, gases inflamáveis (hidrogénio, monóxido de carbono, hidrocarbonetos) e um jato de partículas incandescentes. Neste estado, a célula já não pode ser extinta: a reação prossegue até a energia armazenada se esgotar.

O perigo para a instalação não é a célula isolada, mas sim a propagação: o calor da primeira célula aquece as células vizinhas até que também nelas o limiar seja ultrapassado. Sem compartimentação, a reação em cadeia percorre o módulo, o rack e, por fim, o contentor. Cada nível que atrasa a transmissão em alguns minutos dá tempo ao sistema de gestão da bateria para desligar, à extração de gases para ventilar e aos bombeiros para chegarem.

• Nível da célula: temperaturas na superfície da célula acima de 600 °C, jato de partículas acima de 1 000 °C
• Nível do módulo: libertação de várias centenas de litros de gás por kWh, aumento de pressão no invólucro
• Nível do rack e do contentor: acresce a carga de incêndio de plásticos, cabos e eletrónica
• Janela temporal: sem barreira, a propagação entre células vizinhas ocorre tipicamente em minutos; com uma barreira eficaz, é consideravelmente retardada ou interrompida

Na Alemanha não existe uma lei única e exaustiva para os sistemas estacionários de armazenamento em baterias: os requisitos resultam de normas de produto, métodos de ensaio, diretrizes das seguradoras e da legislação da construção. Para a seleção de materiais no contentor, são sobretudo determinantes os métodos de ensaio com os quais se comprova a segurança contra a propagação.

A UL 9540A é o método de ensaio difundido a nível internacional que analisa a propagação de uma fuga térmica por etapas, ao nível da célula, do módulo, da unidade e da instalação. Muitos concursos e seguradoras exigem hoje um relatório UL 9540A; as temperaturas e os tempos nele documentados são os dados de entrada para o dimensionamento da compartimentação. A NFPA 855, enquanto norma de instalação, regula distâncias, compartimentos corta-fogo e conceitos de extinção e ventilação. Na Europa, a IEC 62933-5-2 descreve os requisitos de segurança para sistemas de armazenamento eletroquímico ligados à rede. A diretriz VdS 3103 resume as expectativas das seguradoras alemãs de danos patrimoniais relativamente aos sistemas de armazenamento de iões de lítio.

Aos próprios materiais refratários aplicam-se as classificações segundo a DIN EN 13501-1 (reação ao fogo, classe A1 para produtos incombustíveis) e os ensaios de resistência ao fogo segundo a DIN EN 1363 e a DIN EN 1364. No caso dos materiais fibrosos, acresce a segurança no trabalho: a lã de silicato de alumínio (ASW) está sujeita à TRGS 558 (regra técnica alemã para trabalhos com lãs de alta temperatura), a lã AES biossolúvel não. É um ponto que, nos sistemas de armazenamento em baterias, é quase sempre decisivo.

Uma compartimentação eficaz segue a estrutura do sistema de armazenamento de dentro para fora. Cada nível tem uma função própria, uma carga térmica própria e, por isso, um material próprio adequado. Quem aplica o mesmo material em todos os níveis paga demasiado ou protege de forma insuficiente o ponto crítico.

• Célula–célula: camadas intermédias finas de 1 a 3 mm que retardam a transferência de calor para a célula vizinha, em papel de fibra cerâmica de qualidade biossolúvel ou laminados microporosos; o decisivo é a espessura reduzida e a baixa condutibilidade térmica a alta temperatura
• Módulo–módulo: placas de 5 a 25 mm entre os módulos no rack; placas microporosas, com o maior efeito isolante por milímetro, onde o espaço é escasso; placas de silicato de cálcio, onde é também necessária resistência à compressão
• Rack–rack e rack–parede: paredes divisórias e revestimentos com resistência ao fogo, em placas de silicato de cálcio ou de fibra em várias camadas, com juntas desencontradas e ligações vedadas com cordão de fibra
• Revestimento interior do contentor: revestimento de paredes e teto em manta ou placa de fibra biossolúvel, que mantém a carcaça de aço abaixo da temperatura crítica e impede a propagação do incêndio aos contentores vizinhos

A isto acrescem os atravessamentos: cabos, tubagens de refrigeração, barramentos (busbars) e aberturas de ventilação atravessam todos os níveis. Uma parede divisória vale o que vale o seu atravessamento mais fraco; aqui, os cordões de fibra, as juntas de papel e as mangas corta-fogo passam a fazer parte do conceito e não são meros acessórios.

No forno industrial, é a temperatura que determina o material. No sistema de armazenamento em baterias acrescem três requisitos que condicionam mais a seleção: o espaço disponível, a segurança no trabalho e a lista de materiais do cliente.

A lã AES biossolúvel (SOLUT BW Blanket, BW Board, BW Paper) está isenta da classificação como cancerígena ao abrigo da nota Q do Regulamento CLP e não está abrangida pela TRGS 558. Para os fabricantes de sistemas de armazenamento, isto significa: sem categorias de exposição na montagem, sem obrigação de rotulagem no produto e sem notificação de SVHC ao abrigo do artigo 33.º do REACH. Com uma temperatura de classificação de 1 200 °C, cobre as temperaturas que ocorrem nas paredes e no teto durante uma fuga térmica. O seu limite prático de utilização contínua, abaixo de cerca de 900 °C, não é relevante neste caso: a situação de carga é um evento de minutos e não um funcionamento contínuo.

