Extinção de Incêndios em Sistemas de Armazenamento de Energia

As baterias como dispositivo de armazenamento de energia existem há mais de um século. Com os avanços progressivos, as capacidades aumentaram até um ponto em que o armazenamento de energia das baterias pode ser suficiente para alimentar uma casa, um edifício, uma fábrica e até para complementar a rede elétrica.

A capacidade de fornecer este tipo de energia é conseguida através de sistemas de armazenamento de energia em baterias (Battery Energy Storage System – BESS).

As baterias de iões de lítio e de chumbo-ácido são ambas utilizadas atualmente para o armazenamento de energia em grande escala. No entanto, as instalações de iões de lítio comandam 90% da quota de mercado mundial para utilização de BESS.

Animação do sistema de extinção de incêndios Stat-X em aplicações de armazenamento de energia

Esta animação mostra como um sistema de extinção de incêndios por aerossóis  condensados Stat-X® funciona e suprime um incêndio em uma aplicação de sistema de armazenamento de energia (Energy Storage System – ESS) ou de sistemas de armazenamento de energia por bateria (BESS) com nossos geradores operados eletricamente e em uma unidade de armazenamento de energia menor, estilo cubo modular, com nosso gerador ativado termicamente.

Sistemas de armazenamento de energia de baterias de iões de lítio (BESS)

Como funcionam

As baterias de iões de lítio, em termos simples, contêm um ânodo positivo e negativo. Os iões de lítio movem-se do ânodo negativo para o ânodo positivo durante a descarga e vice-versa durante o carregamento. Este mecanismo está imerso num eletrólito condutor de iões. O eletrólito é um líquido combustível/inflamável.

Como são instalados

Reunidas numa caixa ou contentor, as baterias de iões de lítio são chamadas “células”. Os BESS podem conter dezenas, centenas ou mesmo milhares de células para armazenar energia. As células são normalmente colocadas em bastidores, e os bastidores são normalmente armazenados em estruturas do tipo contentor de transporte. Obviamente, os modelos residenciais são muito mais pequenos e são frequentemente instalados na garagem ou na cave de uma casa.

Porque são tão populares

As BESS de iões de lítio fornecem uma elevada densidade de energia numa embalagem pequena e leve. Além disso, são de baixa manutenção e, na sua maioria, seguros. Até que seja desenvolvida uma solução melhor para o armazenamento de energia, as BESS de iões de lítio vieram para ficar e a sua utilização só irá aumentar.

O desafio dos sistemas de armazenamento de energia por bateria (BESS)

Grande energia num espaço pequeno

Sempre que se colocam níveis elevados de energia num espaço pequeno, existe um risco. A energia quer sair e, quando o faz de forma descontrolada, os resultados podem ser dramáticos – de uma forma negativa. Uma única célula de iões de lítio representa este risco.

Exemplo A: telemóvel que explode.

Prova B: telemóvel que explode.

Considere que podem existir centenas de células armazenadas juntas num contentor de transporte. Com este tipo de quantidade, o risco de um incidente grave aumenta drasticamente.

Mas em aplicações industriais pode haver muitos múltiplos destes contentores de transporte no local, muito próximos uns dos outros; o risco aumentou exponencialmente.

Normas regulamentares para BESS

O risco envolvido com o BESS não passou despercebido às agências que promulgam normas de segurança em instalações de armazenamento de energia. As seguintes normas foram publicadas, com outras no horizonte:

Underwriters’ Laboratories, Inc.®

2014: Lançou a primeira norma sobre armazenamento de energia – Norma 9540

2017: Lançou a Norma 9540A intitulada Norma para o Método de Teste para Avaliar a Propagação de Incêndio por Fuga Térmica em Sistemas de Armazenamento de Energia de Baterias.

Associação Nacional de Proteção contra Incêndios (NFPA®)

2020: Introduziu a NFPA 855: Norma para a Instalação de Sistemas Estacionários de Armazenamento de Energia®.

Como as BESS de iões de lítio falham

Para gerir os riscos associados aos BESS, é importante compreender o que acontece quando uma célula de iões de lítio falha. A falha da célula ocorre por fases.

Fase 1: Uma célula de bateria fica comprometida devido a danos mecânicos, a um evento térmico interno ou externo ou a uma falha elétrica.

Fase 2: Pequenas quantidades de gás – normalmente hidrogénio – são geradas e libertadas da célula, acompanhadas de uma libertação de calor; isto é conhecido como “libertação de gases”.

Fase 3: Com o aumento dos níveis de calor, começa a sair fumo da célula. A presença de fumo é indicativa de um evento catastrófico iminente em que a ignição e a fuga térmica são os resultados prováveis.

Fase 4: Segue-se um incêndio e é provável uma falha de reação em cadeia das células adjacentes, juntamente com a possibilidade de explosão.

Fuga térmica

A fuga térmica é o componente catastrófico da falha da célula. Durante a fuga térmica, ocorre o seguinte:

O calor no interior de uma célula aumenta muito mais rapidamente do que pode ser dissipado.

Há uma rápida libertação de energia que inflama os vapores inflamáveis presentes na fase de libertação de gases.

As células adjacentes são afetadas negativamente pelo incêndio e, por sua vez, falham de forma semelhante.

Isto pode levar a um efeito de dominó em que célula após célula falha e se inflama.

Desafios dos incêndios em BESS

Os incêndios que envolvem BESS são problemáticos, por várias razões:

A fuga térmica provoca um incêndio cada vez maior.

Pensa-se que o consumo dos cátodos na célula gera oxigénio por si próprio.

Os eventos de fuga térmica são exotérmicos e a libertação de calor dificulta a extinção.

Há uma variedade de combustíveis disponíveis para serem consumidos:

– Classe A: revestimentos de fios, componentes de polímeros, etc.

– Classe B: eletrólitos, solventes e gases inflamáveis

– Classe C: eletricidade / tensão remanescente em baterias não queimadas

– Classe D: metais combustíveis nos cátodos

A conceção da célula conduz necessariamente a um incêndio profundo e de difícil acesso.