Pierwszym skojarzeniem jakie nasuwa się po przeczytaniu tytułu tego artykułu jest to, że pewnie będzie to kolejny artykuł o akumulatorach litowo - jonowych. Poniekąd jest to słuszne skojarzenie ponieważ w ciągu ostatnich lat urządzenia korzystające z akumulatorów litowych dość regularnie przypominają o sobie, głównie za sprawą kolejnych pożarów lub wybuchów których są źródłem. Jako Warta Risk Service zauważyliśmy, że przez taki stan rzeczy, rynek trochę zaczął zapominać jakie zagrożenia wiążą się ze starszymi braćmi akumulatorów litowych czyli akumulatorami kwasowymi w różnych odmianach. W tym artykule omówię zagrożenia wynikające z przechowywania i ładowania wszystkich rodzajów akumulatorów. Artykuł jest podzielony na moduły dotyczące poszczególnych rodzajów akumulatorów. Pierwszy moduł dotyczy akumulatorów kwasowych, drugi moduł dotyczy akumulatorów żelowych, trzeci moduł dotyczy akumulatorów litowych. Każdy moduł zawiera krótką charakterystykę danego rodzaju akumulatora aby w pełni zrozumieć zagrożenia i to z czego one wynikają. Opis zagrożeń wynikających z przechowywania w ramach którego omawiam również transport oraz opis zagrożeń występujących w trakcie ładownia. Oczywiście w każdym module znajdziecie Państwo informacje o tym, jakie rozwiązania minimalizujące techniczne ryzyko ubezpieczeniowe rekomendujemy jako Warta Risk Service. Zalecenia nasze wynikają z najnowszych opracowań VdS, FM Global, NFPA oraz dobrych praktyk inżynierskich i niestety z doświadczeń szkodowych.
Akumulatory kwasowe
Pełna nazwa to akumulatory kwasowo-ołowiowe. Są to akumulatory oparte na ogniwach galwanicznych zbudowanych z elektrody ołowiowej oraz elektrody z ditlenku ołowiu i roztworu wodnego kwasu siarkowego który pełni funkcję elektrolitu. Jest to najstarszy rodzaj akumulatorów z jakim spotykamy się w kontekście zagrożeń ubezpieczeniowych. Wynika to z faktu, że swoje początki ten rodzaj akumulatorów ma w 1850 roku. Na początku nazywano je akumulatorami ołowianymi. W dużym uproszczeniu zasada działania tych akumulatorów polega na tym, że w trakcie poboru prądu z akumulatora, na elektrodach ogniw, z których składa się akumulator, zachodzą reakcje chemiczne utleniania (anoda) i redukcji (katoda). Na obu elektrodach w trakcie rozładowywania, czyli poboru prądu, wydziela się siarczan ołowiu, jest to jedno z zagrożeń i powiemy o tym zjawisku w dalszej części artykułu. W trakcie ładowania akumulatora zachodzą dokładnie odwrotne reakcje do opisanych wcześniej. Najistotniejszym parametrem mówiącym nam bardzo dużo o stanie akumulatora jest gęstość elektrolitu. W pełni naładowanym akumulatorze gęstość elektrolitu wynosi 1,28 g/cm³ (w tropikach 1,23 g/cm³). W trakcie rozładowywania akumulatora, stężenie elektrolitu spada. W rozładowanym akumulatorze gęstość elektrolitu wynosi 1,18 g/cm³, a napięcie na biegunach spada do 1,8 V na ogniwo (10,8 V w 12-woltowym akumulatorze samochodowym). Zjawisko całkowitego rozładowania akumulatora polega na przekształceniu się elektrod w stały siarczan ołowiu. Zjawisko to jest o tyle niekorzystne, że przy długotrwałym utrzymywaniu siarczan ołowiu na elektrodach przechodzi w stan krystaliczny i staje się izolatorem. Zjawisko to nazywamy zasiarczeniem akumulatora. Tutaj warto zaznaczyć, że w związku z tym akumulatory kwasowe muszą być przechowywane, magazynowane w stanie pełnego naładowania. Zasiarczenie powoduje spadek pojemności akumulatora oraz wydzielanie się dużych ilości ciepła przy próbach ładowania. W skrajnym przypadku może uniemożliwić ładowanie akumulatora. Zasiarczenie akumulatora jest zagrożeniem, z którym musimy się liczyć. Duże magazyny energii składające się z akumulatorów kwasowych wymagają praktycznie stałej obsady pracowniczej, ponieważ nieużywane akumulatory trzeba okresowo doładowywać, aby nie dopuścić do zasiarczenia spowodowanego procesem samorozładowania. W kontekście zagrożeń należy pamiętać, że uwolnienie elektrolitów z akumulatora jest jednym z zagrożeń jakie generują akumulatory