Detektory wczesnego wykrywania gazów z uszkodzenia baterii Li-Ion.
Monitorowanie oparów "off gas" rozkładu termicznego "thermal runaway" w litowo-jonowych magazynach energii BESS.

Wczesna detekcja uszkodzenia baterii Li-Ion jest możliwa przy użyciu specjalnych detektorów gazów1. Magazyny energii BESS (ang. Battery Energy Storage System) są w wielu wypadkach budowane w oparciu o baterie litowo-jonowe. Dobre parametry tych kosztownych akumulatorów przysłania ryzyko gwałtownego i samopodtrzymującego się pożaru mogącego powstać wskutek wewnętrznego uszkodzenia ogniwa (warunki magazynu wykluczają raczej uszkodzenia mechaniczne lub zbyt wysoką temperaturę). Przy dużym skupieniu wielu ogniw pożar pojedynczej baterii Li-Ion może prowadzić do ogromnych strat i utraty części lub całego magazynu energii BESS. Wczesne wykrywanie usterki baterii litowo-jonowych jest więc kluczowe dla każdej inwestycji w magazyny energii. Dostępne technologie badania temperatury, parametrów elektrycznych czy nawet detekcji % DGW wodoru nie są efektywne ponieważ wykrycie usterki akumulatora Li-Ion następuje zbyt późno i proces jest nieodwracalny. Techniki gaszenia, czy raczej ograniczania rozprzestrzeniania się pożaru tym bardziej są już etapem ograniczania szkód. Zatrzymanie procesu i uniknięcie pożaru magazynu energii jest możliwe, jednak trzeba odpowiednio wcześnie wykryć uszkodzenie baterii Li-Ion i odłączyć jej zasilanie. Za doprowadzenie do pożaru ogniwa Li-Ion odpowiada proces rozkładu termicznego baterii litowo-jonowej (ang. thermal runaway).

Na początku całość odbywa się wewnątrz ogniwa gdzie temperatura stopniowo rośnie wywołując kolejne reakcje chemiczne, aż w końcu cały proces osiąga punkt, w którym sam się podtrzymuje i odłączenie takiej baterii od zasilania nic nie daje. Zanim jednak dojdzie do pożaru można wyróżnić proces emisji gazów (ang. off gas), podczas którego ogniwo litowo-jonowe uwalnia różne związki chemiczne w formie gazowej. Jednym z nich jest wspomniany wodór, który stanowi poważne zagrożenie dla akcji ratowniczej. W trakcie pożaru magazynu energii ilość emitowanego wodoru może być duża i przy doprowadzeniu świeżego powietrza z zewnątrz (np. podczas otwarcia drzwi przez strażaków) może dojść do wybuchu. Stąd standardy takie jak FM DS 5-33 Lithium-Ion Battery Energy Storage Systems czy NFPA 855 Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems rekomendują instalację odpowiednich detektorów uruchamiających wentylację mechaniczną. Niestety emisja wodoru pojawia się już w późnym stadium procesu thermal runaway i odcięcie zasilania nie powstrzyma już procesu dążącego do pożaru. Na wczesnym etapie usterki baterii Li-Ion w trakcie procesu uwalniania gazów off gas pojawiają się między innymi opary rozpuszczalników obecnych w elektrolicie takich jak węglan dimetylu (DMC) oraz węglan metylu lub inaczej węglan etylometylowy (EMC)2. Jeżeli zostaną wcześnie wykryte i bateria zostanie odłączona to proces może zostać przerwany zanim osiągnie temperaturę, w której nie dałoby się go powstrzymać. Obie substancje w zakresie chemicznym3 są lotnymi związkami organicznymi (ang. Volatile Organic Compounds - VOC) i detekcja takich związków jest zalecana w standardzie FM DS 5-33 Lithium-Ion Battery Energy Storage Systems pkt. 3.4.2.2 Off-Gas Detection.

Proces thermal runaway nie jest jednakowy. Może różnić się w zależności od typu baterii litowo-jonowej, jej stanu/wieku, ale także od jej stopnia naładowania SOC (ang. State Of Charge)4. Różnice objawiają się między innymi w emisji gazów, a tym samym dobrze, aby detektor mógł reagować na szersze spektrum (w tym na CO2 i H2). Tego typu detektory wczesnych objawów uszkodzenia baterii Li-Ion są doskonałym uzupełnieniem systemu nadzorowania baterii i systemu ochrony pożarowej.

