Časopis 112 ROČNÍK XIX ČÍSLO 8/2020

V rubrice POŽÁRNÍ OCHRANA informujeme o požáru autoservisu v Lobodicích u Přerova. V Libereckém kraji hasiči testují dvě nová vozidla CAS. Příslušníci ZPP z MV-GŘ HZS ČR sestavili předváděcí vozidlo Dacia Duster. Dočtete o problematice fluorovaných látek v pěnidlech a jejich využití. Jaké je nebezpečí u spotřebičů napájených Li-Ion akumulátorovými bateriemi? V rubrice INTEGROVANÝ ZÁCHRANNÝ SYSTÉM se dočtete o unikátním informačním systému MicroRescue. V dalších článcích vás seznámíme s výcvikem záchranných složek Královéhradeckého kraje. V Pardubickém kraji hasiči cvičili záchranu osob v případě poruchy lanovky. V rubrice OCHRANA OBYVATELSTVA A KRIZOVÉ ŘÍZENÍ připomínáme 75. výročí bombardování města Hirošima. Informujeme o odborné přípravě starostů a primátorů zaměřené na přípravu na mimořádné události a krizové situace. Dále se dočtete o mimořádných událostech řešených na úrovni EU. V rubrice INFORMACE nabízíme článek o „hasičské“ rodině. Následují anotace vysokoškolských prací. 

Rozmach mobility a autonomních elektrických zařízení, který byl započat koncem milénia, lze dnes proložit exponenciálou, přičemž v nejbližších letech nelze předpokládat oslabení tohoto trendu. V domácnostech je tak využíváno mnohdy i desítky různých spotřebičů, které jsou napájeny bateriemi, jejichž základ spočívá v elektrochemickém zdroji. Spotřebiče pak můžou využívat poměrně vysoký výkon zdroje, přičemž funkčnost a bezpečnost je obecně považována za úplnou samozřejmost. Baterie jsou dnes tak běžnou komoditou, že si jejich přítomnost mnohdy ani neuvědomujeme, natož abychom se zamýšleli nad možnými riziky ve spojení s jejich provozem.
Obr. 2 Vyznačení ohniskového kužele na desce pracovního stolu
Dominantní zastoupení mezi elektrochemickými zdroji představují nabíjitelné Lithium­ Iontové akumulátory (Li­-Ion akumulátorové baterie). Tyto baterie vznikly jako výsledek štafetově pokračujícího vývoje zejména tří vědců (John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham a Akira Jošino), kteří postupně od sedmdesátých do devadesátých let 20. století pracovali na zdokonalení funkčnosti principu známého již od roku 1912. Významnost jejich počinu byla ohodnocena Nobelovou cenou za chemii, kterou vědci v roce 2019 získali.

Výhodou Li­-Ion baterií je vysoké jmenovité napětí článku 3,6 V (rozmezí 4,2 až 2,5 V), životnost více než tisíc nabíjecích cyklů, velmi vysoká hustota energie – 200 Wh/kg (trojnásobek proti Ni­ Mh článkům) a relativně vysoká kapacita při daném objemu a hmotnosti.

Nevýhody a rizika vycházející z provozu Li­-Ion akumulátorových baterií vychází z přítomnosti nestabilního a reaktivního lithia, které se v mnohém podobá vlastnostem kovů alkalických zemin. Rychle reaguje s kyslíkem i vodou a stejně jako ostatní alkalické kovy se vyskytuje pouze v oxidačním stavu Li+. Tato rizika pochopitelně narůstají se zvyšujícím se počtem baterií, doprovázeným snahou o jejich modernizaci a miniaturizaci v kombinaci s požadavkem na maximální výkon.

Pro ilustraci některých nejpodstatnějších rizik a možných následků spojených s použitím Li­-Ion baterií budou následně v příspěvku uvedeny konkrétní případy, které byly v rámci zjišťování příčin vzniku požárů řešeny na oddělení požárně technických expertiz Technického ústavu požární ochrany (TÚPO). Pro zachování anonymity a z důvodu ochrany osobních údajů poškozených byly některé informace pozměněny.

