Gassvarsling i batterirom

Gassdeteksjon for overvåkning av batterirom på elektrifiserte skip og offshore innretninger.

Batterier brukes i økende grad som energikilde i maritime og offshore installasjoner. Både helelektrifiserte ferger og hybridløsninger som kombinerer elektrisk kraft med fossilt brennstoff kommersialiseres nå for alvor etter at den første helelektriske fergen ble tatt i bruk i 2015..

Risikobildet knyttet til batterier som energikilde, er annerledes enn for andre drivstoff, og må hensyntas med spesielle tiltak. Tidlig varsling av gassutslipp med stasjonært gassvarslingsanlegg er ett av disse tiltakene som vi skal se nærmere i denne artikkelen.

Teknologisk utvikling

Den teknologiske utviklingen innen batterier går svært fort og oppdatert informasjon om risiko, regelverk og sikkerhetstiltak er derfor i en løpende utvikling. Fremdeles gjenstår mye forskning på området det er derfor viktig å holde seg oppdatert på de siste rådene for beste praksis fra myndigheter, sertifiseringsorganer og ledende aktører.

Farer knyttet til maritime batterier

Batteripakker til maritim bruk kan være flere hundre ganger større enn automobil-batterier, og består som regel av flere tusen celler. Feil som oppstår på batteriet kan forårsake alvorlige sikkerhetshendelser. Gassutslipp kan føre til eksplosive og giftige atmosfærer, og temperaturøkning som i verste fall kan utløse en termisk kjedereaksjon og brann.

Risikoen vil være avhengig av cellens kjemiske sammensetning, cellestørrelse, cellens form og ladenivå.

Hovedfarene knyttet til maritime batterier er intern feil i cellen, intern eller ekstern kortslutning, overlading, overoppheting, ekstern oppvarming eller brann. Disse farene kan igjen føre til gassutvikling (giftig, brennbar og korrosiv), termisk kjedereaksjon, brannfare og eksplosjonsfare.

Nødvendige sikkerhetstiltak for å forhindre disse farene inkluderer ventilering, eksplosjonsventilering, deteksjon, styrking av vegger i batterirom og alarm- og brannslukkesystemer.

Gassutvikling ved batterifeil

Litiumbatterier er lukkede systemer under normal drift. Tidligere nevnte faktorer kan føre til at elektrolytten nedbrytes og at gass utvikles i cellen. Mengden og sammensetningen av gass kan variere etter batteritype, men tester viser at gassene trolig vil være både giftige og brennbare, potensielt eksplosive.

Tidlig deteksjon og ventilering er derfor en nøkkel for å redusere risiko.

Gassene som utvikles ved feil på batteri vil som oftest bestå av blant annet: hydrogen, CO, CO2, DEC, MEC, C2H4, CH4, HF, HCI og HCN.

For å forstå farene knyttet til gassene, er det viktig å beregne forventet og verst tenkelige scenario for gassutvikling, og regne eksposjonsgrense og giftighet ut fra forventet gasskomposisjon.

Mengden gass som genereres vil avhenge av ladegrad, temperatur og feilkilde.

Giftige gasser

Svært små gasskonsentrasjoner vil gjøre atmosfæren giftig, og gassen vil fortynne raskt. Derfor kan sensoren som oppdager giftige gasser plasseres i det normale pusteområdet for mennesker, 1 - 1,8 meter fra gulvet.

Personlig verneutstyr må benyttes når du går inn i batterirommet igjen etter en batteribrann, også etter brannslukking. Hvis en skal inn i rommet etter en hendelse, må alle identifiserte giftige gasser vurderes. Gassene er karbonmonoksid, nitrogendioksid, hydrogenklorid, hydrogenfluorid, hydrogencyanid, benzen og toluen. Egenskapene til et batteri kan sammenlignes med å brenne plast. Ved vekting av IDLH-verdiene med umiddelbar fare for liv eller helse (IDLH), vil CO, NO2 og HCL først nå sine IDLH-verdier.