MSR PolyGard2 MPS DMC to unikatowy detektor umożliwiający wczesne wykrycie objawów uszkodzenia baterii Li-Ion poprzez wykrywanie obecności głównych gazów5 dzięki technologii MPSTM (ang. Molecular Property Spectrometr - spektrometr właściwości molekularnych). Odpowiednio umieszczone w szafie oraz w pomieszczeniu czujniki MSR PolyGard2 MPS DMC mają szansę na wczesne wykrycie nie tylko obecności oparów DMC i EMC, ale także rosnącego w kolejnych etapach stężenia CO2 oraz H2 co daje duże prawdopodobieństwo odcięcia zasilania danej sekcji akumulatorów litowo-jonowych zanim proces thermal runaway osiągnie punkt krytyczny. Istnieje możliwość zastosowania detektora 2 sensorowego (2-gazowego) MSR PolyGard2 DMC H2(ppm), który dodatkowo może realizować pomiar wodoru o wysokiej czułości na poziomie ppm (ang. parts per milion).6 Z kolei opcja sensora montowanego w szafie z panelem montowanym na obudowie szafy wyposażonym w wyświetlacz zmiennokolorowy i zintegrowaną sygnalizację optyczno-akustyczną WAO, daje dodatkową możliwość łatwej identyfikacji.
Poniżej zamieszczamy materiały projektowo-informacyjne detekcji gazów dla magazynów energii BESS:
Sprawdź powiązane przepisy w zakładce: REGULACJE PRAWNE W ZAKRESIE SYSTEMÓW DETEKCJI I DETEKTORÓW GAZÓW

Zagrożenia gazowe w magazynach energii BESS:
- węglan dimetylu (DMC)
- węglan metylu (EMC)
- wodór (H2)
- ditlenek węgla (CO2)
SYSTEMY DETEKCJI GAZU Z CENTRALĄ
Centrala Gas Controller 06 GC-06



Cyfrowa centrala Gas Controller 06 (GC06) jest nowoczesną jednostką sterującą systemu detekcji gazów MSR PolyGard2 stosowanego do ochrony gazowej obiektów różnego typu. Centrala przy kompaktowej konstrukcji (6 segmentów na szynę 35mm) zapewnia ogromne możliwości konfiguracyjne od małych 1 detektorowych systemów, aż do rozbudowanych systemów o wielu strefach. Połaczono komfort i prostotę użytkowania ze spełnieniem surowych norm bezpieczeństwa PN-EN 50271 (dla systemów wykorzystujących techniki cyfrowe), PN-EN 50545-1 (dla systemów detekcji w halach garażowych i tunelach) oraz wysokiego stopnia bezpieczeństwa przemysłowego SIL2.
Centrala GC06 oferuje standardową funkcjonalność jak i różne opcje dodatkowe w zależności od potrzeb danej instalacji i obiektu.
Standardowe wyposażenie obejmuje:
Obsługę do 96 detektorów cyfrowych PolyGard2 przy użyciu bezpiecznej komunikacji cyfrowej RS-485 oraz do 4 detektorów analogowych przy wykorzystaniu standardu analogowego 4-20mA.
Każdy podłączony detektor może wykrywać dowolny z ponad 50 dostępnych gazów lub dodatkowe detektory temperatury lub wilgotności (dostępne są także detektory 2- i 3-gazowe). Centrala zapewnia dla każdego detektora/gazu 4 prgramowalne progi alarmowe, które mogą uruchamiać dowolne 4 programowalne wyjścia stykowe. Progi alarmowe mogą być ustawiane na wzrost, spadek lub wzrost i spadek stężenia danego gazu, a dzięki prowadzonemu równolegle pomiarowi chwilowemu i średniej ważonej każdy próg może być ustawiony jako chwilowy - CV lub jako średnia ważona - AV. To ważny paramtr przy pomiarach gazów toksycznych dla których niskie wartości wymienione w przepisach o najwyższych dopuszczalnych stężeniach (NDS, NDSCh) są podawane jako wartości średnie, a jednocześnie wysokich wartości podawanych jako chwilowe (np. NDSP), które nie powinny być przekraczane.