As placas microporosas (SOLUT MP Board) oferecem a mais baixa condutibilidade térmica de todos os isolantes, cerca de 0,02 a 0,03 W/mK a 200–400 °C, e, por conseguinte, o maior efeito de barreira por milímetro. São o material de eleição entre módulos, onde cada milímetro de espaço custa densidade energética. Não contêm fibras, são incombustíveis (A1) e podem ser fornecidas revestidas com folha de alumínio, tecido de vidro ou película de PE, para não libertarem pó durante o manuseamento.

As placas de silicato de cálcio (SOLUT CAL Board) aplicam-se onde a barreira tem de suportar cargas: sob os racks, como parede divisória com fixações, como base de apoio para componentes. Resistências à compressão de 13 a 27 N/mm² com uma temperatura de classificação de 1 000 °C, sem fibras e trabalháveis com ferramentas para madeira.

• Camadas intermédias entre células: SOLUT BW Paper 1–3 mm ou laminado microporoso
• Separação de módulos: SOLUT MP Board 5–25 mm, revestida
• Paredes divisórias estruturais e bases de apoio: SOLUT CAL Board 12,7–50 mm
• Revestimento de paredes e teto do contentor: SOLUT BW Blanket 25–50 mm ou BW Board
• Atravessamentos e juntas: cordão de fibra e BW Paper, combinados com sistemas de selagem homologados nos compartimentos corta-fogo

A tabela seguinte compara os quatro principais materiais de barreira, com os valores característicos que são realmente decisivos num sistema de armazenamento: condutibilidade térmica em caso de evento, espaço necessário, resistência mecânica e estatuto regulamentar.

A melhor seleção de materiais de nada serve se a barreira tiver falhas. Das nossas montagens conhecemos quatro pontos fracos recorrentes: juntas de topo abertas entre placas, atravessamentos não vedados, fixações de aço que atravessam o isolamento como ponte térmica e camadas isolantes esmagadas durante a montagem, que assim perdem espessura e efeito isolante.

• Desencontrar as juntas das placas em duas camadas ou executá-las com macho e fêmea; em camada única, reforçar as juntas de topo por trás com cordão de fibra
• Desenhar cada atravessamento como pormenor próprio: cordão, papel ou manga, com um comprimento de vedação pelo menos igual à espessura da placa
• Separar termicamente as fixações, com ancoragens cerâmicas ou de aço inoxidável com base isolante em vez de parafusos de aço passantes
• Verificar a espessura do isolamento no estado montado e não no estado de fornecimento; documentar o aperto e a compressão
• Avaliar os revestimentos e as películas na face exposta ao evento: protegem durante o manuseamento, mas não contribuem em caso de incêndio

A comprovação faz-se em duas etapas: os valores característicos dos materiais provêm das fichas técnicas e das classificações de reação ao fogo; o efeito de barreira do sistema resulta de um ensaio de propagação ao nível do módulo ou da unidade, de preferência segundo a UL 9540A, porque os resultados passam então a ser utilizáveis também por seguradoras e entidades licenciadoras. Fornecemos os dados dos materiais e acompanhamos o fabrico dos provetes, para que o sistema ensaiado corresponda ao que será montado posteriormente.

A maioria dos atrasos em projetos de armazenamento não surge na montagem, mas antes dela, por faltarem as bases no momento de comparar propostas. Estes doze pontos devem estar esclarecidos antes de enviar o primeiro pedido:

• Existem relatórios UL 9540A do fornecedor das células/módulos ao nível do módulo e da unidade? Que temperaturas e tempos foram medidos?
• O objetivo de proteção está definido: impedir a propagação célula–célula, retardar a propagação módulo–módulo ou apenas separar contentor–contentor?
• O orçamento de espaço está definido para cada nível (mm entre células, módulos, racks)?
• Foram obtidos os requisitos da seguradora (VdS 3103 e eventuais exigências próprias)?
• A reação ao fogo dos materiais é exigida como classe A1 segundo a DIN EN 13501-1?
• É exigida uma lista de materiais sem fibras, ou a fibra biossolúvel (nota Q) é admissível?
• Os atravessamentos foram contabilizados e foi definido um pormenor de vedação por tipo (cabo, tubagem de refrigeração, barramento, ventilação)?
• O conceito de fixação foi planeado sem pontes térmicas passantes?
• A compressão das camadas isolantes na montagem foi calculada? Qual é a espessura no estado montado?
• Foram previstos provetes para o ensaio de propagação (material, data, laboratório de ensaio)?
• Produção em série: corte como kit ou peças individuais? Tolerâncias definidas?
• Conceito de desmontagem e de peças de substituição: como é restabelecida uma barreira após uma intervenção de manutenção?

Em funcionamento normal, uma barreira térmica não trabalha: espera. É precisamente por isso que é facilmente danificada durante a manutenção e as modificações: as placas são retiradas para dar acesso e recolocadas de forma incompleta, as vedações dos atravessamentos perdem-se na substituição de cabos, as camadas isolantes são esmagadas por componentes instalados posteriormente. Por isso, a documentação de manutenção deve incluir um plano de compartimentação que identifique cada barreira, cada atravessamento e cada vedação.

• Após cada intervenção: inspeção visual da barreira afetada face ao plano de compartimentação, com fotografia arquivada no processo
• Anualmente: verificação por amostragem das vedações dos atravessamentos e da compressão das camadas isolantes
• Após um evento térmico: renovar integralmente as barreiras afetadas; também a lã biossolúvel e as placas microporosas perdem as suas propriedades após a passagem da temperatura
• Na desmontagem: separar os materiais de acordo com a rotulagem; os materiais biossolúveis e sem fibras não são resíduos perigosos, o material de ASW usado corresponde ao código LER 170603*