Tidlig påvisning med CO

Tester utført i maritime battery safety joint developpment project viser at karbonmonoksid er hovedkomponenten som er tilstede i den lengste perioden, og anses som spesielt viktig for påvisning av tidlig stadium. Avgass i de tidlige stadiene av termiske rømningshendelser vil være kaldere enn utslipp av gass i de senere stadiene. Den tidlige avgassen kan derfor bli tyngre enn luften og samle seg på gulvnivå. Det bør derfor vurderes om gassdeteksjon relatert til romeksplosjonsrisiko bør brukes på begge nivåer, nær gulvet og nær taket. Det er ikke tilstrekkelig å stole på sensoren (e) for nedre eksplosjonsgrense og cellespenningsnivåer for å oppdage tidlige stadier av en termisk kjedereaksjon.

Gassvarsling for batterirom

Det er viktig at gassdeteksjonssystemet er nøyaktig og har rask responstid. Deteksjon av brennbar gass og/eller temperaturøkning, bør føre til automatisk start av ventilasjonsanlegg.

I de fleste tilfeller vil brennbar gass være lettere enn luft grunnet temperatur og komposisjon. Detektorer bør derfor plasseres med tanke på å fange opp lette gasser. Beregning av gasskomposisjon for det enkelte batteri bør legges til grunn for valg av sensorer og plassering av sensor i rommet.

Det er også viktig å velge en sensortype som ikke er kryssensitiv for andre gasser, eller detekterer feil gass.

Ved feil på batteri, kan følgende tiltak redusere risiko og skadeomfang:

  • Koble fra batteriet elektronisk
  • Øke batterikjølingen så mye som mulig
  • Ventilere ut gasser så mye som mulig
  • Hvis brann oppstår, stenge ventilasjon og starte brannslukkesystem.

Et fast gassdeteksjonsanlegg bør varsle om gassutslipp så tidlig som mulig, og sørge for at ventilering starter automatisk ved påvisning av gass. Når gass utvikles uten at det er brann tilstede, er målet å ventilere ut gassene for å hindre at det bygger seg opp en eksplosiv atmosfære i batterirommet.

Dersom brann oppstår bør det vurderes om ventilasjon skal stenges ned når brannslukkeanlegg starter. I et normalt branntilfelle vil stenging av ventilasjon føre til at brannen kveles. Noen batterier genererer derimot oksygen i den kjemiske reaksjonen som oppstår ved brann. Der bør derfor vurderes om en er mest tjent med å stenge tilgang

Vestteknikks anbefaling for gass-sensorer i batterirom

Vestteknikks vurdering er at det i tilfeller med batterirom, er deteksjon av 20% LEL som som gir egnet varsling. I tillegg

Ved deteksjon av avgasser fra batterier er det spesielt viktig å benytte katalytiske sensorer og ikke IR-sensorer da sistnevnte ikke detekterer H2. H2 står for om lag 30 % av avgassene fra batteri.

Sensorene S500 L eller CGS-500 er begge aktuelle sensorer. S500 baserer seg på flere frittstående sensorer med separate reléer. CGS-500 baserer seg på et system med én stk sentral som samler data fra alle CGS sensorene.

I begge tilfeller er det mulig å sende 4-20mA videre til en PLS eller lignende slik at ventilasjon og brannslukkeanlegg kan startes automatisk ved påvisning av gass.

Regelverk for landbasert og offshore

For flyttbare og faste installasjoner offshore er det NEK IEC 61892-7:2019 som er det gjeldende regelverket.

For landbaserte batterirom og batteriinstallasjoner er det NEK EN 50272-1:2010 som er det gjeldende regelverket.

DNV-GL har også publisert en håndbok for maritime og offshore batterisystemer.

For fartøyer som er klasset av DNV-GL, gjelder DNV-GLs regler for Batteri.

Disse regelverkene konkluderer med at batteriinstallasjoner skal ha fast gassdeteksjonsanlegg, og at valg av sensor må basere seg på en analyse av utslipp fra det enkelte batteriet.

For båter med norsk flaggstat, har Sjøfartsdirektoratet sendt ut et rundskriv series V, guidelines for chemical energy storage – maritime battery systems.

 

Teksten i denne artikkelen er basert på DNVs håndbok for maritime og offshore batterisystemer, maritime joint battery safety joint development project «technical reference for Li-ion Battey Explosion Risk and Fire Suppression» samt regelverk vi har henvist til i teksten.

© 2019 Vestteknikk AS. All Rights Reserved.