Programowalna struktura pozwala na dowolne dopasowanie poziomów alarmowych (progów) oraz uruchamianie dowolnych wyjść stykowych niezależnie od fizycznej lokalizacji urządzeń. Standardowo centrala wyposażona jest w 4 bezpotencjałowe wyjścia stykowe SPDT (COM/NO/NC) i wyjście stykowe awarii (COM/NC). Wyjścia można nie tylko przypisywać do detektorów, ale także programować ich funkcje (zasilone/niezasilone, statyczne/zmienne, resetowalne/z blokadą, czasowe itd.). Wyświetlacz LCD wyświetla pomiary poszczególnych detektorów (naprzemiennie), a status funkcji sygnalizowanych jest poprzez 4 diody LED (zasilanie, awaria, alarm 1, alarm 2). 6 przyciskowy panel centrali umożliwia poruszanie się po menu oraz podgląd wbudowanej pamięci zdarzeń. Cyfrowa komunikacja to nie tylko wygoda, ale przede wszystkim zaawansowana autodiagnostyka dzięki, której nie trzeba już się domyślać jaka jest przyczyna awarii ponieważ system podaje kody błędów ułatwiając ewentualne czynności serwisowe. Zasilanie dopasowane do powszechnie stosowanych systemów automatyki 24VDC.
Dostępne opcje i rozszerzenia:
Możliwość obsługi do 32 detektorów analogowych (4-20mA) oraz 32 bezpotencjałowych wyjść stykowych (z użyciem modułów wejść/wyjść EP-06), sygnalizacja optyczna zaniku zasilania, moduł pamięci pomiarów z portem USB, wyjście cyfrowe RS485 Modbus RTU dla systemów nadzorczych typu BMS (Building Management System) lub SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), dostępna jest wersja do montażu na drzwiach rozdzielnicy oraz wersja z zasilaniem rezerwowym.
Dokumenty i certyfikaty:
Fotografie oraz kolorystyka urządzeń może odbiegać od przedstawionej.
Detektor PolyGard2



Detektor PolyGard2 to zaawansowane urządzenie wykrywająco-pomiarowe o prostej i przyjaznej budowie zarówno dla użytkownika jak i instalatora. Cyfrowy czujnik gazów PolyGard2 jest częścią systemu MSR PolyGard2 i może być wyposażony w maksymalnie 3 sensory gazów z ponad 50 dostępnych substancji (w tym tzw. sensory wyniesione czyli oddalone na przewodzie od samego detektora). Detektor oferowany jest w wersji podstawowej oraz z licznymi opcjami i dodatkowymi funkcjami.
Budowa detektora i montaż:
Konstrukcja detektora jest modułowa (obudowa, płyta główna i sensor) co umożliwia wymianę dowolnego elementu bez konieczności wymiany całego detektora. Instalatorzy z pewnością docenią liczne ułatwienia montażowe jak możliwość wyboru otworów pod dławnice i sensory co ułatwia montaż detektora w pionie lub poziomie i dopasowanie do obiektu. Wyjmowana płytka zapewnia łatwą pracę z obudową. Kolejne ułatwienia to dwuprzewodowe wkładki do dławnic umożliwiające wejście i wyjście przewodu jedną dławnicą, wtyczki kablowe umożliwiające podłączenie przewodu do wysokiej jakości zacisków śrubowych i możliwość jego podłączania w dowolnym momencie montażu. Możliwość modyfikacji ilości dławnic na obudowie to świetne rozwiązanie gdy potrzebujemy poprowadzić więcej przewodów, podłączamy wyjścia stykowe w detektorze lub inne elementy instalacji.




Cechy fizyczne:
Czujnik PolyGard2 charakteryzuje się wysoką odpornością na warunki zewnętrzne. Posiada stopień ochrony IP64. Istnieje możliwość zastosowania dodatkowej osłony zwiększającej stopień ochrony do IP66. Obudowa wykonana z poliwęglanu posiada uszczelkę, a przewody są wprowadzane za pomocą uszczelniających się dokręcanych dławnic.
Sensory:
Detektor PolyGard2 może mieć wpięte 1, 2 lub 3 sensory. Wymienne sensory w technologii X-Change to kolejne istotne ułatwienie, które pozwala na bezproblemową eksploatację i obniża koszty utrzymania. Dostępne substancje są wyszczególnione w karcie katalogowej.

