Spis treści serii: Ocena raportów OOŚ dla instalacji baterii litowo-jonowych
- Jak analizujemy raport OOŚ – studium przypadku
- Czy raport OOŚ dla instalacji baterii litowo-jonowych rzeczywiście uwzględnia wszystkie zagrożenia?
- Czy raport prawidłowo identyfikuje główne zagrożenie technologiczne?
- Czy raport prawidłowo ocenia emisję fluorowodoru (HF) oraz innych gazów toksycznych? ← obecnie tutaj
- Czy raport prawidłowo ocenia wpływ pożaru baterii litowo-jonowych na środowisko gruntowo-wodne?
- Czy raport prawidłowo ocenia możliwość wystąpienia efektu domina?
- Czy raport OOŚ jest zgodny z aktualnym stanem wiedzy technicznej?
Po ustaleniu głównego zagrożenia technologicznego kolejnym etapem analizy jest ocena produktów powstających podczas pożaru baterii litowo-jonowych.
Jest to jeden z najczęściej pomijanych elementów raportów OOŚ dotyczących instalacji magazynowania oraz przetwarzania baterii Li-ion.
Dlaczego analizujemy emisję HF?
Elektrolity stosowane w bateriach litowo-jonowych mogą zawierać związki fluoru. Podczas rozkładu termicznego lub pożaru mogą powstawać substancje niebezpieczne, między innymi:
- fluorowodór (HF),
- tlenek węgla (CO),
- dwutlenek węgla (CO₂),
- fosforylofluorek (POF₃),
- lotne związki organiczne,
- aerozole oraz pyły zawierające metale ciężkie.
Produkty te mogą stanowić zagrożenie zarówno dla osób prowadzących akcję ratowniczo-gaśniczą, jak również dla środowiska oraz osób znajdujących się poza terenem zakładu.
Dlatego ocena ich emisji stanowi jeden z podstawowych elementów analizy bezpieczeństwa instalacji wykorzystujących baterie litowo-jonowe.
Jakie pytania powinien zadać ekspert?
Podczas analizy raportu sprawdzamy między innymi:
- Czy zidentyfikowano wszystkie produkty rozkładu termicznego baterii?
- Czy przeanalizowano możliwość emisji fluorowodoru (HF)?
- Czy oszacowano ilość emitowanych substancji niebezpiecznych?
- Czy wykonano modelowanie rozprzestrzeniania gazów toksycznych?
- Czy określono strefy potencjalnego oddziaływania poza granicami zakładu?
- Czy oceniono wpływ warunków meteorologicznych na rozprzestrzenianie chmury toksycznej?
- Czy oceniono zagrożenie dla mieszkańców oraz służb ratowniczych?
Co wykazała analiza raportu?
W analizowanym raporcie opisano produkty spalania gazu propan-butan, wskazując przede wszystkim możliwość powstawania tlenku węgla oraz dwutlenku węgla.
Nie przedstawiono natomiast odrębnej analizy produktów rozkładu termicznego baterii litowo-jonowych.
W szczególności nie odniesiono się do:
- emisji fluorowodoru (HF),
- emisji fosforylofluorku (POF₃),
- emisji lotnych produktów rozkładu elektrolitu,
- emisji aerozoli zawierających metale,
- modelowania rozprzestrzeniania substancji toksycznych.
Dlaczego ma to znaczenie?
Fluorowodór jest gazem silnie toksycznym i żrącym.
Podczas pożaru baterii litowo-jonowych może powstawać w ilościach zależnych od rodzaju baterii, ich stanu naładowania, składu elektrolitu, ilości materiału objętego pożarem oraz warunków prowadzenia akcji gaśniczej.
W przeciwieństwie do klasycznych pożarów materiałów palnych analiza pożaru baterii Li-ion nie może ograniczać się wyłącznie do emisji tlenku i dwutlenku węgla.
Brak identyfikacji fluorowodoru może prowadzić do niedoszacowania rzeczywistego zagrożenia dla ludzi oraz środowiska.
Przykład obliczenia przesiewowego emisji HF
Poniższy przykład ma charakter edukacyjny. Dane wejściowe są hipotetyczne i służą przedstawieniu metodyki wykonywania obliczeń przesiewowych dla scenariusza pożaru baterii litowo-jonowych.
Celem obliczenia jest odpowiedź na pytanie:
Czy toksyczna chmura HF może potencjalnie wykraczać poza teren zakładu?
Schemat obliczeń
Baterie Li-ion → thermal runaway → emisja HF → model smugi Gaussa → stężenie HF → ocena ryzyka
Założenia przykładowego scenariusza
Na potrzeby przykładu przyjęto następujące dane:
- masa baterii objęta pożarem: 1 Mg oraz 25 Mg,
- energia właściwa baterii: 150 Wh/kg,
- emisja fluorowodoru: 20–200 mg/Wh,
- czas emisji: 30 minut,
- prędkość wiatru: 3 m/s,
- klasa stabilności atmosfery: D,
- wysokość emisji: 5 m.
