Wat is Thermal runaway?

Wat is Thermal runaway precies en waarom zou jij je zorgen moeten maken?

Thermal runaway is een ongecontroleerde, sterk exotherme reactie in lithium-ion batterijcellen, waarbij de warmteproductie groter is dan de warmteafvoer. Hierdoor ontstaat een zichzelf in stand houdende cyclus van oplopende temperaturen. Zodra het proces begint, verspreidt het zich van cel naar cel binnen de batterijmodule en kan uiteindelijk hele batterijpacks of containers aantasten.

De kettingreactie begint wanneer één enkele cel een temperatuur bereikt boven de drempel voor thermische stabiliteit, meestal rond de 130-150°C bij de meeste lithium-ion chemieën. Bij deze temperaturen worden de interne chemische reacties in de batterij instabiel, waardoor extra warmte en mogelijk brandbare gassen vrijkomen. Deze warmte beïnvloedt vervolgens aangrenzende cellen, waardoor ook zij hun thermal runaway-temperatuur bereiken en de gevaarlijke cyclus wordt voortgezet.

Voor belanghebbenden in projecten met hernieuwbare energie vormt thermal runaway een van de grootste risico’s bij batterij-energiesystemen. De financiële gevolgen gaan verder dan de vervangingskosten van apparatuur en omvatten ook bedrijfsonderbreking, verzekeringsclaims, onderzoeken door toezichthouders en mogelijke aansprakelijkheidskwesties. Projecten kunnen lange stilstand ervaren terwijl veiligheidsinspecties plaatsvinden en systemen opnieuw worden opgebouwd om te voldoen aan strengere veiligheidsnormen.

De zorg is vooral groot omdat lithium-ion batterijen – met name die met NMC-chemie (Nikkel-Mangaan-Kobalt) – onder bepaalde omstandigheden gevoelig zijn voor thermal runaway. Zelfs LFP-batterijen (Lithium-IJzerfosfaat), die thermisch stabieler zijn, zijn niet volledig immuun voor dit fenomeen wanneer ze worden blootgesteld aan extreme omstandigheden of fabricagefouten.

Waardoor wordt thermal runaway veroorzaakt in batterij-energiesystemen?

Er zijn verschillende belangrijke triggers die thermal runaway kunnen veroorzaken in BESS-installaties, waarbij overladen een van de meest voorkomende oorzaken is. Wanneer batterijen meer energie ontvangen dan ze veilig kunnen opslaan, wordt overtollige energie omgezet in warmte, waardoor de celtemperatuur boven veilige bedrijfsgrenzen kan uitkomen.

Fysieke schade aan batterijcellen – bijvoorbeeld door impact tijdens installatie, trillingen of problemen bij de productie en handling – kan interne scheiders beschadigen en interne kortsluitingen veroorzaken. Deze shorts genereren plaatselijke verhitting die zich snel kan ontwikkelen tot thermal runaway-condities.

Fabricagefouten vormen een ander belangrijk risicofactor. Problemen zoals verontreinigde elektrode-materialen, onjuiste scheiderdikte of gebrekkige kwaliteitscontrole tijdens celassemblage kunnen zwakke plekken creëren die falen bij normaal gebruik. Zelfs microscopische metaaldeeltjes die tijdens de productie binnendringen, kunnen uiteindelijk interne scheiders doorboren en thermische incidenten veroorzaken.

Extreme temperaturen – zowel hoog als laag – belasten de batterijchemie en kunnen thermal runaway in gang zetten. Hoge omgevingstemperaturen verkleinen de thermische marge voordat runaway-condities optreden, terwijl zeer lage temperaturen lithium-plating tijdens het laden kunnen veroorzaken, wat weer leidt tot interne kortsluitingen zodra de batterij opwarmt.

Elektrische storingen in het Battery Management System (BMS) of Power Conversion System (PCS) kunnen thermal runaway eveneens uitlokken. Spanningsverschillen tussen cellen, defecte koelsystemen of slecht functionerende laadcontrollers kunnen ervoor zorgen dat individuele cellen buiten hun veilige parameters worden belast.