Parametry pomiarowe:
Każdy sensor posiada indywidualny adres i jego pomiar jest wyświetlany na centrali. Każdy pomiar może być wskazywany jako wartość bieżąca (CV - current value) oraz jako wartość średnia (AV - average value). Wartość średnia jest szczególnie przydatna przy pomiarach gazów toksycznych gdzie oddziaływanie na człowieka, a tym samym wartości przyjęte w przepisach o najwyższych dopuszczalnych stężeniach (NDS, NDSCh) są wyrażane jako średnia ważona. Dla każdego sensora można ustawić 4 progi alarmowe w detektorze (progi mogą być ustawione dowolnie, na wartość chwilową lub na wartość średnią, w tym na spadek stężenia, na wzrost stężenia lub na oba przypadki np. dla detektorów tlenu).
Ważniejsze parametry wersji podstawowej:
- pomiar 1 do 3 gazów
- 4 progi alarmowe
- 2 równoległe pomiary wartość bieżąca (CV - current value) oraz wartość średnia (AV - average value)
- sensory elektrochemiczne, katalityczne, podczerwone, półprzewodnikowe (czynniki chłodnicze - freony)
- spełnia normę PN-EN 50271, PN-EN 50545-1 oraz SIL2
- łatwy montaż z użyciem 1 przewodu
- nowoczesna i bezpieczna komunikacja w standardzie cyfrowym RS-485
- wysoka dokładność i stabilność pomiarów
- wymienny moduł sensora w technologii X-Change
- bardzo wysoka odporność detektora na warunki zewnętrzne IP64 (z dodatkową osłoną IP66)
- łatwy montaż i wymiana dzięki wymiennym elementom i wtyczkom instalacyjnym
Wybrane opcje dodatkowe:
- podłączenie maksymalnie trzech sensorów cyfrowych SC2
- możliwość zamontowania sensora cyfrowego SC2 w odległości do 15 metrów od płyty detektora np. dla obiektów wysokich hal produkcyjnych
- podłączenie maksymalnie jednego sensora SSAX1-1 (przeznaczony do pracy w 1 i 2 strefie zagrożenia wybuchem)
- możliwość zamontowania sensora SSAX1-1 w odległości do 5 metrów od płyty detektora np. zagłębienia i windy pojazdów (Parklift)
- wersja z sygnałem 4-20mA
- wersja z przekaźnikiem (wyjściem stykowym)
- zmiennokolorowy wyświetlacz (normalna praca - zielony; alarm - czerwony)
- wbudowany sygnalizator optyczno-akustyczny
- sonda kanałowa do montażu w kanałach wentylacyjnych
- IP 66 dzięki zastosowaniu nasadek SplashGuard dla sensorów cyfrowych SC2 i sensorów analogowych MC2 oraz sensorów SSAX1-1 przeznaczonych do pracy w pierwszej i drugiej strefie zagrożenia wybuchem.
Dokumenty i certyfikaty:
Fotografie oraz kolorystyka urządzeń może odbiegać od przedstawionej.
DETEKTORY SAMODZIELNE
Samodzielny detektor gazów
PolyGard2 MSC2

