Lithiumaccu's in brandveiligheidsopslagkasten

Ede, 27 mei 2019

Op 7 maart 2019 werd bekend gemaakt dat een nieuwe richtlijn voor de opslag van lithium-ion batterijen in de maak is (bron). Helaas zal deze pas tegen 2021 gereed zijn, terwijl er nu al veel vraag is naar een richtlijn. De Veiligheidsregio’s Haaglanden en Rotterdam Rijnmond en het LIOGS hebben een handreiking geschreven over de opslag van lithium-ion batterijen (bron). Hoewel er genoeg aan te merken is op deze handreiking, zal dit artikel zich beperken tot één paragraaf: "5.3 Brandveiligheidsopslagkasten".

Verder zal in dit artikel de term lithuimaccu's gebruikt worden als alomvattend woord voor lithium-ion (Li-ion), lithium polymeer (Lipo), Lithium-ijzer-fosfaat (LFP), Lithium-zwavel (Li-S), accu's (oplaadbaar) en batterijen (eenmalig).

 

Handreiking vergelijken met PGS 15

De handreiking heeft in paragraaf 5.3 een voorschrift uit de PGS 15 gedeeltelijk overgenomen.

vs 3.3.1 "Een brandveiligheidsopslagkast, waarvan het eerste gebruik heeft plaatsgevonden na 1 januari 2006, moet aan NEN-EN-14470-1 voldoen. Een brandveiligheidsopslagkast waarvan het eerste gebruik dateert van vóór die datum moet ten minste voldoen aan NEN 2678. (...)"

Wat niet overgenomen is: "(...) Bij het gebruik van de brandveiligheidsopslagkasten moet tevens worden voldaan aan de eisen van bijlage F. (...)"

Dit is begrijpelijk, aangezien bijlage F (o.a.) aangeeft welke producten gecombineerd opgeslagen kunnen worden en lithiumaccu's daarin niet zijn opgenomen.

Wat ook niet overgenomen is: "Brandveiligheidskasten met een opslagcapaciteit groter dan 250 kg of ter plaatse
gebouwde kasten moeten als een reguliere opslagvoorziening conform Hoofdstuk 3 van deze PGS worden beschouwd."

Met andere woorden, de opslagcapaciteit van maximaal 250 kg hoeft niet gevolgd te worden.

NEN 14470-1 en NEN 2678

De brandwerendheid van brandveiligheidsopslagkasten wordt getoetst door deze in een oven te zetten, en vervolgens de temperatuur aan de binnenzijde te meten. Kasten die voldoen aan de NEN 2678 zijn getoetst met een brandcurve (brandkromme) die na 40 minuten een maximumtemperatuur bereikt van iets minder dan 800 °C. Als na deze 40 minuten de temperatuur van de (meet)vloeistof in de kast minder dan 25 °C is toegenomen, wordt deze ingedeeld als type "> 40 minuten".

Verder dient

  • er een Nederlandstalige gebruiksaanwijzing aanwezig te zijn voor de kast;
  • het opslagvolume aangegeven te zijn (max 150 L);
  • de kast voorzien te zijn van het vlam-symbool en de tekst "uitsluitend bestemd voor brandbare vloeistoffen";
  • de norm (NEN 2678) vermeld te zijn.

De NEN 14470-1 is een stuk uitgebreider. De belangrijkste verschillen zijn:

  • de brandcurve gaat door tot 90 minuten en een maximumtemperatuur van ca. 1.000 °C;
  • in plaats van meetvloeistof, wordt de lucht in de kast gemeten, deze mag niet meer dan 180 °C stijgen;
  • het opslagvolume van de kast is maximaal 1 m³ (en vanuit de PGS 15: max 250 L of kg);
  • de brandwerendheid wordt verdeeld in types: 30 minuten, 60 minuten, en 90 minuten.

Aangezien de NEN 2678 zelf al aangeeft dat de opslagkast uitsluitend voor brandbare vloeistoffen gebruikt mag worden, is deze kast ongeschikt voor de opslag van lithiumaccu's.

Analyse

Het gebruik van een brandveiligheidsopslagkast voor de opslag van lithiumaccu's zal geanalyseerd worden. Hiervoor worden twee scenario's bekeken: een brand in de opslagkast (volledig gevuld); en een brand buiten de opslagkast.

Externe brand

In dit filmpje (bron: https://www.youtube.com/watch?v=apk71b6ruVk) is te zien dat een lithiumaccu in een oven gelegd wordt. Deze oven wordt afgesteld op 500 °F (260 °C). In deze video worden sommige gedeelten versneld afgespeeld, en er is een stuk uit geknipt, dus het is moeilijk om iets te zeggen over de faalduur. Echter, het is te zien dat binnen een minuut de accu al beschadigd is.

In dit filmpje (bron: https://www.youtube.com/watch?v=uN8HcqAtDSY) is te zien dat een lithiumaccu die een thermal runaway ondergaat ongeveer 250 °C is.