Krok 1. Wyznaczenie ilości emitowanego HF
Energię zgromadzoną w bateriach oblicza się z zależności:
Rysunek 2. Zależności stosowane do przesiewowego oszacowania energii baterii, masy emitowanego HF oraz intensywności emisji.
E = m × e
gdzie:
E – energia zgromadzona w bateriach [Wh]
m – masa baterii [kg]
e – energia właściwa baterii [Wh/kg]
Dla 1 Mg baterii:
E = 1000 kg × 150 Wh/kg = 150 000 Wh
Masę emitowanego fluorowodoru można oszacować ze wzoru:
MHF = E × EF
gdzie:
MHF – masa emitowanego HF [mg]
E – energia zgromadzona w bateriach [Wh]
EF – współczynnik emisji HF [mg/Wh]
Dla przyjętych założeń otrzymujemy:
| Scenariusz | Szacowana emisja HF |
|---|---|
| 1 Mg baterii | 3–30 kg |
| 10 Mg baterii | 30–300 kg |
| 25 Mg baterii | 75–750 kg |
Krok 2. Wyznaczenie intensywności emisji
Zakładając równomierną emisję przez 30 minut:
Q = MHF / t
gdzie:
Q – intensywność emisji [mg/s]
MHF – masa emitowanego HF [mg]
t – czas emisji [s]
Dla 1 Mg baterii i emisji 3 kg HF:
Q = 3 000 000 mg / 1800 s = 1667 mg/s
Dla 1 Mg baterii i emisji 30 kg HF:
Q = 30 000 000 mg / 1800 s = 16 667 mg/s
Krok 3. Model rozprzestrzeniania – smuga Gaussa
Do oszacowania stężenia w osi smugi można wykorzystać klasyczny model smugi Gaussa.
Wzór ogólny:
C(x,y,z) = [Q / (2πuσyσz)] × exp[-y²/(2σy²)] × {exp[-(z-H)²/(2σz²)] + exp[-(z+H)²/(2σz²)]}
Dla osi smugi przy powierzchni terenu, czyli dla y = 0 oraz z = 0, wzór upraszcza się do postaci:
C(x,0,0) = [Q / (πuσyσz)] × exp[-H²/(2σz²)]
gdzie:
C – stężenie substancji w powietrzu [mg/m³]
Q – intensywność emisji [mg/s]
u – prędkość wiatru [m/s]
σy – współczynnik dyspersji poziomej [m]
σz – współczynnik dyspersji pionowej [m]
H – efektywna wysokość emisji [m]
x – odległość od źródła emisji [m]
y – odległość poprzeczna od osi smugi [m]
z – wysokość punktu obliczeniowego [m]
Współczynniki dyspersji Pasquilla-Gifforda
Dla klasy stabilności atmosfery D można przyjąć przykładowe zależności:
σy = 0,08x(1 + 0,0001x)^(-0,5)
σz = 0,06x(1 + 0,0015x)^(-0,5)
gdzie:
x – odległość od źródła emisji [m]
Zasięg oddziaływania wyznacza się poprzez obliczenie stężenia C dla kolejnych odległości x i porównanie wyniku z przyjętym kryterium oceny, np. progiem toksycznym, wartością odniesienia lub poziomem alarmowym.
Przykładowe wyniki obliczeń
Scenariusz: pożar 1 Mg baterii
| Odległość od źródła | HF – wariant niskiej emisji | HF – wariant wysokiej emisji |
|---|---|---|
| 50 m | ok. 3,5 mg/m³ | ok. 34 mg/m³ |
| 100 m | ok. 2,7 mg/m³ | ok. 27 mg/m³ |
| 200 m | ok. 1,0 mg/m³ | ok. 9,5 mg/m³ |
| 500 m | ok. 0,2 mg/m³ | ok. 2,0 mg/m³ |
| 1000 m | ok. 0,06 mg/m³ | ok. 0,6 mg/m³ |
Scenariusz: pożar 25 Mg baterii
| Odległość od źródła | HF – wariant niskiej emisji | HF – wariant wysokiej emisji |
|---|---|---|
| 50 m | ok. 86 mg/m³ | ok. 861 mg/m³ |
| 100 m | ok. 67 mg/m³ | ok. 666 mg/m³ |
| 200 m | ok. 24 mg/m³ | ok. 237 mg/m³ |
| 500 m | ok. 4,9 mg/m³ | ok. 49 mg/m³ |
| 1000 m | ok. 1,5 mg/m³ | ok. 15 mg/m³ |
| 1500 m | ok. 0,8 mg/m³ | ok. 7,9 mg/m³ |
Interpretacja wyników
Przykład pokazuje, że przy scenariuszu większego pożaru baterii litowo-jonowych oddziaływanie fluorowodoru może potencjalnie wykraczać poza teren zakładu.
