Vragen? +31 970 065 22555 (Engels). Levering in de hele EU!
Vragen? +31 970 065 22555 (Engels). Levering in de hele EU!
Meest gezochte fabrikanten van meet- en regeltechniek
Lithium-ion- en loodzuurbatterijen zijn tegenwoordig overal te vinden waar noodstroomvoorziening of energieopslag nodig is – in datacenters, UPS-ruimtes, batterijopslagsystemen (BESS) en bij snellaadstations. Met hun toenemende toepassing groeit echter ook een risico waarvoor klassieke brandmelders niet volstaan: lekkage van waterstof en andere gassen tijdens het laden of bij een celfout. Dit artikel legt uit waarom er gas vrijkomt, waarom standaard branddetectie te laat reageert en hoe de detector voor vrijkomende gassen Evikon E2673 dit probleem oplost.
Auteur: Bc. Jaromír Bittner – Productspecialist Evikon
De vorming van waterstof kent twee hoofdmechanismen – en beide moet u in gedachten houden wanneer u de veiligheid van een batterijruimte ontwerpt:
Loodzuurbatterijen (lead-acid, AGM, gel, VRLA). Tijdens het laden wordt water in het elektrolyt door elektrolyse afgebroken tot waterstof en zuurstof. Bij natte (flooded) cellen is gasuittreding heel normaal; bij VRLA-batterijen treedt lekkage pas op bij overladen of een defect ventiel. Waterstof hoopt zich op onder het plafond (het is 14× lichter dan lucht) en als de ruimte onvoldoende wordt geventileerd, kan de concentratie rond de batterij snel oplopen.
Lithium-ionbatterijen. Waterstof is geen product van normaal laden – het verschijnt pas als onderdeel van zogeheten off-gassing, dus het vrijkomen van gassen uit een cel bij oververhitting of degradatie. Samen met waterstof komen ook elektrolytdampen vrij (vluchtige organische stoffen, typisch diethylcarbonaat DEC en dimethylcarbonaat DMC, eventueel DEMC), koolmonoxide en andere ontledingsproducten. Off-gassing is de eerste fysiek meetbare uiting van zogeheten thermal runaway – een zichzelf versnellende reactie waarbij de stijgende celtemperatuur verdere exotherme processen in de cel op gang brengt, die de temperatuur verder verhogen en uiteindelijk tot ontbranding of explosie kunnen leiden.
De gemene deler in beide gevallen is één feit: waterstof is kleurloos, geurloos en zeer brandbaar. De onderste explosiegrens (LEL) ligt rond 4 vol.% in lucht – er is dus maar weinig nodig voordat een ruimte een explosieve atmosfeer wordt.
Een standaard brandmeldcentrale steunt op drie typen melders – rook-, temperatuur- en vlammelders. Alle drie hebben bij een batterijfout een fundamenteel timingprobleem:
In de off-gassingfase is er praktisch geen rook. Het vrijkomen van gassen vindt plaats vóór verbranding. In deze fase hoeft er in de ruimte geen zichtbare rook of vlam aanwezig te zijn en stijgt de temperatuur in de ruimte slechts minimaal. De rookmelder blijft dus stil, ook al is er in de cel al een reactie gaande die nog gestopt had kunnen worden.
De temperatuur stijgt in de cel, niet in de ruimte. Tegen de tijd dat de temperatuurgradiënt zich naar buiten heeft verplaatst naar de ruimte waar een temperatuurmelder reageert, zijn meestal al meerdere aangrenzende cellen in thermal runaway. Intussen verspreidt de reactie zich verder door de module.
Een vlamdetector reageert pas na ontbranding. Op dat moment gaat het niet meer om preventie, maar om schadebeperking.
De enige methode die een storing detecteert voordat er open vuur ontstaat, is gasdetectie – specifiek van waterstof en elektrolytdampen (VOC). Daarom wordt voor batterijopslagsystemen en UPS-ruimtes aanbevolen om de klassieke brandmeldinstallatie aan te vullen met gasdetectie, gekoppeld aan de brandmeldcentrale of SCADA.
Als het alleen om loodzuurbatterijen zou gaan, zou een afzonderlijke waterstofdetector volstaan. Bij lithium-ioncellen is de situatie echter complexer. Langzame celdegradatie kan zich eerst uiten in lekkage van elektrolytdampen (VOC), zonder dat er meteen veel waterstof vrijkomt. Snelle storingen beginnen daarentegen juist met een toename van waterstof. Als u beide gasgroepen gelijktijdig bewaakt, vergroot u de kans dat u een storing in de vroegste fase detecteert – ongeacht via welke route die begint. Daarin schuilt precies de kracht van een gecombineerde detector.