Een brandveiligheidsopslagkast is zo getest dat de binnentemperatuur onder de ca. 200 °C blijft bij een externe brand. Dit biedt geen garantie dat de accu's in tact zullen blijven, maar zal in ieder geval vertragend werken. Over de duur van de vertraging is nader onderzoek nodig.

Interne brand

Normaal gesproken zou een brand in de kast zichzelf verstikken. Bij brand wordt de kast namelijk nagenoeg gasdicht afgesloten door de zelfsluitende deur(en) en klep(pen), en het opschuimende materiaal in de sponning. Echter, aangezien een accu een oxiderende stof bevat, zou een brandende accu zichzelf van brandstof én zuurstof kunnen voorzien. Dit dient nog experimenteel geverifieerd te worden. Voor de rest van de analyse zal aangenomen worden dat de brand zichzelf NIET verstikt.

Voor een interne brand is het noodzakelijk dat de brandveiligheidsopslagkast een symmetrische opbouw heeft. Hierdoor kan aangenomen worden dat de kast zich bij een interne brand vergelijkbaar gedraagt als bij een externe brand.

Berekening 1: Best-mogelijke verbranding

Bij een zeer gunstige verbranding (ca. 9,20 ± 0,63 MW), is de verbrandingssnelheid 0,320 (±0,022) kg/s. Bij een opslag van 250 kg zal een brand dan minstens 781 (±54) seconden (13 ± 1 minuten) duren.

Berekening 2: Verbranding vergelijkbaar met brandcurve

De brandwerendheid van de kast is getest bij een warmtebelasting van ca. 1.000 °C (equivalent aan 150 kW/m2). De inwendige afmetingen van een PrioCab veiligheidskast zijn: 1,60 x 1,12 x 0,48 (m). De totaal aan te stralen oppervlakte is dan 6,2 m2. Om de test-omstandigheden te halen, is een vermogen nodig van 150 kW/m2 x 6,2 m2 = 0,93 MW (MJ/s). Dit komt overeen met een brandsnelheid van 0,032 kg/s. Als deze verbrandingssnelheid gehanteerd wordt, zal de 250 kg in ongeveer 7.813 seconden verbranden (130 minuten).

 

Conclusie

Een brandveiligheidsopslagkast die voldoet aan de NEN 2678 is ongeschikt voor de opslag van lithiumaccu's.

Bij een externe brand biedt een brandveiligheidsopslagkast geen garantie dat de accu's in tact zullen blijven, maar zal in ieder geval vertragend werken. Over de duur van de vertraging is nog onvoldoende informatie beschikbaar.

Als de brandveiligheidsopslagkast een symmetrische opbouw heeft, dan kan er ook iets gezegd worden over een brand in de brandveiligheidsopslagkast. Een brand van 250 kg lithiumaccu's tussen de 13 en 130 minuten duren. Hierbij moet opgemerkt worden dat deze berekeningen sterk afhangen van:

  • De aanname hoeveel zuurstof er beschikbaar is voor de brand; en daarmee ook
  • De brandsnelheid van de accu's.

Over het exacte verloop van een lithiumaccubrand in een brandveiligheidsopslagkast is nog onvoldoende informatie beschikbaar.

Het gebruik van een brandveiligheidsopslagkast voor het opslaan van lithiumaccu's is aan te raden, aangezien deze technologie al beschikbaar en genormeerd is. Echter, voor het halen van het veiligheidsniveau zoals beoogd in de PGS 15, is meer informatie nodig over de maximaal toelaatbare hoeveelheid accu's.

Toelichting op berekeningen

Voor de berekeningen wordt gebruik gemaakt de volgende bron voor kentallen. (bron)

De verbrandingswarmte van verpakte lithium accu’s wordt door de bron aangegeven als zijnde 30,7 (±1,3) MJ/kg. (N.B. dit vergelijkbaar met ethanol (29,7 MJ/kg) en ca. 70% van diesel of heptaan (45 MJ/kg.) Hiervan wordt

  • 25 m% (à 28 MJ/kg) toegekend aan het elektrolyt;
  • 54 m% (à 39 MJ/kg) toegekend aan het plastic; en
  • 21 m% (à 14 MJ/kg) toegekend aan het karton.

Het experiment beschreven in de de bron, is een ideale verbranding: open warenhuis, gestapelde pallets. De totale energie in de stapel is 21 GJ (inclusief pallets). Het totale gewicht van één palletpositie is 177 kg, met een chemische energie-inhoud van 5,1 GJ. Dit is 28,8 MJ/kg. (Pallets hebben een lagere verbrandingswaarde dan de accu’s.)

In het experiment, wordt na 6 minuten een maximale brand bereikt. De maximale verbranding heeft een Convective Heat Release Rate tussen de 5,5 en 6,0 MW. Normaal gesproken is dit ca. 60 % - 65 % van de totale energie (voor grotere koolwaterstoffen ligt de radiative fraction tussen de 0.35 en 0.40). (Bron)

De verbrandingssnelheid is dan (5,75 / 0,625 =) 9,2 (±0,63) MJ/s; à 28,8 MJ/kg, oftewel 320 (±22) g/s.