Oznacza to, że w raporcie OOŚ nie powinno się poprzestawać na ogólnym stwierdzeniu, że skutki pożaru będą lokalne. Takie twierdzenie powinno zostać poparte analizą scenariusza awaryjnego oraz obliczeniami rozprzestrzeniania substancji toksycznych.
W praktyce inwestor może ograniczyć zasięg oddziaływania poprzez właściwe rozwiązania techniczne i organizacyjne, takie jak:
- ograniczenie maksymalnej ilości baterii w jednej strefie pożarowej,
- podział magazynu na mniejsze strefy,
- zastosowanie przegród pożarowych,
- separację baterii uszkodzonych,
- ograniczenie efektu domina,
- systemy detekcji i monitoringu,
- właściwą wentylację,
- procedury postępowania z bateriami o nieznanym stanie technicznym.
To właśnie takie rozwiązania powinny zostać opisane i uzasadnione w raporcie OOŚ.
Wniosek eksperta
W naszej ocenie raport nie przedstawia kompleksowej analizy emisji substancji toksycznych charakterystycznych dla pożaru baterii litowo-jonowych.
Opis produktów spalania odnosi się głównie do gazu propan-butan, natomiast pomija analizę produktów rozkładu elektrolitów stosowanych w bateriach Li-ion, w tym fluorowodoru (HF).
Przykładowe obliczenie przesiewowe wskazuje, że zasięg oddziaływania HF może potencjalnie wykraczać poza teren zakładu. W związku z tym twierdzenie o wyłącznie lokalnym charakterze oddziaływania pożaru powinno zostać uzasadnione obliczeniowo.
Organ administracji powinien mieć możliwość oceny, czy inwestor właściwie ograniczył scenariusz największej wiarygodnej awarii, w szczególności przez podział magazynu na strefy, ograniczenie efektu domina oraz wskazanie maksymalnej ilości baterii mogącej uczestniczyć w jednym zdarzeniu.
Co powinien zawierać raport?
W naszej ocenie raport powinien zostać uzupełniony między innymi o:
- identyfikację produktów rozkładu termicznego baterii,
- oszacowanie ilości emitowanego fluorowodoru (HF),
- analizę emisji innych gazów toksycznych,
- modelowanie rozprzestrzeniania chmury toksycznej,
- ocenę wpływu na ludzi oraz środowisko,
- analizę stref pożarowych,
- ocenę możliwości efektu domina,
- ocenę skuteczności proponowanych środków bezpieczeństwa.
Czy można wykonać takie obliczenia dla konkretnej inwestycji?
Tak.
Hazards Control wykonuje modelowanie scenariuszy awaryjnych dla rzeczywistych danych technologicznych inwestora, z uwzględnieniem:
- ilości baterii,
- rodzaju ogniw,
- stopnia naładowania baterii,
- geometrii magazynu,
- podziału na strefy pożarowe,
- lokalizacji najbliższej zabudowy,
- warunków meteorologicznych,
- ukształtowania terenu,
- zastosowanych zabezpieczeń technicznych i organizacyjnych.
Źródła metodyczne
Model smugi Gaussa jest klasycznym modelem wykorzystywanym do przesiewowej oceny rozprzestrzeniania zanieczyszczeń w atmosferze. Dokumentacja programu ALOHA, opracowanego przez NOAA oraz EPA, opisuje zastosowanie modelu Gaussa dla dyspersji gazów w warunkach pasywnych. Współczynniki dyspersji atmosferycznej mogą być wyznaczane z wykorzystaniem metodyki Pasquilla-Gifforda.
Wybrane źródła:
- NOAA/EPA, ALOHA Technical Documentation, Areal Locations of Hazardous Atmospheres.
- US EPA, ALOHA Software – CAMEO Chemicals Suite.
- Pasquill F., Atmospheric Diffusion.
- Gifford F.A., Atmospheric Dispersion Calculations.
- Turner D.B., Workbook of Atmospheric Dispersion Estimates.
- Larsson F. i in., Toxic fluoride gas emissions from lithium-ion battery fires.
Kolejny etap analizy
Sama identyfikacja emisji gazów toksycznych nie jest wystarczająca.
Kolejnym krokiem jest odpowiedź na pytanie:
Czy raport prawidłowo ocenia wpływ pożaru baterii litowo-jonowych na środowisko gruntowo-wodne oraz skutki wykorzystania wód gaśniczych podczas akcji ratowniczej?