kwasowe. Wynika to z faktu, że elektrolit jest substancją żrącą i jego zebranie wymaga specjalnych środków, ponadto w kontakcie z innymi substancjami staje się źródłem pożaru. Uwolnienie może nastąpić poprzez przewrócenie akumulatora lub uszkodzenie mechaniczne obudowy. Z tego względu zwracamy uwagę klientów na to, aby transport i przechowywanie akumulatorów (przenoszenie, magazynowanie) odbywało się z wykorzystaniem certyfikowanych zawiesi, regałów, ze względu na duża masę, jaką mają akumulatory kwasowe. Zalecamy również magazynowanie ich z dala od substancji mogących wejść w reakcję z elektrolitem. W przypadku przechowywania większych ilości akumulatorów należy rozważyć tace ociekowe pod regałami. Ważnym elementem jest zabezpieczenie klem akumulatora, aby nie doprowadzić do ich zwarcia, które będzie skutkować eksplozją akumulatora.
Akumulator kwasowy, Źródło : www.fiamm.pl
Od strony użytkowej parametrami opisującymi akumulatory kwasowe jest napięcie znamionowe oraz pojemność. Napięcie jest podawane w Voltach i zależy od ilości ogniw, które posiada akumulator. Jedno ogniwo generuje napięcie od 1,8 V do 2,1 V. Dla ułatwienia przyjmujemy 2 V na ogniwo. Najbardziej popularne napięcia znamionowe akumulatorów z jakimi się spotykamy to 6, 12, 24, 48, 60 V. W przypadku pojemności akumulatorów mówimy o amperogodzinach (Ah). W przeważającej większości akumulatorów mówimy o pojemność 10-godzinnej co oznacza, że z akumulatora o pojemności 100 Ah będziemy mogli czerpać prąd 10 A przez 10 h. Wspomnę tylko, że w przypadku niektórych akumulatorów możemy się spotkać z pojemnościami 5-godzinną (5HR) lub 20-godzinną (20HR). Z pojemności akumulatora wynika prąd ładowania, w celu zapewniania optymalnych warunków ładowania należy ładować akumulator prądem stanowiącym około 10 % jego pojemności. Dla akumulatora 100 Ah prąd ten będzie wynosił 10 A, a dla akumulatora 600 Ah prąd ten będzie wynosił 60 A itd. Oczywiście na rynku występują również inne metody ładowania tzw. „szybkiego”, czyli większymi prądami, ale to już zależy od konkretnego producenta akumulatora. Prąd ładowania na poziomie 60 A to już duża wartość, a w przypadku ładowania akumulatorów wózków dość powszechna. Dla porównania w standardowym mieszkaniu mamy zabezpieczenia nadprądowe na poziomie 16 - 20 A, a średnio używamy w sposób ciągły 2 – 3 A. Czyli prąd występujący przy ładowaniu jednego akumulatora 600 Ah wystarczyłby do zasilenia od 20 do 30 mieszkań jednocześnie. Wysokie wartości prądów ładowania są również źródłem zagrożeń pożarowych, z jakimi mamy do czynienia w przypadku akumulatorów kwasowych. W przypadku jakiekolwiek zwarcia lub przepięcia prostownik lub przewody przyłączeniowe automatycznie stają się źródłem pożaru. Z tego wzglądu jako Warta Risk Service rekomenduje zachowywanie separacji przestrzennej infrastruktury i miejsc ładowania akumulatorów kwasowych. Chodzi o to, żeby w promieniu min. 2 metrów od takiego miejsca nie znajdowały się materiały palne – drewno (palety), tektury, folie itp. Wszystko w tym celu, żeby rozrzut iskier, który towarzyszy zwarciu, nie natrafił na palne podłoże. Bardzo częstym zjawiskiem, z którym się spotykamy na audytach jest montaż prostowników bezpośrednio na ścianie z płyt warstwowych, z izolacją z tworzyw sztucznych (styropian lub pianki). Musimy mieć świadomość, że łuk elektryczny o natężeniu 20 – 30 A podobnie jak łuk spawalniczy może osiągnąć temperatury 3500 – 15 500 st. C. czyli bez problemu przepala blachę i zapala rdzeń takiej płyty. W związku z tym zalecamy separacje prostowników od ściany poprzez płyty ognioochronne lub przeniesienie prostowników na regały nie związane ze ścianą. Z tych samych względów należy zwrócić uwagę na stan i przebieg przewodów przyłączeniowych zarówno prostownika jak i akumulatora. Należy również pamiętać o właściwych przekrojach przewodów w instalacji elektrycznej zasilającej miejsce / pomieszczenie ładowania akumulatorów oraz właściwych zabezpieczeniach nadprądowych oraz różnicowoprądowych.
