Bezpečnost bateriových úložišť

My se na chvilku oprostíme od všech specifik a ekonomiky projektu, půjdeme přímo k technickému jádru. Mnohé z nás zajímá, ale často je to poslední věc, co se na projektech řeší. Díky přetlaku výrobců na trhu totiž vzniká názor, že je všechno víceméně stejné, čímž si sami zavíráme oči před detaily, které mohou být právě ten klíčový faktor. A detaily jsou v hotovém řešení vidět špatně, na to se musíme podívat pod povrch, v tomto případě pod ‘pokličku’ BESS kontejneru.

Vnitřní bezpečnost lithium-iontových baterií představuje klíčový aspekt jejich návrhu a výroby. Jedná se o vlastnosti, které jsou baterii vlastní už od počátku – tedy přímo zabudované do její struktury a složení. Tyto ‘pasivní’ bezpečnostní prvky vycházejí především z výběru vhodných materiálů, optimalizovaného konstrukčního řešení a precizních výrobních postupů. 

Začněme u elektrolytu, který slouží jako médium pro přenos energie mezi katodou a anodou. Přesným nastavením typů a koncentrací přísad do elektrolytu se vytváří mezifáze pevného elektrolytu (SEI) s optimalizovanou tloušťkou a pórovitostí, což umožňuje rychlejší transport lithiových iontů, nižší mezifázový odpor a vyšší energetickou účinnost – a v konečném důsledku prodlužuje životnost a efektivitu. Na základě testu podle mezinárodního standardu IEC 62620 je vidět, že optimalizace složení elektrolytu může výrazně zvýšit účinnost baterie:

Na trhu jsou k dostání různé typy lithium-iontových baterií (někdy označování jako ‘chemie’ baterie), nejčastější je LFP (LiFePO4) a NMC. Oba typy jsou li-ion baterie a zkratky jsou označení pro povrchovou směs na katodě. V závislosti na tom se samozřejmě mění základní charakteristiky bateriových článků. On NMC se obecně ustupuje, jelikož LFP vychází ve většině parametrů mnohem lépe, obzvlášť u bezpečnosti, cyklování a ekologické zátěže. NMC bateriím postupem času zbyla pouze jedna výhoda – energetická hustota na m³, která ovšem hraje roli hlavně u menších aplikací (např. baterie to telefonu). 

Anodový materiál u Li-iontových baterií je obvykle grafit, který je velmi odolný a zajišťuje dobrou stabilitu. Z fyzikálního hlediska je ale jeho životnost v provozu kratší, než životnost LFP katody. Obzvlášť vysokou zátěží trpí anoda při prvních cyklech baterie, kdy anoda přijme a zafixuje část aktivního lithia. To se projevuje na životnosti baterie, protože úbytek aktivního lithia výrazně zkracuje počet potenciálních cyklů baterie. Tomuto procesu se ovšem někteří výrobci bateriových článků vyhnou tzv. předlithinací (pre-lithination), kdy se malý objem lithia přidává přímo na anodu. 

Výrobní proces Pylontech obsahuje jak předlithinaci, tak v každém kroku kontrolní fáze, včetně odstraňování metalických nečistot či 5-násobné odmagnetování. Elektrody a elektrolyty jsou navržené tak, aby omezily tvorbu tepla a plynů a speciální úpravy zabraňují exotermním reakcím.

Po úspěšné výrobě všech materiálů a komponent nastává kompletace bateriových článků, která také ukrývá zajímavé detaily. Články Pylontech M7 jsou hermeticky uzavřené v hliníkovém obalu a doplněné o vlastní tlakový ventil, který při přetlaku bezpečně uvolní hořlavé plyny. Při kompletování do modulů se mezi jednotlivé články vkládají izolační destičky z nanomateriálů, které brání šíření tepelného úniku uvnitř modulu. Kromě výborných izolačních vlastností také disponují vysokou odolností vůči extrémním teplotám, stejně tak salinitě a vlhkosti. Jelikož v reálném provozu často baterie překračují navrhovanou životnost, jsou tyto vlastnosti dalším benefitem pro investora. Během výroby také probíhají 4 vysokonapěťové testy (HIPOT) pro otestování elektrických vlastností a stability. Riziko obloukového výboje je sníženo zabudováním nadproudových ochranných zařízení jak do bateriového modulu, tak i řídicího modulu (BMS) a případně střídače.

Jak už název napovídá, pro kontrolu tepelného úniku je klíčové udržení bezpečné teploty uvnitř článků. Na zahřívání má největší vliv vnitřní odpor, proudové zatížení baterie (rychlost vybíjení) a způsob chlazení, menší podíl může mít samotná konstrukce článků a okolní prostředí. Teplotu v bateriových modulech obvykle měří BMS na úrovni článků a ta je zodpovědná i za případné vnitřní ochranné procesy. U modulů Pylontech M7 je například v BMS nastaven zákaz nabíjení a vybíjení článku, pokud jeho teplota přesáhne 60°C (nad tuto hranici dochází ke snižování životnosti Li-ion článku). Nejčastěji se udává, že tepelný únik u LFP baterií nastává při teplotách nad 200°C, bezpečnostní buffer je tedy poměrně široký. 