Hoe gevaarlijk is een Thermal runaway-event?

Een Thermal runaway-event brengt extreme gevaren met zich mee, waaronder hevige branden met temperaturen boven de 1000°C, giftige gasuitstoot en mogelijke explosies. De gevolgen kunnen catastrofaal zijn voor zowel de veiligheid van personeel als de bedrijfsvoering, waardoor thermal runaway wordt beschouwd als een van de meest gevreesde incidenten bij energieopslag.

Brandgevaar is het meest directe risico. Thermal runaway-branden zijn extreem heet en berucht moeilijk te blussen met conventionele blusmethoden. Water kan de situatie zelfs verergeren doordat het elektriciteit geleidt en het brandende elektrolyt kan verspreiden. Deze branden kunnen uren tot dagen aanhouden en vereisen gespecialiseerde blussystemen en getrainde noodhulpdiensten.

Giftige gasuitstoot vormt een ernstig gezondheidsrisico voor iedereen in de omgeving. Tijdens thermal runaway komen waterstoffluoride, koolmonoxide en andere giftige gassen vrij die ademhalingsschade, chemische brandwonden en in ernstige gevallen dodelijke gevolgen kunnen veroorzaken. Deze gassen kunnen zich over grote afstanden verspreiden en zo naburige eigendommen en gemeenschappen aantasten.

Explosiegevaar ontstaat door de snelle gasvorming binnen afgesloten batterijbehuizingen. Als deze gassen niet veilig kunnen ontsnappen, kan de druk oplopen tot gewelddadige explosies die batterijonderdelen en giftige stoffen over een groot gebied verspreiden. Vooral containergebaseerde BESS-installaties zijn kwetsbaar voor dit soort catastrofale storingen.

Schade aan eigendommen gaat veel verder dan het batterijsysteem zelf. Thermal runaway-events kunnen complete faciliteiten verwoesten, omliggende infrastructuur beschadigen en de bodem en het grondwater verontreinigen met giftige stoffen. Alleen al de opruimkosten kunnen hoger uitvallen dan de oorspronkelijke projectwaarde, terwijl milieusanering jaren kan duren.

Bedrijfsonderbreking is minstens zo ingrijpend. Projecten kunnen maanden tot jaren stilliggen terwijl onderzoeken worden uitgevoerd, verzekeringsclaims worden verwerkt en vervangende systemen met verbeterde veiligheidsvoorzieningen worden ontworpen. Inkomstenverlies in die periode, in combinatie met hogere verzekeringspremies en mogelijke sancties van toezichthouders, kan projecten financieel onhaalbaar maken.

Wat zijn de waarschuwingssignalen van mogelijke thermal runaway in BESS?

Vroege waarschuwingssignalen van mogelijke thermal runaway zijn onder meer ongewoon warmtegedrag, zichtbaar opzwellen van batterijmodules, rookontwikkeling en kenmerkende chemische geuren. Het monitoren van deze signalen stelt operators in staat om preventieve maatregelen te nemen voordat de situatie gevaarlijk wordt.

Temperatuurafwijkingen zijn vaak het eerste detecteerbare signaal van dreigende thermal runaway. Individuele cellen of modules die aanzienlijk warmer worden dan hun buren, of een geleidelijke temperatuurstijging zonder overeenkomstige belastingstoename, wijzen op interne problemen. Moderne thermische monitoringsystemen kunnen temperatuurverschillen van slechts enkele graden Celsius detecteren.

Fysieke veranderingen aan batterijmodules geven visuele waarschuwingssignalen. Opzwelling of uitpuiling van batterijbehuizingen duidt op interne gasvorming, terwijl zichtbare vervorming wijst op interne drukopbouw die thermal runaway kan voorafgaan. Verkleuring van batterijbehuizingen of omliggend materiaal kan wijzen op eerdere oververhittingsincidenten.

