Produkcja współczesnych dronów i innych systemów bezzałogowych coraz częściej łączy w jednym zakładzie dwa procesy wymagające szczególnej uwagi: stosowanie baterii litowo-jonowych oraz wytwarzanie przyrostowe – druk 3D z metalu i tworzyw sztucznych.
Dotyczy to zarówno bezzałogowych statków powietrznych, jak i pojazdów lądowych, jednostek nawodnych oraz podwodnych. W każdym z tych przypadków charakter zagrożenia może być inny, dlatego bezpieczeństwo najlepiej uwzględniać już podczas projektowania procesu produkcyjnego.
Bateria niewielka i bateria dużej energii to inne scenariusze
W przypadku niewielkich dronów problemem może być duża liczba małych pakietów jednocześnie magazynowanych, ładowanych i testowanych. Przy większych systemach lądowych lub wodnych znaczenia nabiera natomiast energia pojedynczego zestawu oraz możliwość propagacji thermal runaway pomiędzy ogniwami i modułami.
Podczas thermal runaway mogą powstawać m.in. wodór, tlenek węgla, lekkie węglowodory, dwutlenek węgla oraz związki fluoru, w tym HF. Skład oraz ilość emisji bardzo silnie zależą od konstrukcji, chemii ogniwa, SOC i przebiegu samej awarii. Literatura potwierdza jednocześnie, że uwalniana mieszanina może stwarzać zagrożenie toksyczne i wybuchowe.
Dlatego nie należy automatycznie przeliczać wyników uzyskanych dla jednego rodzaju baterii na każdy inny pakiet.
Wentylacja przy thermal runaway jest szczególnie trudnym zagadnieniem
Klasyczna wentylacja przemysłowa jest zazwyczaj projektowana dla stosunkowo przewidywalnej emisji. Thermal runaway wygląda inaczej.
Uwolnienie gazów może być gwałtowne, krótkotrwałe i silnie zmienne w czasie. W badaniach obserwuje się wieloetapowe odpowietrzanie oraz gwałtowny wyrzut gorących gazów, aerozoli i cząstek stałych.
Powoduje to kilka problemów, które trzeba rozpatrywać łącznie:
- chwilowy strumień gazu może być wielokrotnie ważniejszy niż jego wartość średnia;
- mieszanina może zawierać jednocześnie składniki łatwopalne i silnie toksyczne;
- produkty emisji mogą mieć wysoką temperaturę;
- kanał odprowadzający mieszaninę palną może w określonym scenariuszu stać się drogą propagacji płomienia;
- wentylator powinien być sprawdzony nie tylko pod względem wydajności, lecz również dopuszczalnej temperatury gazów, ich składu oraz warunków awaryjnych.
Dodatkowym problemem są produkty wyrzucane z baterii. Badania thermal runaway potwierdzają emisję cząstek stałych, fragmentów materiału elektrodowego i aerozoli, a przy większych ogniwach może to być istotny składnik wyrzutu.
Dlatego typowego przerywacza płomienia nie należy traktować automatycznie jako uniwersalnego rozwiązania. Element o wąskich kanałach lub strukturze porowatej musi być oceniony również pod kątem zanieczyszczenia, osadzania się produktów thermal runaway i możliwego ograniczenia przepływu. W praktyce właśnie wentylacja i bezpieczne odprowadzenie gazów mogą należeć do najtrudniejszych elementów projektu zabezpieczenia.
Co wnosi VDMA 24994?
Interesującym punktem odniesienia dla mniejszych, odłączalnych baterii jest VDMA 24994:2024-08. Dokument ustanawia wymagania badawcze dla ognioodpornych szaf przeznaczonych do przechowywania baterii Li-ion w przypadku thermal runaway.
Co istotne, badanie odbywa się z rzeczywistym scenariuszem awarii baterii, a dokument dotyczy odłączalnych lub przenośnych baterii o masie do 25 kg.
VDMA 24994 nie rozwiązuje jednak całego problemu bezpieczeństwa baterii. Sam dokument nie bada właściwości baterii ani aktywnych systemów bezpieczeństwa, takich jak detekcja lub gaszenie. Zwraca się również uwagę, że wymagania tego typu koncentrują się przede wszystkim na zagrożeniu pożarowym i nie zastępują analizy zagrożenia wybuchem czy narażenia na niebezpieczne produkty gazowe.
Dlatego oznaczenie szafy zgodnością z VDMA 24994 należy traktować jako ważną informację o przebadanym zakresie ochrony, ale nie jako zastępstwo analizy całego stanowiska i procesu technologicznego.
Druk 3D może wprowadzać zupełnie inny mechanizm wybuchu
Drugim charakterystycznym obszarem produkcji dronów jest additive manufacturing.
W druku metalowym wykorzystującym drobne proszki niebezpieczeństwo może wynikać z powstawania palnej chmury pyłu. NIOSH wskazuje zagrożenie wybuchem m.in. dla technologii Powder Bed Fusion, Binder Jetting oraz Directed Energy Deposition wykorzystujących proszek.
Analiza nie może ograniczać się do zamkniętej komory drukarki. Należy brać pod uwagę także przesypywanie proszku, depowdering, przesiewanie, odzysk materiału, czyszczenie, odpylanie oraz gospodarkę odpadami.
W przypadku tworzyw sytuacja zależy od technologii. Druk z filamentu ma inny profil zagrożeń niż proces wykorzystujący proszek polimerowy, a jeszcze inne problemy mogą występować przy żywicach i stosowaniu palnych rozpuszczalników w post-processingu.
Bezpieczeństwo najlepiej projektować razem z procesem
Najkorzystniejszy moment na analizę takich zagrożeń występuje przed ostatecznym rozmieszczeniem stanowisk, instalacji wentylacyjnych, magazynów baterii i urządzeń do obróbki proszków.
Pozwala to najpierw ograniczać samo źródło zagrożenia, a dopiero później dobierać detekcję, wentylację, urządzenia Ex i techniczne środki ograniczające skutki awarii.
Szersze omówienie projektowania takich procesów znajduje się na stronie: „Ocena zagrożenia wybuchem przy produkcji dronów – baterie Li-ion i druk 3D”.
Źródła
VDMA 24994:2024-08 – Test requirements for fire-protection storage cabinets for lithium-ion batteries in the case of thermal runaway.
Wang S. i in., A review on mechanisms, characteristics and relating hazards of vent gases from thermally abused Li-ion batteries, Journal of Energy Storage 84 (2024).
Review of gas emissions from lithium-ion battery thermal runaway failure — Considering toxic and flammable compounds, Journal of Energy Storage 87 (2024).
Wang G. i in., Revealing particle venting of lithium-ion batteries during thermal runaway, eTransportation 16 (2023).
NIOSH, Potential Hazards of Additive Manufacturing.