Niemal w każdym zakładzie produkcyjnym istnieje konieczność zapewnienia rezerw energii pod postacią baterii akumulatorowych. Podtrzymują one pracę urządzeń w przypadku awarii sieci elektrycznej, pozwalają na użytkowanie pojazdów o napędzie elektrycznym, np. wózków widłowych, wózków towarowych czy maszyn sprzątających.
Jednym z rodzajów najpowszechniej używanych w przemyśle są baterie kwasowo-ołowiowe. Główną zaletą użytkowania tych akumulatorów jest ich niska cena – są to najtańsze ze wszystkich dostępnych na rynku rodzajów baterii. Pomimo ich popularności wciąż nie każdy zdaje sobie sprawę, że stwarzają one realne zagrożenie wybuchowe.
Akumulatory kwasowo-ołowiowe stosowane w przemyśle można zasadniczo podzielić na dwie grupy: baterie trakcyjne i stacjonarne. Zasada działania dla obu typów jest identyczna. Ogniwa kwasowo-ołowiowe charakteryzują się wykonanymi z ołowiu elektrodami. Elektrolitem jest wodny roztwór kwasu siarkowego.
Baterie kwasowo-ołowiowe, zarówno stacjonarne, jak i trakcyjne, można z kolei podzielić na następujące rodzaje:
- baterie z ogniwami otwartymi wentylowanymi,
- baterie VRLA, zwane również bateriami bezobsługowymi,
- baterie z ogniwami szczelnie zamkniętymi.
Zagrożenie wybuchem wodoru
Użytkowanie akumulatorów wiąże się nierozłącznie z koniecznością ich (cyklicznego lub buforowego – tabela 1) ładowania. Ta pozornie bezpieczna operacja może spowodować wygenerowanie atmosfery wybuchowej w wyniku wydzielenia się z ogniw wodoru.
| Zastosowanie | Sposób ładowania | Polska norma określająca wymagania w zakresie bezpieczeństwa | |
|---|---|---|---|
| Baterie trakcyjne | W pojazdach o napędzie elektrycznym: - wózkach widłowych, - wózkach towarowych, - maszynach sprzątających, - elektrycznych pojazdach drogowych. | Ładowanie cykliczne – akumulatory są na przemian ładowane i rozładowywane. | PN-EN 62485-3:2014 Wymagania bezpieczeństwa dotyczące akumulatorów i ich instalowania – Część 3: Akumulatory trakcyjne |
| Baterie stacjonarne | W urządzeniach bezprzerwowego zasilania, m.in.: - zasilaczach UPS, - systemach zasilania w serwerowniach. | Praca w trybie buforowym – akumulatory są stale podłączone do ładowarki, stale w gotowości do oddania energii w przypadku zaniku napięcia w sieci. | PN-EN:62485-2:2018 Wymagania dotyczące bezpieczeństwa baterii wtórnych i instalacji baterii – Część 2: Baterie stacjonarne |
Wodór, wybuchowy gaz, powstaje w procesie ładowania baterii stacjonarnych i trakcyjnych w wyniku elektrolizy wody przez prąd ładowania. Gdy ogniwo osiągnie stan całkowitego naładowania, elektroliza wody zachodzi zgodnie z prawem Faradaya.
W warunkach normalnych:
- 1 Ah rozkłada 0,336 g H2O do 0,42 l H2 oraz 0,21 l O2,
- 3 Ah rozkłada 1 cm3 (1 g) H2O,
- 26,8 Ah rozkłada 9 g H2O na 1 g H2 oraz 8 g O2.
Wodór jest najlżejszym z gazów, jest również skrajnie łatwopalny i wybuchowy. Charakteryzuje się niską wartością minimalnej energii zapłonu oraz bardzo szerokim zakresem granic wybuchowości. Ze względu na znacznie niższą gęstość gazu od gęstości powietrza (gęstość względna równa 0,07) w przypadku emisji w pomieszczeniach niewentylowanych lub słabo wentylowanych wodór będzie gromadził się w górnych partiach pomieszczenia. Po zakończeniu procesu ładowania gaz może być emitowany z ogniw jeszcze przez godzinę.