Źródło : www.jungheinrich.pl
Kolejnym źródłem zagrożeń podczas ładowania obok wysokich prądów, jest wydzielanie się wodoru i tlenu (będące następstwem rozkładu wody wchodzącej w skład elektrolitu). Proces ten jest szczególnie intensywny w momencie kiedy napięcie na ogniwie akumulatora przekracza wartość 2,4 V. Rozpoczyna się wtedy tzw. gazowanie akumulatora. Pamiętamy, że wodór w połączeniu z powietrzem tworzy mieszaninę wybuchową, która może eksplodować w szerokim zakresie stężeń (od 4% do 75% zawartości wodoru) np. pod wpływem iskry elektrycznej. W związku z tym zalecamy ładowanie akumulatorów w dobrze wentylowanych pomieszczeniach, a w przypadku większej liczby jednocześnie ładowanych akumulatorów lub małej kubatury pomieszczenia należy opracować Dokument zabezpieczenia przed wybuchem. DZPW zgodnie z wymaganiami Rozporządzenia Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 roku w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów, w obiektach gdzie prowadzone są procesy technologiczne z użyciem materiałów mogących wytworzyć mieszaniny wybuchowe lub w których materiały takie są magazynowane, należy dokonać oceny zagrożenia wybuchem. W przypadku stwierdzenia zagrożenia wybuchem, dokument ten powinien pozwolić na wyznaczenie stref zagrożonych wybuchem oraz zastosowanie odpowiednich zabezpieczeń. W przypadku dużych akumulatorowni jako Warta Risk Service rekomendujemy, aby takie pomieszczenie było wydzielone pożarowo w klasie minimum REI60 optymalnie REI120. W momencie kiedy mamy zainstalowaną w pomieszczeniu wentylację mechaniczną zalecamy, aby jej praca była sprzężona z zasilaniem prostowników, tzn. jeżeli wentylacja jest wyłączona to prostowniki nie mają zasilania – nie ma ładowania.
Źródło : www.omv.pl
Ostatnim elementem wyposażenia takiego pomieszczenia jest system detekcji wodoru. Pamiętamy, że wodór jest lżejszy od powietrza, więc detektory musza być montowane u góry pomieszczenia, maksymalnie 30 cm od stropu, ale poniżej wyjść wentylacyjnych. Jeżeli system detekcji jest dwustopniowy – wykrywa dwa progi stężenia, to dobrą praktyką jest automatyczne zwiększanie wydajności wentylacji przy pierwszym progu i automatyczne wyłączanie zasilania prostowników po osiągnięciu drugiego – wyższego progu stężenia wodoru. Oczywiście pamiętamy o tym, że wszystkie instalacje elektryczne w pomieszczeniu zagrożonym wybuchem muszą być wykonane w standardzie przeciwwybuchowym tzw. EX. Bardzo dobrą praktyką jest niepozostawianie ładujących się akumulatorów poza godzinami pracy zakładu. W ten sposób kończymy pierwszy moduł dotyczący akumulatorów kwasowych.
Akumulatory żelowe
Z naszego doświadczenia audytowego wiemy, że pod rynkowym pojęciem „akumulatory żelowe” kryją się nie tylko akumulatory żelowe, ale również akumulatory bezobsługowe i AGM. Krótko mówiąc pod tym pojęciem mamy wszystkie akumulatory które nie wymagają obsługi takiej jak klasyczne akumulatory kwasowo – ołowiowe. Niemniej cały czas mamy do czynienia z akumulatorami kwasowymi. Uporządkujmy sobie ten obszar pojęciowy. Możemy spotkać akumulatory bezobsługowe, oznaczane MF (ang. maintenance free) – są to akumulatory z elektrolitem (płynnym) o zamkniętej konstrukcji i ograniczonej możliwości otwarcia obudowy. Minimalizujemy ryzyko wydostania się elektrolitu.
