Hoe verspreidt de thermische runaway in je BESS zich tussen de cellen?

Thermische runaway van BESS is een gevaarlijke toestand waarbij batterijcellen hun kritische thermische drempel bereiken, die varieert afhankelijk van de batterijchemie, vaak van ongeveer 130°C voor NMC-cellen tot wel 250°C voor LFP-cellen, waardoor oncontroleerbare chemische reacties ontstaan die meer warmte genereren. Deze warmte verspreidt zich naar naburige cellen via geleiding, convectie en de uitstoot van giftige gassen, waardoor een cascadestoring ontstaat die hele batterijmodules kan overspoelen. Begrijpen hoe thermische runaway zich verspreidt tussen cellen is cruciaal voor het ontwerpen van veiligere energieopslagsystemen voor batterijen.

Wat is thermische runaway en hoe begint het in BESS-cellen?

Thermische runaway treedt op wanneer een batterijcel zijn kritische thermische drempel bereikt, die varieert afhankelijk van de chemische samenstelling van de batterij, vaak van ongeveer 130°C voor NMC-cellen tot maximaal 250°C voor LFP-cellen. Deze reactie kan leiden tot branden die zich snel verspreiden en waarbij giftige gassen vrijkomen zoals waterstoffluoride (HF) en koolmonoxide (CO), evenals aanzienlijke hoeveelheden licht ontvlambare gassen waaronder waterstof en methaan, waardoor de elektrolyt uiteenvalt en interne chemische reacties zichzelf in stand houden. De cel genereert meer warmte dan hij kan afvoeren, wat leidt tot een oncontroleerbare temperatuurstijging die kan oplopen tot meer dan 800°C.

Verschillende oorzaken kunnen leiden tot thermische runaway in BESS-cellen. Fysieke schade door schokken of fabricagefouten kan interne kortsluiting veroorzaken, terwijl overladen meer energie in de cel dwingt dan deze veilig aankan. Externe warmtebronnen, zoals brand of defecte verwarmingssystemen, kunnen cellen ook over hun thermische grenzen duwen. Defecten in de interne onderdelen, zoals een defecte separator of een beschadigde elektrode, kunnen leiden tot gevaarlijke reacties.

Tijdens het beginstadium ontwikkelt de batterijcel snel gas als de elektrolyt wordt afgebroken, waardoor er druk ontstaat die kan leiden tot het opzwellen of scheuren van de cel. De chemische reacties worden exotherm, wat betekent dat ze warmte produceren in plaats van verbruiken, waardoor een terugkoppelingslus ontstaat waarbij stijgende temperaturen verdere afbraak versnellen. Dit proces is vooral zorgwekkend in lithium-ion batterijen, de meest gebruikte technologie in moderne BESS installaties.

Hoe verspreidt thermische runaway zich van één cel naar naburige cellen?

Thermische runaway verspreidt zich via drie primaire mechanismen: directe warmtegeleiding door fysieke contactpunten, convectieve warmteoverdracht via hete gassen en blootstelling aan toxische emissies die aangrenzende celmaterialen kunnen beschadigen. De voortplanting volgt meestal voorspelbare paden op basis van de fysieke lay-out en het thermische ontwerp van het batterijsysteem.

Warmtegeleiding treedt op wanneer de verhoogde temperatuur van de getroffen cel rechtstreeks via metalen verbindingen, montagebeugels of gedeelde structurele onderdelen wordt overgedragen op aangrenzende cellen. Deze directe thermische weg kan aangrenzende cellen binnen enkele minuten naar hun eigen thermische wegloopdrempel brengen, afhankelijk van de thermische massa en geleidbaarheid van de verbindingsmaterialen.

Convectieve warmteoverdracht vindt plaats wanneer hete gassen die ontstaan tijdens thermische runaway rond nabijgelegen cellen circuleren. Deze gassen, die temperaturen van meer dan 500°C kunnen bereiken, creëren lokale hete plekken die naburige cellen van buitenaf opwarmen. De gasemissies bevatten ook corrosieve verbindingen die de celbehuizingen kunnen beschadigen, waardoor mogelijk nieuwe storingspunten ontstaan.

De nabijheid van cellen speelt een cruciale rol in de voortplantingssnelheid. Cellen die dicht op elkaar zitten met een minimale afstand ervaren een snellere warmteoverdracht, terwijl cellen die van elkaar gescheiden zijn door thermische barrières of luchtlekken meer tijd hebben voordat ze gevaarlijke temperaturen bereiken. Het proces van thermische runaway kan zich zonder de juiste maatregelen in slechts 5-15 minuten over een hele batterijmodule verspreiden.

Welke factoren bepalen hoe snel thermische runaway zich verspreidt in een BESS?

De voortplantingssnelheid hangt af van de chemische samenstelling van de batterij, de afstand tussen de cellen, de effectiviteit van het thermisch beheer en de omgevingsomstandigheden. Lithium-ijzerfosfaataccu's (LFP) ontwikkelen zich doorgaans langzamer thermisch dan nikkel-mangaan-kobalt (NMC) accu's vanwege hun inherent stabielere thermische eigenschappen.

De afstand tussen de cellen is cruciaal voor het beheersen van de verspreidingssnelheden. Dicht op elkaar gepakte cellen met minimale luchtspleten zorgen voor een snelle warmteoverdracht, terwijl cellen die 10-20 mm of meer van elkaar verwijderd zijn extra tijd bieden om detectie- en reactiesystemen te activeren. De thermische massa van de omringende materialen heeft ook invloed op de verspreidingssnelheid - lichte plastic behuizingen warmen snel op, terwijl metalen behuizingen met een hogere thermische massa meer warmte kunnen absorberen voordat ze kritieke temperaturen bereiken.

