Dynamiczny rozwój technologii litowo-jonowej, zwłaszcza w sektorach magazynowania energii i elektromobilności, wprowadza nowe wyzwania dla dziedziny, jaką jest bezpieczeństwo pożarowe. Aby skutecznie zarządzać ryzykiem, kluczowym narzędziem stają się symulacje numeryczne. W niniejszym artykule przedstawiamy techniczne podejście do symulacji pożaru pojedynczych ogniw i całych pakietów baterii przy użyciu oprogramowania FDS (Fire Dynamics Simulator).
Skupiamy się na zjawisku ucieczki termicznej (Thermal Runaway) i mechanizmach propagacji ognia. Precyzyjna analiza skutków pożaru pozwala na dokładne przewidywanie dynamiki zdarzenia, co jest fundamentem w projektowaniu skutecznych systemów zabezpieczeń dla ogniw litowych.
Charakterystyka pożarów baterii litowo-jonowych
Pożar baterii litowo-jonowej znacząco różni się od klasycznych procesów spalania. Jego główną przyczyną jest Thermal Runaway – niekontrolowany, samonapędzający się wzrost temperatury wewnątrz ogniwa. Proces ten mogą zainicjować:
- Przegrzanie: Już w temperaturze około 80°C.
- Zwarcie wewnętrzne: Spowodowane wadami produkcyjnymi lub uszkodzeniem.
- Uszkodzenie mechaniczne: Zgniecenie, przebicie lub wibracje.
Uruchomiona reakcja chemiczna prowadzi do gwałtownego wydzielania ciepła, które podgrzewa sąsiednie ogniwa. To zjawisko powoduje reakcję łańcuchową i kaskadową propagację zagrożenia w całym module bateryjnym.
Kluczowe cechy pożaru baterii Li-Ion
| Cecha | Opis |
|---|---|
| Gwałtowny rozwój | Pożar rozwija się bardzo szybko, często w sposób wybuchowy. |
| Ekstremalna temperatura | Temperatura płomieni może osiągać nawet 1400°C. |
| Toksyczny dym | Emisja mieszaniny palnych i toksycznych gazów, w tym fluorowodoru (HF) i cyjanowodoru (HCN). |
| Pożary strumieniowe | Uwalniane pod wysokim ciśnieniem palne gazy mogą tworzyć tzw. Jet Fire. |
| Wewnętrzne źródło tlenu | Baterie podczas pożaru same wytwarzają tlen, co znacząco utrudnia gaszenie baterii litowych tradycyjnymi metodami. |
| Ryzyko ponownego zapłonu | Nawet po ugaszeniu, bateria może ponownie się zapalić (reignition) z powodu zmagazynowanej energii i ciepła. |
Propagacja kaskadowa i efekt domina w pakietach baterii
Największym zagrożeniem związanym z Thermal Runaway jest jego zdolność do wywoływania reakcji łańcuchowej. Intensywny transfer ciepła z jednego uszkodzonego ogniwa inicjuje ten sam destrukcyjny proces w sąsiednich komponentach. Taka propagacja kaskadowa, znana jako efekt domina, prowadzi do błyskawicznego objęcia pożarem całego pakietu.
Szczegółowa symulacja pożaru w oprogramowaniu FDS jest podstawą rzetelnej analizy zagrożeń. Należy jednak pamiętać, że FDS nie modeluje wewnętrznych procesów elektrochemicznych. Zamiast tego, symuluje skutki pożaru w otoczeniu:
- Transport ciepła (konwekcja, radiacja).
- Modelowanie rozprzestrzeniania się dymu i toksycznych gazów.
Nowoczesne symulacje CFD (obliczeniowej mechaniki płynów) wykorzystują zaawansowany model wielkowirowy LES (Large Eddy Simulation). Model ten znacznie lepiej odwzorowuje turbulentny charakter przepływu gazów i dymu, co jest niezbędne do weryfikacji projektów, np. systemu oddymiania w garażach podziemnych. Wiarygodność symulacji zależy jednak od jakości danych wejściowych, w tym definicji tzw. pożaru projektowego.
Metody modelowania pożarów baterii w FDS
Ze względu na specyfikę pożarów baterii, w inżynierii pożarowej stosuje się różne podejścia do ich symulacji w FDS.