Akumulator AGM. Źródło : www.gvc.pl
Możemy spotkać akumulatory oznaczone AGM (ang. absorbtive glass mat) – są to akumulatory z elektrolitem (płynnym) zabsorbowanym w separatorze z maty szklanej. No, i właściwe akumulatory żelowe czyli akumulatory z elektrolitem żelowym. Elektrolit żelowy to nadal wodny roztwór kwasu siarkowego, ale z dodatkiem środka żelującego (np. żywice silikonowe, krzemionka), który zapobiega parowaniu wody i ewentualnym wyciekom. Oczywiście akumulatory AGM i żelowe także są bezobsługowe, w zasadzie nie wymagają kontrolowania składu i ilości elektrolitu. Zasada działania powyższych akumulatorów w sensie fizykochemicznym jest taka sama jak opisanych wyżej akumulatorów kwasowych. Mają one również takie same problemy wynikające z samorozładowania, a więc w przypadku długiego przechowywania stosujemy takie same reguły jak w przypadku akumulatorów kwasowych. Zaznaczam, że obudowy akumulatorów nie są hermetyczne bo powodowałoby to ryzyko rozerwania w skutek dużego wzrostu ciśnienia we wnętrzu w efekcie wydzielania wodoru w przypadku przeładowywania. Jednak w prawidłowej codziennej eksploatacji z takich akumulatorów nic się nie uwalnia. Masa akumulatorów bezobsługowych jest zbliżona do kwasowych, więc pamiętamy o zagadnieniach związanych z transportem i przechowywaniem akumulatorów (przenoszenie, magazynowanie) z wykorzystaniem certyfikowanych zawiesi, regałów.
Akumulator żelowy. Źródło : www.sonarsklep.pl
Przechodząc do zagadnień związanych z ładowaniem, to odbywa się ono w sposób podobny do klasycznych akumulatorów kwasowych, jednak zestawy prostownicze dysponują dużo bardziej zaawansowanym systemem sterownia, dzięki czemu chronią akumulator przed przeładowaniem. Bieżąca kontrola naładowania tych akumulatorów odbywa się poprzez kontrolę napięcia na zaciskach akumulatora. Z reguły prądy ładowania są niższe i odchodzą nam problemy związane z wydzielaniem wodoru, nie ma potrzeby opracowywania DZPW. Jako Warta Risk Service w przypadku ww. akumulatorów rekomendujemy podobnie jak przy akumulatorach kwasowych zachowywanie separacji przestrzennej infrastruktury, miejsca ładowania oraz prostowników. Oczywiście należy również pamiętać o właściwych parametrach instalacji elektrycznej zasilającej miejsce / pomieszczenie ładowania akumulatorów oraz właściwych zabezpieczeniach nadprądowych i różnicowoprądowych. W tym momencie kończymy drugi moduł tego artykułu. Z inżynierskiego obowiązku wspomnę tylko, że oprócz akumulatorów litowych na rynku funkcjonują również starsze typy akumulatorów takich jak akumulator niklowo-kadmowy (NiCd lub Ni-Cd) są to akumulatory, w którym elektrody wykonane są z zasadowego tlenku niklu (katoda) i metalicznego kadmu (anoda). Akumulatory Ni-Cd cechują się dużą wydajnością prądową, ale występuje w nich „efekt pamięci”. Akumulatory te zostały wyparte przez normy środowiskowe. Kolejny rodzaj to akumulator niklowo-metalowo-wodorkowy (NiMH lub Ni-MH, ang. nickel metal hydride) są to akumulatory, w którym katodę stanowi płytka niklowa, a anodę stop metali, z którym reaguje wydzielający się podczas ładowania wodór, tworząc wodorek metalu. Jednak żaden z powyższych obecnie nie jest używany na masową skalę i nie występują one w znaczący sposób u naszych klientów. W olbrzymiej większości przypadków zostały wyparte przez akumulatory litowe.
Jeśli macie jakieś dodatkowe pytania, to zapraszam do kontaktu z Bartłomiejem Bobrowskim z Biura Oceny Ryzyka Technicznego: bartlomiej.bobrowski@warta.pl.