Přebíjení v důsledku neodbornosti výrobce
Začátkem příběhu bylo zadání výběrového řízení Policie ČR (PČR) na dodání mobilního komunikačního přístroje pro bodový systém na přestupky v dopravě, který byl označen jako Communication Terminal CT 2005. Šlo v podstatě o předchůdce tabletu využívající kapesní počítač PDA vsazený do samostatné plastové konstrukce s rozšířením o klávesnici, podsvícení, porty USB, záložní energetický zdroj v podobě Li­-Ion baterie a další komponenty. Prakticky je zapojení znázorněno na schématu, viz obr. 1.

Poté, co byly terminály dodány na okresní ředitelství PČR, spustil postupně IT pracovník instalace uživatelských aplikací potřebné pro správnou funkci zařízení. Během instalace pak bylo zařízení připojeno do sítě přes externí napěťový zdroj (adaptér). Po ukončení instalace pracovník zařízení vypnul, přičemž jej nechal dále nabíjet.

Několik hodin po ukončení práce na terminálu signalizovalo čidlo elektronické požární signalizace (EPS) v místnosti existenci požáru operačnímu důstojníkovi, který aktivoval zásah jednotek požární ochrany (PO). Včasnou signalizací tak EPS zabránila dalšímu rozvoji a šíření Obr. 3 Ohnisko požáru s naznačením původní
pozice Li-Ion akumulátorupožáru mimo místnost spolu se zachováním stop a vzorků prokazujících vznik a průběh mimořádné situace (viz obr. 2). Již při prvotním ohledání byla zřejmá lokace kriminalistického ohniska v pozici uložení zařízení CT 2005. Jedním ze zásadních poznatků byla pozice zařízení po požáru, kdy v důsledku exploze ve vnitřním prostoru došlo k horizontálnímu přetočení terminálu CT 2005, který byl nalezen displejem směrem dolů k desce stolu. Dalším stěžejním poznatkem byla změna pozice tlakového krytu Li­-Ion akumulátoru, který byl reaktivní silou přemístěn na druhou stranu zařízení podle obr. 3.

Výsledkem šetření pak byla stanovena technická závada na zařízení CT2005 vlivem chyby v konstrukčním návrhu zařízení. Zařízení využívalo ke zvýšení pohotovostní a aktivní doby přídavného Lithium­ Iontového akumulátoru. Konstrukce Li­-Ion článků je předurčuje k nabíjení podle charakteristiky U, což znamená nabíjení přesným stabilizovaným napětím asi 4,2 V s povolenou odchylkou ±1 %. Reguluje se nabíjecí proud, jehož hodnota může být maximálně Imax = 0,7 x C ≈ 1 x C (C – jmenovitá kapacita akumulátoru), v tomto případě by nabíjecí proud neměl přesáhnout hodnotu 1,46 A. Při nedodržení těchto podmínek hrozí zničení článku, ztráta jeho kapacity nebo exploze s následnou prudkou reakcí lithia se vzdušným kyslíkem a jeho vznícením.

Přídavný Li­-Ion akumulátor byl zapojen přímo na větev napájenou síťovým adaptérem. Napětí dodávané zdrojem (adaptérem) podle zatížení kolísá v rozmezí (4,92 - 5,12 V), což znamená překročení referenčního nabíjecího napětí až o 21,9 % (přičemž maximální povolená odchylka je 1 %)! Síťový adaptér – zdroj napětí nemá požadované charakteristiky, aby mohl být zapojen jako nabíječka použitého přídavného akumulátoru, a je vhodný pouze jako zdroj napětí pro nabíječku, která je integrovaná jako součást kapesního počítače PDA.

