Maart 2025
Tijdige detectie voorkomt accubrand
Techniek
Met de toenemende elektrificatie groeit ook het aantal accu’s en batterijen. Ideale oplossingen om elektrische energie tijdelijk in op te slaan, maar minder ideaal wanneer het gaat om brandgevaar. Accubranden zijn namelijk heter, heftiger, gaan gepaard met de vorming van (zeer) giftige stoffen en blussen is een lastig en tijdrovend karwei. Het beste is dus deze branden te voorkomen door het proces richting een zogeheten thermal runaway zo vroeg mogelijk te detecteren.
Eind januari presenteerde Peter Adema van Hitma samen met Edward Heitlager van Crown Detection Instruments een webinar over het voorkomen van accubranden. Adema: ‘We hebben dit webinar vorig jaar ook georganiseerd en we merken dat de belangstelling voor het onderwerp sterk toeneemt. En dat is niet zo vreemd. Regelmatig lezen we berichten over hoeveel moeite het de brandweer kost om bijvoorbeeld een elektrische auto te blussen waarvan een van de accu’s is ontploft. Ook groeit het besef dat niet alleen elektrische auto’s branden, maar dat op elke plek waar zich een oplaadbare Li-ion accu bevindt, er gevaar van ontbranding bestaat. Of dit nu bij een laadpunt voor elektrische fietsen of scootmobielen is, een magazijn waarin accu’s liggen opgeslagen of in woningen of kantoren waar een thuisbatterij is geïnstalleerd.’
Wat gebeurt er eigenlijk bij een batterijbrand?
Om te begrijpen wat de mogelijkheden zijn om een accubrand te voorkomen, is het belangrijk de opbouw en werking van een oplaadbare batterij te kennen. Als eerste gaat het bij de grotere accu’s voor de opslag van elektrische energie vaak om een volledige batterijrack, bestaande uit verschillende batterijpacks die weer zijn opgebouwd uit modules bestaande uit cellen.
Een zogenoemde ‘thermal runaway’ die uiteindelijk leidt tot ontbranding van de accu of zelfs een explosie, start altijd met een beschadiging van de accu door bijvoorbeeld overladen, te snel laden, kortsluiting, extreme temperaturen of een hoog vochtgehalte of door een mechanische beschadiging. Door deze beschadiging komt een licht ontvlambare elektrolyt vrij, wat gevaarlijk wordt wanneer de batterij opwarmt door de vorming van onder andere DMC (dimethylcarbonaat) en EMC (ethylmethyl carbonaat).
1. Ontstaan van een thermal runaway. Het meten van temperatuur of gassen vlak voor de ontbranding geeft te weinig tijd om in te grijpen. Het detecteren van DMC, DEC en EMC met een MPS biedt meer mogelijkheden.
Naarmate zich meer DMC en EMC vormt, zal de interne druk toenemen. Door de gassen af te blazen via ventielen wordt de druk verlaagd, maar het is niet ondenkbaar dat de batterij openbreekt. Het ontsnappen van de verschillende gassen wordt ‘off-gassing’ genoemd. Adema: ‘Het chemische reactieproces houdt hiermee echter niet op waardoor de temperatuur verder zal stijgen en de kathode- en anoderuimte uiteindelijk met elkaar in contact komen. Vanaf dat moment komt alle energie in de cel in een keer vrij wat een zeer hete (tot + 1.000 °C) uitbarsting van vlammen veroorzaakt: de thermal runaway is begonnen.’
En vanaf dat moment is er letterlijk geen houden meer aan. Hogere temperaturen verhogen de reactiesnelheden die hierdoor nog hogere temperaturen veroorzaken: de reactie gaat er letterlijk ‘vandoor’ en binnen enkele seconden – of nog minder – ontstaat een explosie of de bekende accubrand. Deze branden zijn lastig te blussen, omdat het hier niet gaat om een brand waarbij een brandstof reageert met zuurstof. Het wegnemen van zuurstof is dan immers voldoende om de brand te stoppen. Bij accu’s gaat het om chemische reacties die gewoon doorgaan wanneer er voldoende grondstoffen aanwezig zijn. De enige remedie op dit moment is dan langdurig en diep koelen en zo eventueel gecontroleerd laten uitbranden. Een moeizaam proces met het risico van het opnieuw oplaaien van de brand na het stoppen met koelen.