Nástup moderních BESS chlazených kapalinou pokládá otázku, jestli jsou vůbec baterie chlazené vzduchem bezpečné. Obecně se dá říct, že kapalinou chlazené baterie jsou lepší a bezpečnější díky efektivnější kontrole teploty. Je ale důležité si uvědomit, že vždy záleží na aplikaci a jak už víme, možná zdaleka největší vliv na zvyšování teploty baterie má rychlost vybíjení. I když jsou LFP články schopné vybíjení i rychlostí 10 C a víc, u BESS je největší C-rating standardně 1 C. Nejčastější je ovšem 0,5 C a s rostoucí kapacitou BESS se objevuje čím dál víc 0,25 C systémů. 

Je tedy zřejmé, že výrobci spíše drží vybíjecí potenciál LFP u BESS na nižších hranicích, zatímco v elektromobilitě je standard 2-5 C a krátkodobě až dvojnásobek. Vzduchem chlazené BESS tedy ještě mají své místo, hlavně na menších projektech v rámci jednotek MWh, kde nejsou vysoké nároky na cyklování baterie. Jejich výhodu zůstává jednoduchost zařízení, výrazně jednodušší údržba a servis. Instalovaná báze je stále výrazně vyšší a jsou vzduchem chlazené systémy, které fungují již po desítky let. Ventilátor má i další bezpečnostní funkce a musí být v kontejneru tak či tak, jak se dozvíme v další kapitole. Pro větší projekty s vysokými nároky na cyklování, jako jsou podpůrné služby výkonové rovnováhy je chlazení kapalinou samozřejmě lepší volbou, i když je třeba počítat především s výrazně vyšší vnitřní spotřebou.

Systém protipožární ochrany zahrnuje především detektory kouře, senzory teploty a světelné a zvukové alarmy. Když je aktivován jakýkoli detektor, spustí se alarm detektorů vodíku. Pokud dojde k tepelnému úniku baterie nebo požáru baterie a teplota uvnitř skříně/kontejneru dosáhne 93 °C, aktivuje se aerosolový hasicí přístroj a uhasí požár úplným zaplavením. V případě zvýšené koncentrace hořlavého vodíku se aktivuje ventilátor pro odvod vzduchu, aby se odvětrala bateriová skříň/kontejner a zabránilo se vzniku výbušného stavu. Současně je v obou případech do rozvaděče odeslán signál suchého kontaktu.

Při tepelném úniku článků se totiž uvolňují hořlavé plyny, z nichž obsah vodíku činí více než 50 %. Pokud koncentrace vodíku ve vzduchu překročí určitou mez, dojde k výbuchu. Tato mez se nazývá dolní mez výbušnosti (LFL). Podle normy NFPA855 by měl být odsávací systém schopen regulovat koncentraci hořlavých plynů na méně než 25 % LFL a k tomu je vzduchová ventilace naprosto zásadní. Když tlak vzduchu dosáhne určité hodnoty, uvolní se klapka proti výbuchu a spustí se ventilátor, čímž se uvolní tlak vzduchu a hořlavý plyn. 

Celá baterie (M7) prošla pádovými testy, jako jsou IEC62619, UL1973 atd. To zajišťuje, že se nepoškodí plášť ani články, systém BMS bude fungovat normálně a baterie bude i po pádu nebo nárazu stále schopna být normálně používána. U venkovních skříní nebo kontejnerových produktů Pylontech simuluje strukturální pevnost skříně nebo kontejneru podle norem ISTA-3E pro vibrace při přepravě. To je často podceňovaný faktor, hlavně u ‘evropských řešení’, která používají komponenty z Číny a v EU se pouze kompletují. BESS jsou extrémně těžká zařízení, přeprava a manipulace mají vliv na celkovou kondici systému. Pokud například systém není dobře vyvážen pro manipulaci, může se kontejner například zkroutit tak, že nepůjdou dovřít dveře. Kompletace BESS na místě je logisticky méně náročná, na druhou stranu obvykle potřebuje více místa a zkušenosti firmy, která BESS kompletuje. All-in-one kontejnery na druhou stranu nabízí komplexní provedení, které z pravidla zabere méně místa i času na instalaci a konzistentnost v elektrickém zapojení komponent. Obecné riziko ze špatného zapojení komponent je nižší, protože jde o unifikovaný produkt. 

Kompletní nabídka komerčních bateriových úložišť