Obr. 4 Původní vzhled Li-Ion akumulátoru a jeho stav po explozi v jeho vnitřním prostoru vyznačení ohniskového kužele na desce pracovního stolu

Nadbytečná elektrická energie (při nedodržení přesného nabíjecího napětí) nespotřebovaná chemickou reakcí při nabíjení Li­-Ion akumulátoru se mění na tepelnou, která způsobuje fyzikální a chemické změny ve vnitřním prostoru článku (změna skupenství elektrolytu, nárůst při tlaku, oxidační procesy atd.). Po dosažení mezní hranice odolnosti ocelového pláště akumulátoru došlo po jeho protržení v oblasti víčka k explozi a následnému plamennému hoření vzniklých hořlavých plynů, které zapálily akrylo­ butadien­ styrenový kopolymer použitý jako kryt a šasi zařízení. Základním faktorem, který měl za následek vznik daného požáru, byly elementární neznalosti pracovníků dodavatelské firmy z hlediska elektrotechniky a způsobu nabíjení Li­-Ion baterií, přičemž zakázka představovala investici v miliónech korun. Štěstím v neštěstí pak bylo, že v místnosti zasažené požárem byla krátce před událostí instalována adresná čidla EPS a problém byl vyřešen jednoznačně a v krátkém časovém úseku, což umožnilo stáhnout všechny přístroje ze zakázky a doplnit je odpovídajícím řízeným zdrojem s požadovanými nabíjecími charakteristikami.

Kritická záměna
V zimním období roku 2013 vyjela jednotka PO na ohlášený požár skladu v areálu významného strojírenského závodu v Kraji Vysočina. Průzkumem bylo zjištěno, že jde o požár skladu dřevotřískových desek na výrobu nábytku. Požárem byla zachvácena plocha asi 450 m2 skladu a část střechy budovy. Po příjezdu HZS ČR na místo události velitel prostřednictvím OPIS nechal vyhlásit II. stupeň poplachu. Na likvidaci požáru bylo postupně nasazeno sedm proudů C od rozdělovačů a jeden vysokotlaký proud. Vše za použití dýchacích přístrojů. Doplňování vody pro zasahující CAS bylo zajištěno čerpacím stanovištěm od hydrantu vzdáleného zhruba 100 m od místa události. Místo zásahu bylo odvětráno přirozeně okny a dvěma přetlakovými ventilátory. V hořícím skladu se nacházelo pět 10kg tlakových propanbutanových lahví, které byly ochlazovány vysokotlakým proudem. V důsledku požáru došlo k narušení konstrukce obvodového pláště skladu a jednotky PO musely dbát zvýšené opatrnosti vzhledem k možnému pádu štítové zdi. Požár ztěžovalo zimní počasí a teploty hluboko pod hodnotou bodu mrazu (viz obr. 5).

Při šetření příčiny bylo v kriminalistickém ohnisku nalezeno množství vzájemně propojených Li­-Ion článků typu MH 12210, z nichž některé byly roztrženy explozí se stopami tepelného vyžíhání energií působící z vnitřního prostoru. Sběrem informací bylo zjištěno, že v daném Obr. 5 Stav požáru při příjezdu první jednotky POprostoru se nacházel páskovací stroj OR­ T 250 se dvěma Bosch Li­-Ion akumulátory, přičemž jeden byl zapojen odpovídající Bosch nabíječkou. Protože jednou z možných verzí příčiny vzniku požáru byla technická závada elektrických spotřebičů v ohnisku, byly všechny uvedené fragmenty odebrány jako vzorky ke zkoumání a zaslány na expertizu a laboratorní zkoumání do TÚPO.

Zkoumáním pak bylo zjištěno, že obě Li­-Ion akumulátorové baterie jsou v principu shodné konstrukce a výrobce, ale to jen na první pohled (viz obr. 12 a 13). Lišily se navzájem počtem článků, což představovalo rozdíl v nominálních úrovních jmenovitého napětí 14.4 V a 18.0 V. Bosch nabíječka byla určená pro oba typy akumulátorů, ale páskovačka měla jmenovité napětí 14.4 V, přičemž v předchozím období byla zároveň využívána páskovačka BX 2-19, která byla pro technickou závadu vyřazena. Rozdíl mezi akumulátory byl navenek zajištěn pouze plastovou přepážkou v patici přípojného konektoru baterií.