Rookontwikkeling, zelfs in kleine hoeveelheden, is een ernstig waarschuwingssignaal dat onmiddellijke actie vereist. De rook kan aanvankelijk wit of grijs lijken en gaat vaak gepaard met een kenmerkende chemische geur. Elk zichtbaar damp- of nevelvorming rond batterij-installaties moet leiden tot het direct uitvoeren van noodstopprocedures.

Vreemde geuren – met name zoetige, metaalachtige of scherpe geuren – kunnen duiden op elektrolytlekkage of interne chemische reacties. Deze geuren kunnen al worden waargenomen vóórdat er visuele signalen verschijnen en mogen tijdens routinecontroles nooit worden genegeerd.

Spanningsafwijkingen en waarschuwingen vanuit monitoringsystemen bieden elektronische vroege detectie. Cellen met spanningsonevenwichtigheden, onverwachte capaciteitsverliezen of verhoogde interne weerstand kunnen interne defecten ontwikkelen die leiden tot thermal runaway. Geavanceerde BMS-systemen kunnen deze afwijkingen detecteren en automatisch waarschuwingen geven aan operators.

Hoe kun je thermal runaway in batterijopslagsystemen voorkomen?

Het voorkomen van thermal runaway vereist een uitgebreide aanpak met goed systeemontwerp, zorgvuldige componentkeuze, effectieve thermische beheersing, regelmatige inspecties en robuuste veiligheidsprotocollen. Een gelaagde aanpak verkleint de kans op thermal runaway-incidenten in BESS-installaties aanzienlijk.

Goed systeemontwerp vormt de basis van thermal runaway-preventie. Dit houdt onder andere in dat je de juiste batterijchemie kiest voor de toepassing, waarbij LFP-batterijen thermisch stabieler zijn dan NMC-alternatieven. Voldoende afstand tussen batterijmodules zorgt voor warmteafvoer en voorkomt thermische overdracht tussen units.

De keuze voor kwalitatieve componenten kan niet genoeg benadrukt worden. Batterijen van gerenommeerde fabrikanten met bewezen staat van dienst, uitgebreide testprotocollen en de juiste certificeringen verminderen de kans op fabricagefouten. Ook hoogwaardige BMS- en PCS-componenten zijn cruciaal voor het correct monitoren en regelen van batterijoperaties.

Thermische beheerssystemen moeten zowel normale bedrijfscondities als mogelijke foutscenario’s aankunnen. Dit omvat actieve koelsystemen, goede ventilatie en thermische barrières tussen batterijmodules. Noodkoelsystemen moeten automatisch activeren zodra vooraf ingestelde temperatuurdrempels worden overschreden.

Regelmatige inspecties en onderhoudsprogramma’s helpen problemen in een vroeg stadium opsporen. Dit kan bestaan uit thermografische onderzoeken, elektrische tests, fysieke inspecties op schade of slijtage en controles van de werking van veiligheidssystemen. Professionele inspecties kunnen subtiele veranderingen identificeren die bij routinematige controles onopgemerkt blijven.

Monitoringsystemen zorgen voor continue controle van de batterijcondities. Geavanceerde BMS-installaties zouden individuele celspanningen, temperaturen en interne weerstand moeten bewaken en geautomatiseerde reacties geven bij afwijkingen. Integratie met gebouwbeheersystemen maakt snelle reactie mogelijk bij dreigende thermal runaway-situaties.

Veiligheidsprotocollen moeten noodprocedures, personeelstraining en samenwerking met de lokale brandweer omvatten. Medewerkers moeten de unieke risico’s van lithium-ion batterijbranden begrijpen en weten hoe ze veilig kunnen evacueren en de juiste hulpdiensten moeten inschakelen. Regelmatige oefeningen zorgen ervoor dat deze procedures effectief blijven wanneer ze het hardst nodig zijn.

Het begrijpen en beheersen van de risico’s van Thermal runaway is essentieel voor de veilige werking van hernieuwbare energieprojecten. Met de juiste preventiestrategieën, monitoringsystemen en noodprocedures kunnen deze risico’s effectief worden beheerst, terwijl de operationele voordelen van batterijopslag voor zonne- en hernieuwbare energie behouden blijven.