Hoe beschadigt thermal runaway BESS-apparatuur?

Wat is thermal runaway in BESS-apparatuur en waarom gebeurt het?

Thermal runaway in BESS-apparatuur is een zichzelf versterkende kettingreactie waarbij batterijcellen overmatige warmte genereren die weer extra warmteproductie veroorzaakt. Dit elektrochemische proces treedt op wanneer de interne temperatuur van een lithium-ioncel ongeveer 130°C overschrijdt, waardoor het elektrolyt afbreekt en brandbare gassen vrijkomen terwijl er extra warmte wordt gegenereerd.

Het proces begint wanneer één of meerdere triggers een batterijcel voorbij de veilige gebruiksparameters duwen. Veelvoorkomende triggers zijn overladen, waarbij te veel stroom in al volle cellen wordt geperst en warmte ontstaat door weerstand. Fysieke schade door stoten, perforaties of fabricagefouten kan interne kortsluitingen veroorzaken die intense plaatselijke verhitting genereren.

Omgevingsfactoren spelen ook een cruciale rol. Hoge omgevingstemperaturen, onvoldoende koelsystemen of geblokkeerde ventilatie kunnen correcte warmteafvoer verhinderen. Slecht presterende batterijbeheersystemen (BMS) kunnen falen bij het detecteren van vroege waarschuwingssignalen zoals spanningsafwijkingen of temperatuurschommelingen. Eenmaal gestart, wordt het thermal runaway-proces zelfvoorzienend doordat afbrekende elektrolyten en separators energie vrijgeven, wat een gevaarlijke cyclus creëert die extreem moeilijk te stoppen is.

Hoe beschadigt thermal runaway batterijcellen en -modules fysiek?

Thermal runaway veroorzaakt systematische vernietiging van batterijcelcomponenten door hitte, chemische afbraak en gasvorming. Het elektrolyt breekt als eerste af en verliest zijn vermogen om ionoverdracht te faciliteren, terwijl giftige en brandbare gassen vrijkomen zoals waterstoffluoride, koolmonoxide en diverse organische verbindingen.

Het separator-materiaal, meestal een dun polymeermembraan, smelt en faalt bij temperaturen rond de 130-160°C. Hierdoor ontstaat direct contact tussen elektroden, wat interne kortsluitingen veroorzaakt die extra hitte en vonken genereren. Elektrode-materialen beginnen te degraderen, waarbij de kathode zuurstof afgeeft die de verbranding voedt, terwijl de anodestructuur afbreekt.

Cellen zwellen op wanneer gassen zich ophopen in de verzegelde behuizing, wat kan leiden tot scheuren of gewelddadig ontluchten. De metalen behuizing zelf kan temperaturen bereiken van meer dan 500°C, heet genoeg om omliggende materialen te doen ontbranden. Wanneer één cel faalt, verspreiden de intense hitte en vlammen zich naar aangrenzende cellen binnen de module, wat een kettingreactie veroorzaakt die complete batterijpakketten binnen enkele minuten kan verwoesten.

Wat gebeurt er wanneer thermal runaway zich door een volledig BESS-systeem verspreidt?

Wanneer thermal runaway zich verder verspreidt dan individuele modules, ontstaan kettingreacties die complete BESS-installaties kunnen vernietigen door thermische propagatie. Hitte verspreidt zich tussen aangrenzende batterijmodules via geleiding, convectie en stralingswarmte, waarbij temperaturen in ernstige gevallen vaak boven de 800°C uitkomen.

Het domino-effect versnelt wanneer meer cellen in thermal runaway terechtkomen, waardoor koelsystemen die ontworpen zijn voor normale omstandigheden worden overweldigd. Elektrische verbindingen falen doordat isolatie smelt en geleiders oververhit raken, wat mogelijk extra ontstekingsbronnen creëert. Besturingssystemen, inclusief het BMS en vermogenselektronica, schakelen uit of falen volledig wanneer temperaturen hun operationele limieten overschrijden.

Structurele componenten lijden ernstige schade doordat de intense hitte metalen behuizingen vervormt, brandwerende barrières aantast en zelfs de betonnen funderingen van grotere installaties kan beschadigen. De uitstoot van giftige gassen veroorzaakt extra veiligheidsrisico’s, waardoor evacuatie van omliggende gebieden noodzakelijk kan zijn. Brandbestrijdingssystemen kunnen moeite hebben om de brand te beheersen, omdat lithium-ionbranden op extreem hoge temperaturen branden en zelfs opnieuw kunnen ontbranden nadat ze geblust lijken.

Hoeveel kost schade door thermal runaway doorgaans voor BESS-exploitanten?

Schade door thermal runaway veroorzaakt aanzienlijke financiële gevolgen door vervanging van apparatuur, operationele stilstand en kosten voor noodhulp. Directe vervangingskosten kunnen variëren van enkele honderdduizenden tot miljoenen euro’s, afhankelijk van de systeemgrootte en de omvang van de schadeverspreiding.

Indirecte kosten overstijgen vaak de directe vervangingsuitgaven. Inkomensverlies door systeemstilstand kan bijzonder ernstig zijn voor BESS-installaties die net- of handelsdiensten leveren, waarbij dagelijkse opbrengsten duizenden euro’s kunnen bedragen. Verzekeringsclaims worden streng gecontroleerd, wat mogelijk leidt tot hogere premies of beperkingen in toekomstige polissen.

Noodhulpkosten omvatten brandweerinzetten, sanering van gevaarlijke stoffen en locatieherstel. Milieueffectrapportages kunnen vereist zijn als giftige gassen of elektrolytmaterialen de omgeving hebben besmet. Langetermijngevolgen zijn onder meer verminderd investeerdersvertrouwen, strengere regelgeving en mogelijke juridische aansprakelijkheid als het incident gevolgen heeft voor naburige eigendommen of netstabiliteit.

Welke veiligheidssystemen kunnen thermal runaway-schade voorkomen of beperken?

Effectieve preventie van thermal runaway vereist meerdere lagen van bescherming, waaronder geavanceerde monitoring, brandonderdrukking en noodresponsystemen. Thermische monitoringsystemen met sensoren in de batterijmodules kunnen temperatuurafwijkingen detecteren voordat ze kritische grenzen bereiken en automatische uitschakelingen activeren.

Moderne brandonderdrukkingstechnologieën omvatten watermistsystemen, inert gasblussing en gespecialiseerde lithium-ionblussers die batterijen onder de thermal runaway-temperaturen kunnen koelen. Beveiligingscircuits op celniveau monitoren individuele batterijcellen op spannings-, stroom- en temperatuurafwijkingen en ontkoppelen problematische cellen voordat ze anderen beïnvloeden.

Een goed ventilatieontwerp voorkomt ophoping van giftige gassen en helpt warmte af te voeren tijdens normale bedrijfsvoering. Vroege waarschuwingssystemen combineren meerdere sensoren om de chemische signalen van thermal runaway te detecteren, inclusief specifieke gasemissies die voorafgaan aan zichtbare vlammen. Noodstopprocedures moeten automatische ontkoppeling van elektrische systemen, activering van brandbestrijding en onmiddellijke alarmering van hulpdiensten omvatten. Regelmatig onderhoud en professionele inspecties helpen potentiële zwakke plekken te identificeren voordat ze leiden tot thermal runaway-incidenten.