Výsledkem laboratorního zkoumání bylo zjištění, že příčinou vzniku požáru byla technická závada v akumulátorovém modulu Bosch 18 V - Li­ -Ion 2,6 A.h (AKU 1), jenž byl uložen v patici autonomní nabíječky značky Bosch AL 1860 CV. Tato technická závada vznikla jako důsledek předchozího nestandardního užívání, kdy modul určený pro páskovačku BX 2-19 nevhodně napájel páskovací stroj OR­ T 250 se jmenovitým napětím 14.4 V (viz obr. 10 a 11). Při aktivní funkci páskovače docházelo k proudovému přetěžování AKU 1, a tím k destrukci jeho elementů.
Kritické poškození jednoho z elementů pak spolu s procedurou rychlo­nabíjení spustilo proces postup­ného samovy­bíjení jeho plně nabitého párového členu (párové řazení pro vyšší kapacitu). Postupným nárůstem proudu docházelo k emisi tepelné energie a tím ke vzrůstu teploty, která měla iniciační charakter vzhledem k danému požáru.

Zjednodušeně pak lze za příčinu označit záměnu Li­-Ion akumulačních baterií dvou téměř identických páskovaček, které měly rozdílné napájecí napětí. Problém pak vznikl, když pracovníci zasunuli 18 V baterii do 14.4 V páskovačky za použití síly, čímž poškodili plastovou bezpečnostní přepážku v patici modulu.

Závěr
Pokud chceme, aby lithiový akumulátor spolehlivě a bezpečně sloužil po dlouhou dobu, je nutné se o něj dobře starat. Přes veškeré své výhody jsou lithiové akumulátory relativně citlivé na zacházení a je nutné dodržet několik zásad. Akumulátor časem bez ohledu na to, zda je používán, či ne, podléhá přirozenému stárnutí a ztrácí svou kapacitu. Degradaci nelze zabránit, je však možné ji minimalizovat. První zásadou by mělo být, že by se akumulátor neměl uskladňovat vybitý, zároveň však není vhodné jej uskladňovat ani plně nabitý. Pokud chceme akumulátor uskladnit mimo období po­užívání, ideálně by měl být nabitý na zhruba 40–50 % a nabít jej na 100 % až před započetím práce. Tímto postupem můžete životnost baterie až ztrojnásobit.

Nikdy bychom neměli dlouhodobě skladovat baterii plně vybitou, i když je samovybíjení relativně nízké, pokud by napětí některého z článků kleslo pod 2,8 V, bude problém s „oživením“. Baterie by se měla skladovat v chladném místě, vysoké teploty jí škodí, zároveň však špatně snáší mráz. Nikdy se nesnažte baterii rychle dobít nestandardními způsoby nebo neodpovídajícími přístroji, používejte pouze nabíječky dodané společně s výrobkem. Přestože jsou baterie opatřeny elektronikou, která do jisté míry nabíjení a vybíjení hlídá, použití nevhodné nabíječky může baterii nejen trvale poškodit, zároveň může způsobit i její vznícení. Li­-Ion baterie jsou citlivé na teplotu včetně dlouhodobého vystavení slunečnímu záření. Zásadním problémem je rovněž mechanické poškození článků, kdy destrukční mechanická síla může článek ve vnitřní struktuře zásadně poškodit. Výsledkem je pak vnitřní zkrat mezi vrstvami baterie, který se zásadně projeví zejména při nabíjecím cyklu. Zároveň je nutné akceptovat sérioparalelní zapojení článků, čímž vnitřní zkrat jednoho článku vytvoří proudovou cestu pro další paralelně spojené články (pro zvýšení kapacity baterie).


kpt. Ing. Petr MICHUT, TÚPO, foto archiv TÚPO

Print  E-mail  X Corp.   Facebook