Samodzielny detektor PolyGard2 MSC2 to rozwiązanie dedykowane do niewielkich pomieszczeń wymagających lokalnej detekcji gazów i sygnalizacji gdzie nie ma potrzeby stosowania rozbudowanego systemu z centralą. Detektor samodzielny oznacza urządzenie, które łączy w sobie funkcję detekcji i funkcję sterowania innymi urządzeniami (czyli nie potrzebuje dodatkowej centrali lub innych elementów aby działać i chronić pomieszczenie). Cyfrowy czujnik gazów MSC2 może także (opcjonalnie) być podłączony do większego adresowalnego systemu (MSR PolyGard2) lub może wysyłać informacje do systemów nadzoru budynku BMS - (Building Menagement System) lub SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition). Konstrukcja detektora umożliwia podłączenie do 3 sensorów gazów. W zależności od potrzeb możemy jednocześnie podłączyć maksymalnie 2 sensory cyfrowe SC2 (różne gazy) lub maksymalnie 3 sensory analogowe MC2. Instnieje również możliwość podłączenia maksymalnie 1 sensora SSAX1-2 (EX), który jest przeznaczony do pracy w drugiej strefie zagrożenia wybuchem. Każdy z wymienionych sensorów posiada tzw. opcję PolyRange. Opcja ta umożliwia podpięcie sensorów w miejscach trudno dostępnych nawet na odległość 15 metrów od detektora SSAX1-2 IR (EX) do 5 metrów. Przykładowo często spotykane rozwiązanie (sensor gazu lżejszego od powietrza pod sufitem, sensor tlenu wraz z modułem detektora na wysokości głowy człowieka i sensor gazu cięższego przy podłożu). Wielofunkcyjność detektora gazów MSC2 i możliwość dopasowania do wielu obiektów zapewniają liczne możliwości rozszerzeń i opcji.
Cechy montażowe i konstrukcja detektora:
MSC2 to kompaktowe urządzenie z wieloma ułatwieniami montażowymi. Elementem bazowym jest płyta główna, płyta czołowa (w wersji z wyświetlaczem) i obudowa. Demontowalna płyta główna umożliwia praktycznie dowolny montaż dławnic i sensorów zależnie od potrzeb na obiekcie. Płyta czołowa jest przytwierdzona na stałe do obudowy czołowej, ale cała obudowa czołowa także może być zdjęta co upraszcza montaż detektora. Drobne detale jak dławnice z wypełnieniem dla 2 przewodów, czy dobrej jakości zakręcane wtyczki są cechą charakterystyczną wszystkich konstrukcji MSR. Zróżnicowane wtyki dla poszczególnych podzespołów minimalizują ryzyko błędnego podłączenia elementów. Detektor może być wyposażony w wyjścia stykowe, które są zlokalizowane u góry (podobnie jak wejście zasilania) co ułatwia montaż nie wymuszając na instalatorze "obchodzenia" detektora przewodami i wpinania ich od dołu.



Właściwości fizyczne:
MSC2 jest nie tylko funkcjonalny, ale także charakteryzuje się wysoką odpornością o stopniu IP65. Stopień ochrony można opcjonalnie zwiększyć do IP66 stosując nasadkę SplashGuard lub IP69K w obudowie Water Jet Protection. Poliwęglanowa uszczelniona obudowa wraz ze skręcanymi dławnicami zapewniają wymaganą ochronę wnętrza.



Sensory:
Samodzielny detektor gazów MSC2 umożliwia podłączenie 1, 2 lub 3 sensorów zapewniając każdemu z nich indywidualny adres i wskazując ich pomiar naprzemiennie. Moduły sensoryczne wykonane są w technologii X-Change co oznacza, że są wpinane na wtyczkę i mogą być wymieniane samodzielnie przez użytkownika obniżając tym samym koszty eksploatacji i ułatwiając obsługę. Dostępne gazy i opary znajdują się w karcie katalogowej.