Actieve thermische beheersystemen beïnvloeden de verspreidingssnelheden aanzienlijk. Goed ontworpen koelsystemen kunnen warmte sneller afvoeren dan een thermische runaway in een vroeg stadium genereert, waardoor de gebeurtenis mogelijk beperkt blijft tot één cel. Zodra echter meerdere cellen tegelijkertijd thermal runaway bereiken, kunnen zelfs robuuste koelsystemen overbelast raken.

Omgevingsfactoren zoals omgevingstemperatuur, vochtigheid en ventilatie beïnvloeden ook de voortplanting. Hoge omgevingstemperaturen verkleinen de thermische marge voordat cellen runaway condities bereiken, terwijl slechte ventilatie ervoor zorgt dat hete gassen zich ophopen rond naburige cellen. Wind of geforceerde luchtcirculatie kan helpen om warmte en gassen te verspreiden, waardoor het verspreidingsproces wordt vertraagd.

Hoe kunnen thermische barrières cel-op-celverspreiding voorkomen?

Thermische barrières gebruiken isolerende materialen en ontwerpstrategieën om de weg van de warmteoverdracht tussen cellen te onderbreken en de thermische runaway binnen individuele cellen of kleine groepen te beperken. Deze barrières werken door warmte te absorberen, warmtestraling te reflecteren of luchtspleten te creëren die de geleidende warmteoverdracht vertragen.

Passieve thermische barrières omvatten keramische wol, aerogelisolatie en gespecialiseerde brandwerende materialen die tussen celgroepen worden geplaatst. Deze materialen zijn bestand tegen temperaturen van meer dan 1000°C en behouden hun isolerende eigenschappen. Sommige geavanceerde barrières bevatten materialen met faseverandering die grote hoeveelheden warmte absorberen tijdens het smelten, waardoor extra thermische bescherming wordt geboden tijdens de kritieke vroege stadia van thermische runaway.

Benaderingen voor actief thermisch beheer omvatten speciale koelkanalen, koellichamen en noodkoelsystemen die in werking treden wanneer verhoogde temperaturen worden gedetecteerd. Deze systemen kunnen vloeistofkoelingslussen omvatten die koelvloeistof tussen de celgroepen laten circuleren, of op gas gebaseerde systemen die de getroffen gebieden overspoelen met inerte gassen om verbranding door zuurstof te voorkomen.

Het structurele ontwerp speelt een even belangrijke rol. Batterijmodules kunnen worden gecompartimenteerd zodat thermische runaway in één sectie zich niet gemakkelijk verspreidt naar andere secties. Dit omvat het gebruik van thermisch resistente separatoren, het creëren van ventilatiepaden voor de ontsnapping van hete gassen en het ontwerpen van montagesystemen die de geleidende warmteoverdracht tussen celgroepen minimaliseren.

Wat zijn de waarschuwingssignalen van thermische runaway in BESS?

Vroege opsporing is afhankelijk van temperatuurbewaking, gasdetectiesystemen en elektrische parameterwijzigingen die aangeven dat thermische runaway zich begint te verspreiden. Moderne batterijbeheersystemen bewaken deze parameters continu en kunnen afwijkingen detecteren voordat er zichtbare tekenen zijn.

Temperatuursensoren in het hele batterijsysteem vormen de eerste detectielijn. Snelle temperatuurstijgingen van 5-10°C per minuut in afzonderlijke cellen of modules duiden op een mogelijke start van thermische runaway. Wanneer meerdere aangrenzende sensoren gelijktijdige temperatuurstijgingen vertonen, suggereert dit dat er propagatie plaatsvindt tussen de cellen.

Gasdetectiesystemen kunnen de giftige en brandbare gassen identificeren die vrijkomen tijdens thermische runaway, waaronder waterstoffluoride, koolmonoxide en verschillende organische verbindingen. Deze gassen verschijnen vaak voordat er zichtbare rook of vlammen zijn, waardoor er een cruciale waarschuwingstijd is voor noodprocedures.

Elektrische indicatoren zijn onder andere plotselinge spanningsdalingen, stroompieken of volledig verlies van communicatie met de aangetaste batterijmodules. Deze veranderingen treden op wanneer interne celstructuren afbreken en elektrische verbindingen falen. Geavanceerde bewakingssystemen kunnen deze elektrische afwijkingen detecteren en automatisch getroffen secties isoleren om verdere verspreiding te voorkomen.

Fysieke tekenen van voortplanting zijn zichtbare rook, ongewone geuren en hoorbare geluiden zoals knallen of sissen door het vrijkomen van gas. Tegen de tijd dat deze tekenen zichtbaar zijn, is de thermische runaway meestal al een eind gevorderd en moeten onmiddellijk noodprocedures worden geïmplementeerd.

Inzicht in de voortplanting van thermische runaway bij BESS is essentieel voor iedereen die betrokken is bij projecten voor de opslag van energie uit batterijen. Een goed systeemontwerp, monitoring en noodprocedures kunnen de risico's van deze krachtige energieopslagsystemen aanzienlijk beperken. Voor uitgebreide risicobeoordeling en gespecialiseerde expertise in veiligheid en risicobeheer van batterijopslagsystemen, neem contact op met ons team vandaag nog om de vereisten voor uw duurzame energieproject te bespreken en ervoor te zorgen dat er optimale veiligheidsmaatregelen worden getroffen.