Uproszczony model źródłowy (Source Term)
To najczęściej stosowane podejście, w którym bateria jest traktowana jako zdefiniowane źródło ognia. Modelowanie pożaru wymaga przygotowania scenariusza, czyli tzw. pożaru projektowego. Definiuje on kluczowe parametry:
- Moc cieplna (krzywa HRR - Heat Release Rate)
- Geometria źródła ognia
- Charakterystyka czasowa rozwoju pożaru
Metoda ta jest używana głównie do analizy systemów bezpieczeństwa, takich jak wentylacja pożarowa. Jej skuteczność jest jednak ograniczona przez wiarygodność dostępnych modeli spalania.
Zaawansowane modelowanie uwalniania gazów
Bardziej zaawansowane fizykalnie podejście polega na modelowaniu uwolnienia palnej mieszaniny gazów z baterii. W tym ujęciu gazy te stają się paliwem dla symulowanego pożaru. Pozwala to na dokładniejsze odwzorowanie procesów spalania, ale wymaga bardzo szczegółowych danych wejściowych, które często są niedostępne publicznie.
Rola modelu turbulencji LES w symulacjach pożarowych
Aby precyzyjnie odwzorować zjawiska transportu, FDS wykorzystuje model wielkowirowy Large Eddy Simulation (LES). Pozwala on na znacznie dokładniejsze niż starsze modele (np. RANS) modelowanie przepływu powietrza i dymu. Zastosowanie LES jest kluczowe, gdy celem jest symulacja zachowania dymu i ocena skuteczności systemów wentylacji pożarowej.
Zastosowanie symulacji CFD w projektowaniu zabezpieczeń
Analiza skuteczności systemów wentylacji pożarowej
Modelowanie CFD za pomocą oprogramowania FDS to podstawowe narzędzie inżynierskie do weryfikacji projektów systemów oddymiania. Symulacje pożarowe są szczególnie przydatne przy analizie scenariuszy z udziałem baterii litowych, które generują duże ilości gęstego, toksycznego dymu w krótkim czasie. Poprawna definicja pożaru projektowego i użycie modelu LES pozwala na rzetelną ocenę efektywności projektowanej wentylacji.
Modelowanie systemów gaśniczych i chłodzenia
Chłodzenie wodą to jedna z metod ograniczania propagacji ognia. Działa poprzez obniżanie temperatury sąsiednich, nieobjętych jeszcze pożarem ogniw. Należy jednak podkreślić, że wiarygodność symulacji tego procesu jest ograniczona. Skuteczność modelowania zależy od jakości danych wejściowych, a same symulacje obarczone są niepewnością założeń. Oprócz systemów aktywnych, kluczowe znaczenie mają środki prewencyjne, takie jak:
- Separacja fizyczna: Zachowanie odległości min. 5 metrów dla baterii dużej mocy.
- Separacja konstrukcyjna: Stosowanie przegród ognioodpornych.
- Nadzór nad procesem ładowania: Monitorowanie temperatury i napięcia.
Wyzwania i ograniczenia w modelowaniu
Problem braku wiarygodnych danych eksperymentalnych
Największym wyzwaniem w modelowaniu pożarów baterii jest złożoność zjawisk fizykochemicznych oraz brak kompleksowych, publicznie dostępnych danych eksperymentalnych. Skuteczna symulacja pożaru w FDS wymaga precyzyjnego opisu pożaru projektowego, w tym krzywej HRR i składu chemicznego uwalnianych gazów.
Dokładność symulacji jest wprost zależna od wiarygodności modeli spalania. Fundamentalnym problemem jest ograniczona dostępność danych dotyczących charakterystyki pożarowej różnych typów ogniw (np. NMC, LFP) oraz wpływu stanu naładowania (SOC). Bez tych informacji, definiowanie parametrów wejściowych staje się ekstrapolacją, co podważa dokładność analizy. W odpowiedzi na te wyzwania, instytucje takie jak NIST (twórcy FDS) prowadzą badania mające na celu stworzenie publicznych baz danych. Działania te mają kluczowe znaczenie dla przyszłej wiarygodności symulacji i rozwoju inżynierii pożarowej.