Daarnaast worden in een batterijruimte doorgaans ook temperatuur en relatieve luchtvochtigheid bewaakt. Het aanbevolen bereik voor datacenters en UPS-ruimtes ligt meestal tussen 40–60 % RV en 21–25 °C. Een hogere luchtvochtigheid leidt tot corrosie van contacten, een lage luchtvochtigheid tot elektrostatische ontladingen, en een hoge temperatuur verkort de levensduur van cellen en verhoogt het risico op thermal runaway.
De Estse fabrikant Evikon MCI heeft de E2673-detector precies voor dit type toepassing ontworpen. In één behuizing voor DIN-rail combineert hij vier functies:
Daarmee dekt hij alle cruciale omgevingsparameters in een batterijruimte af met één apparaat en bespaart u de installatie van twee tot drie afzonderlijke sensoren.
Voor waterstof maakt de detector gebruik van het principe van thermische geleidbaarheid. De sensor meet hoe het te meten gas de thermische geleidbaarheid van het monster beïnvloedt ten opzichte van een referentieomgeving. Waterstof heeft ongeveer 7× een hogere thermische geleidbaarheid dan lucht en kan met deze methode daarom betrouwbaar worden gedetecteerd. In tegenstelling tot elektrochemische cellen is de sensor bovendien niet gevoelig voor vergiftiging. Het meetbereik is 0–100 % LEL H₂ met een resolutie van 0,02 % LEL; de alarmdrempel kan door de gebruiker worden ingesteld in het bereik van 10–40 % LEL – dus ruim voordat de onderste explosiegrens wordt bereikt.
Voor vluchtige organische stoffen is een MOS-sensor (metal-oxide semiconductor) toegepast met een index van 0–500. Deze reageert op elektrolytdampen van DEC, DMC en andere organische verbindingen die vrijkomen bij degradatie van Li-ion-cellen. De bemonstering gebeurt diffuus – de gassen bereiken de sensoren via natuurlijke luchtcirculatie door de behuizing van het apparaat; een pomp of monsternameleiding is niet nodig. De opwarmtijd na het opstarten bedraagt maximaal 1 minuut, de responstijd maximaal 20 seconden.
De sensoren hebben een verwachte levensduur van circa 15 jaar, wat de levensduur van lithium-ion-opslagsystemen zelf benadert of zelfs overschrijdt. De detector is ontworpen zonder noodzaak van periodieke kalibratie op locatie – daarmee vervalt het typische probleem van waterstofsensoren die na enkele jaren nauwkeurigheid verliezen en in grote installaties lastig allemaal gekalibreerd te houden zijn. De status van de detector kan worden bewaakt via zelfdiagnose bij het opstarten en tijdens bedrijf.
De E2673 biedt twee manieren om op een hogerliggend systeem aan te sluiten:
De status van de detector wordt direct op het apparaat aangegeven door drie leds: groen (voeding), geel (storing), rood (alarm).
Technische parameters in het kort:
De E2673 is geschikt voor alle plaatsen waar gassen uit lithium-ionbatterijen kunnen vrijkomen of waar loodzuurbatterijen op grotere schaal worden geladen:
De compacte behuizing maakt montage direct in een batterijrack of in een schakelkast naast andere DIN-railcomponenten mogelijk. Voor toepassing in ruimten met risico op een explosieve atmosfeer is de detector gecertificeerd voor ATEX Zone 2 volgens de richtlijnen 2014/30/EU en 2014/34/EU.
Bij het ontwerpen van gasdetectie in een batterijruimte loont het om een paar regels aan te houden:
Plaats de detector dicht bij het plafond. Waterstof stijgt op en hoopt zich op op het hoogste punt van de ruimte. Een detector die op rackniveau is geïnstalleerd, detecteert een lekkage sneller dan een sensor op 1,5 m boven de vloer.
Denk aan ventilatie. Detectie alleen blust geen brand. Een alarm moet de ventilatie van de ruimte inschakelen – idealiter in twee stappen: bij het bereiken van de eerste drempel start de ventilatie, bij de tweede wordt het laden uitgeschakeld en worden akoestische en optische signalering geactiveerd.
Koppel de detector aan de brandmeldinstallatie. Sluit de relaisuitgang van de detector aan op een ingang van de brandmeldcentrale, zodat een alarm de standaardprotocollen van de brandmeldinstallatie activeert. Modbus dient vervolgens voor visualisatie en trending in het BMS.