Możliwości pomiarowe:
Każdy z sensorów jest identyfikowalny i jego pomiar jest widoczny na wyświetlaczu detektora (naprzemiennie). Jednocześnie dla każdego sensora mogą być prowadzone równolegle 2 pomiary wartości bieżącej (CV - current value) oraz wartości średniej (AV - average value). Ma to szczególne znaczenie w detekcji gazów toksycznych, gdzie istotny jest czas ekspozycji (narażenia) na daną substancję. Wprost określają to obowiązujące regulacje prawne o najwyższych dopuszczalnych stężeniach (NDS, NDSCh), które podają toksyczne właściwości substancji właśnie jako funkcje średniej ważonej (czyli nie chwilowej bieżącej wartości). Każdy sensor może mieć przypisane dowolne 4 progi alarmowe co umożliwia adekwatne dopasowanie reakcji presonelu i urządzeń zabezpieczających (w starych systemach 2 progowych było to znacznie ograniczone do funkcji ostrzeżenie/alarm). Progi mogą być zaprogramowane na wartość chwilową lub na wartość średnią oraz na spadek lub na wzrost (lub na obie funkcje np. w magazynach gazów obojętnych i tlenu).
Funkcje sterownicze i alarmowe:
Detektor samodzielny pełni funkcję zarówno detektora jak i centrali, a więc musi dysponować odpowiednimi możliwościami sterowania. W MSC2 mamy szeroki wachlarz do wyboru. Wyjścia stykowe, wyjście analogowe 4-20mA, sygnalizacja optyczna, sygnalizacja optyczno-akustyczna wewnętrzna (do pomieszczeń), wyjście cyfrowe RS485 Modbus RTU lub DGC Bus dla systemów nadzorczych.
Ważniejsze parametry wersji podstawowej:
- pomiar 1 do 3 gazów
- 4 progi alarmowe
- 2 równoległe pomiary wartość bieżąca (CV - current value) oraz wartość średnia (AV - average value)
- sensory elektrochemiczne, katalityczne, podczerwone, półprzewodnikowe (czynniki chłodnicze - freony)
- spełnia normę EN 50271, EN 50270 typ I, IEC/EN 61508-1-3, EN 45544-1, -3, EN 14624, EN 378, EN 50402 (2015)
- bezpieczeństwo zgodne z SIL2
- nie wymaga centrali
- zmiennokolorowy wyświetlacz LCD (normalna praca - zielony; alarm - czerwony)
- wysoka dokładność i stabilność pomiarów
- wymienny moduł sensora w technologii X-Change
- bardzo wysoka odporność detektora na warunki zewnętrzne IP65 (z dodatkową osłoną IP66)
- łatwy montaż i wymiana dzięki wymiennym elementom i wtyczkom instalacyjnym
- wyjścia sterownicze dla urządzeń zewnętrznych
Wybrane opcje dodatkowe:
- wbudowany sygnalizator optyczno-akustyczny
- nowoczesna i bezpieczna komunikacja w standardzie cyfrowym RS-485
- sensor wyniesiony PolyRange
- sonda kanałowa do montażu w kanałach wentylacyjnych
- sygnalizator akustyczno-optyczny WAO
- stopień ochrony IP66 (nasadka SplashGuard) lub IP69K (obudowa Water Jet Protecion)
Przykładowe zastosowania opcji PolyRange:




Dokumenty i certyfikaty:
Fotografie oraz kolorystyka urządzeń może odbiegać od przedstawionej.
Przypisy i źródła danych:
1 - przed doborem urządzenia detekcyjnego należy zweryfikować typ baterii w zakresie emisji gazów i możliwości ich wykrywania przez detekcję.
2 - Evaluation of combustion properties of vent gases from Li-ion batteries Elna JK. Nilsson, Christian Brackmann, Annika Ahlberg Tidblad, Journal of Power Sources Volume 585, 30 November 2023
3 - DMC w niektórych krajach został zwolniony z wymogów regulacyjnych VOC ze względu na niską szkodliwość dla środowiska. Źródło: https://en.wikipedia.org/wiki/Dimethyl_carbonate
4 - Insights Into Thermal Runaway of Li–Ion Cells by Accelerating Rate Calorimetry Coupled with External Sensors and Online Gas Analysis Dr. Abdelaziz A. Abd-El-Latif, Peter Sichler, Michael Kasper, Dr. Thomas Waldmann, Dr. Margret Wohlfahrt-Mehrens, Batteries & Supercaps published by Wiley-VCH GmbH 24 March 2021
5 - należy pamiętać, że na uszkodzenie baterii Li-Ion może wpływać wiele czynników i różny może być rozwój samego uszkodzenia jak i procesów towarzyszących "thermal runaway", "off gas" oraz różne mogą być warunki panujące na obiekcie. Systemy detekcji i wczesnego ostrzegania wspierają bezpieczeństwo obiektu jednak nie dają gwarancji i nie zastępują prawidłowej obsługi oraz innych systemów bezpieczeństwa (np. systemu sygnalizacji pożaru lub gaszenia).
6 - w systemach detekcji gazów jak i systemach ochrony przeciwpożarowej stopień bezpieczeństwa zależy od wielu czynników w tym od ilości urządzeń pomiarowych oraz ich rozmieszczenia. Przy doborze elementów detekcyjnych zalecamy skorzystanie z usług doświadczonych projektantów oraz przeprowadzenie odpowiednich symulacji i analiz.