‘Sinds kort is er een sensortechnologie beschikbaar waarmee DMC, DEC en EMC zijn te detecteren’
Voorkomen
Om een accubrand te voorkomen, is het belangrijk om zo vroeg mogelijk het proces richting een thermal runaway te detecteren. Een logische manier zou het controleren van de temperatuur zijn. Hier treedt echter het probleem op dat de tijdspanne tussen het stijgen van de temperatuur en de thermal runaway heel kort kan zijn; typisch tussen de 2 en 30 minuten. In veel gevallen te kort om nog maatregelen te nemen. Wanneer de verantwoordelijke geluk heeft, is er inderdaad een half uur beschikbaar waarin hij bijvoorbeeld het laadproces kan onderbreken en zo voorkomt dat de temperatuur verder oploopt. De tijdspanne die er is tussen het off-gassen van de batterij en de thermal runaway wordt mede bepaald door de hoeveelheid laadcycli van de batterij per uur. Het risico dat een temperatuurmeting onvoldoende tijd oplevert om een thermal runaway te voorkomen is hiermee te groot.
MPS staat voor Molecular Property Spectrometer (MPS) en is een sensor met een specifiek type chip waarmee gasdetectie van meerdere chemische sensoren op één apparaat mogelijk is.
Een andere manier om een thermal runaway te detecteren is het meten van de waterstof, koolmonoxide en kooldioxide die vlak hiervoor vrijkomen (figuur 1). Hier treedt echter feitelijk hetzelfde probleem op als bij een temperatuurmeting: tegen de tijd dat deze gassen detecteerbaar zijn, is de tijd om maatregelen te nemen te kort. Bovendien blijkt dat de gassen soms zelfs pas ontstaan tijdens of na de thermal runaway, waarmee men per definitie te laat is.
Adema: ‘Sinds kort is er een sensortechnologie beschikbaar waarmee DMC, DEC en EMC zijn te detecteren. Deze stoffen komen al in een vroeg stadium van het proces richting thermal runaway vrij, waardoor de kans vele malen groter is dat er voldoende tijd overblijft om te voorkomen dat de temperatuur verder oploopt en de thermal runaway daadwerkelijk plaatsvindt.’
Molecular Property Spectrometer
De sensortechnologie waar Adema over spreekt (MPS) is oorspronkelijk ontwikkeld voor Defensie en terrorismebestrijding, waar het betrouwbaar detecteren van gassen essentieel is om zo veilig mogelijk te kunnen opereren. Inmiddels is deze technologie ook commercieel beschikbaar.
MPS staat voor Molecular Property Spectrometer (MPS) en is een sensor met een specifiek type chip waarmee gasdetectie van meerdere chemische sensoren op één apparaat mogelijk is. De chip is in staat om de gegevens van een piëzo-elektrische sensor te lezen die veranderingen in uiteenlopende grootheden – zoals druk, vochtigheid, temperatuur, spanning en kracht – kan detecteren via een elektronische lading. Een MPS is hiermee te vergelijken met een multigasdetector, maar kan niet slechts vier, maar tot wel veertien gassen detecteren, waaronder de voor thermische runaway belangrijke DMC, DEC en EMC.
Edward Heitlager: ‘Feitelijk zijn met deze sensor alle brandbare gassen te meten, waarmee hij ook van betekenis is voor de waterstoftransitie. Bij de detectie van aankomende thermal runaways is het vooral belangrijk dat deze sensoren extreem robuust zijn. Ze kunnen bijvoorbeeld niet vergiftigd of verzadigd raken, waardoor de gebruiker zeker kan zijn van detectie wanneer dit aan de orde is. De levensduur van de sensoren is bovendien langer dan vijftien jaar en het is niet nodig de sensor tussentijds te kalibreren.’
Adema: ‘Ik verwacht dat deze sensor op grote schaal zal worden ingezet bij bedrijven die werken met Li-ion accu’s, of dit er nu één is of een groot aantal. Gelukkig richt de wet- en regelgeving zich ook langzaam op preventie met de PGS 37-1 en 37-2 die eind 2023 werden gepubliceerd. Verder kan ik me voorstellen dat verzekeringen de detectie van DMC, DEC en EMC ook verplicht gaan stellen in ruimtes waarin zich Li-ion batterijen bevinden of waar elektriciteit in systemen wordt opgeslagen.’
Richtlijn 37-1 en 37-3
PGS staat voor Publicatiereeks gevaarlijke stoffen en is eind 2023 aangevuld met de PGS 37-1 en 37-2. PGS 37-1 heeft betrekking op de veilige opslag van elektriciteit in energieopslagsystemen. De richtlijn stelt een permanent stationair detectiesysteem verplicht voor de detectie van CO (0 - 200 ppm) met een kruisgevoeligheid voor waterstof. Voor detectie van een eventuele thermal runaway zijn twee CO2-sensoren vereist.
PGS 37-2 gaat over de veilige opslag van lithiumhoudende energiedragers (zoals Li-ion batterijen). Ook deze richtlijn stelt een dergelijk detectiesysteem verplicht, maar dan met een meetbereik voor CO van 0 - 2.000 ppm. Per stelling dient op elke laag een detector te staan.
Voor beide richtlijnen geldt dat gelijkwaardige maatregelen mogen worden toegepast. Dit moet uiteraard goed worden gedocumenteerd en vooraf aangetoond.