Vergeet zonering niet. Voor grote BESS-containers of meerdere racks in één ruimte moet u rekening houden met meerdere detectoren, zodanig geplaatst dat alle risicogebieden worden afgedekt.
Gasdetectie is voor moderne batterijsystemen wat een rookmelder is voor gewone brandbeveiliging – de eerste verdedigingslinie. Het verschil is dat het bij lithium-ion-opslagsystemen vaak de enige manier is om een storing te detecteren voordat deze overgaat in een onomkeerbare fase. De Evikon E2673-detector combineert in één compact apparaat alles wat een batterijruimte of UPS-ruimte nodig heeft – detectie van waterstof, elektrolytdampen, luchtvochtigheid en temperatuur – en dankzij de levensduur van 15 jaar zonder kalibratie op locatie blijven de bedrijfskosten gedurende de volledige levensduur van het opslagsysteem laag.
Als u de detector alleen toepast in ruimten met loodzuurbatterijen (back-upsystemen in telecommunicatie, klassieke UPS-ruimtes met oudere technologie), is alleen waterstofdetectie meestal voldoende – waterstof is daar het belangrijkste risicogas. Bij lithium-ionbatterijen zijn het echter vaak eerst de elektrolytdampen die zichtbaar worden, niet de waterstof. Voor Li-ion-opslag, datacenters met moderne UPS-systemen en BESS adviseren wij daarom gecombineerde detectie van H₂ + VOC, die de E2673 in één enkel apparaat aankan.
Veiligheidsnormen adviseren een alarm in het bereik van 10–25 % LEL, dus ongeveer 0,4–1 vol.% H₂ in lucht. De eerste trap (vooralarm) wordt meestal ingesteld op 10 % LEL om de ventilatie te starten, de tweede trap (hoofdalarm) op 20–25 % LEL om de voeding af te schakelen en brandalarm te activeren. De E2673 maakt het mogelijk de drempel in te stellen in het bereik van 10–40 % LEL, afhankelijk van de projecteisen.
Ja, de E2673 heeft ATEX-certificering voor Zone 2 volgens EN 60079-0, EN 60079-7 en EN 60079-29-0/-3. Voor Zone 1 of Zone 0 kan de detector niet worden gebruikt – in dergelijke gevallen is een ander apparaat in Ex “d”- of “ia”-uitvoering nodig.
Niet op locatie. De detector is ontworpen voor onderhoudsvrije werking gedurende de volledige levensduur van de sensoren (~15 jaar). De langetermijnstabiliteit is < 3 % LEL H₂ over 5 jaar. Dat is een groot verschil ten opzichte van elektrochemische sensoren, die jaarlijks gekalibreerd moeten worden of na 2–3 jaar bedrijf vervangen moeten worden.
De behuizing van 94 × 56 × 32 mm wordt standaard op een DIN-rail geklikt of met een wandhouder gemonteerd (meegeleverd). De detectie gebeurt via diffusie, dus er hoeft geen monsternameleiding te worden aangelegd en de plaatsing van een pomp is niet nodig. Voor maximale effectiviteit plaatst u de detector zo dicht mogelijk bij het plafond van de ruimte waar waterstof zich ophoopt.
Naast twee alarmrelais heeft de E2673 ook een afzonderlijk storingsrelais. Als de detector een eigen fout vaststelt (bijv. sensoruitval, voedingsspanning buiten bereik), activeert hij de gele led en schakelt het storingsrelais in NC-logica – zo weet de gebruiker dat de detectie niet functioneert en kan hij ingrijpen. De status kan ook via Modbus RTU worden bewaakt.
Ja, via twee alarmrelais SPST (NC, 300 mA / 30 VDC). Het gaat om een standaard potentiaalvrij contact dat praktisch elke brandmeldcentrale accepteert op een ingang voor gasdetectie.
Off-gassing is het vrijkomen van gassen uit de cel zelf – de eerste fysiek meetbare uiting van een probleem. Thermal runaway is de daaropvolgende zichzelf versnellende reactie waarbij de cel onomkeerbaar een kritische temperatuur overschrijdt en kan ontbranden. Het doel van gasdetectie is om off-gassing te detecteren voordat de reactie overgaat in de fase van thermal runaway – in dat venster heeft u nog een kans om de storing te stoppen met ventilatie, uitschakeling en isolatie van de getroffen module.
Bola.cz