Pierwszym krokiem, który należy poczynić w celu określenia ryzyka wystąpienia atmosfery wybuchowej w pomieszczeniu ładowania akumulatorów, jest identyfikacja rodzaju posiadanych baterii, gdyż różnią się one między sobą ilością wodoru emitowanego do przestrzeni pomieszczenia. W przypadku ogniw otwartych (zarówno w akumulatorach stacjonarnych, jak i trakcyjnych) emisja wodoru będzie większa niż w przypadku ogniw regulowanych zaworem. Emisja z ogniw otwartych odbywa się przez otwory w wieczkach/korkach, które umożliwiają swobodne uwalnianie się gazów z wnętrza akumulatorów.
Ogniwa regulowane zaworem VRLA są w normalnych warunkach szczelnie zamknięte, posiadają jednak zawory umożliwiające ujście gazu, gdy ciśnienie wewnątrz ogniwa przekracza ustaloną wartość. Na rynku występują również ogniwa szczelnie zamknięte, w przypadku których producent zapewnia, że w określonych warunkach pracy nie dojdzie do emisji gazów z ogniwa. Ogniwa tego rodzaju mogą być wyposażone w urządzenia zapobiegające nadmiernemu wzrostowi ciśnienia.
W procesie ładowania baterii nie da się całkowicie wyeliminować emisji wodoru ze względu na jego specyfikę. W celu zapewnienia odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa w pomieszczeniach i punktach ładowania baterii kluczowe jest zastosowanie efektywnej wentylacji, najlepiej mechanicznej. Dobrze zaprojektowany system utrudni powstanie wybuchowej atmosfery w pomieszczeniu.
W związku z powyższym należy dokonać oceny instalacji wentylacji pomieszczenia akumulatorowni. Polskie normy określające wymagania dotyczące bezpieczeństwa użytkowania i instalowania baterii (norma PN-EN 62485-2:2018 dla baterii stacjonarnych oraz norma PN-EN 62485-3:2014 dla baterii trakcyjnych) sugerują metodologię pozwalającą określić niezbędne natężenie powietrza wentylującego w pomieszczeniu.
Obliczenia uwzględniają parametry ładowanych baterii, nie biorą natomiast pod uwagę kubatury pomieszczenia ładowania. Normy dopuszczają stosowanie wentylacji mechanicznej i naturalnej pod warunkiem, że zostanie zapewnione odpowiednie natężenie przepływu świeżego powietrza. Obie normy sugerują następujące rozmieszczenie kratek nawiewu i wywiewu:
- otwory wentylacji nawiewnej i wywiewnej zlokalizowane na przeciwległych ścianach,
- minimalny odstęp w przypadku otworów umieszczonych na jednej ścianie powinien wynosić 2 m,
- powietrze odciągane z akumulatorowni lub punktu ładowania baterii powinno być odprowadzane do atmosfery na zewnątrz budynku.
W celu klasyfikacji stref zagrożenia wybuchem w akumulatorowni należy posłużyć się normą PN-EN 60079-10-1:2016 Atmosfery Wybuchowe — Część 10-1: Klasyfikacja przestrzeni – gazowe atmosfery wybuchowe.
Metodyka postępowania polega na:
- wyznaczeniu stopnia rozrzedzenia atmosfery wybuchowej w pomieszczeniu/punkcie ładowania akumulatorów, z uwzględnieniem rodzaju ogniw oraz wydajności wentylacji,
- ocenie dostępności wentylacji, z uwzględnieniem rozmieszczenia otworów nawiewnych i wywiewnych oraz zastosowania (lub nie) wentylacji awaryjnej,
- określeniu charakteru emisji z danego rodzaju ogniwa (emisja ciągła, pierwszorzędowa lub wtórna),
- wyznaczeniu zasięgu strefy zagrożenia wybuchem z zastosowaniem wykresu D.1 PN-EN 60079-10-1:2016.
Zarówno norma PN-EN 62485-3:2014 dotycząca akumulatorów trakcyjnych, jak i PN-EN 62485-2:2018, odnosząca się do baterii stacjonarnych, sugeruje, że w bliskim otoczeniu baterii, niezależnie od klasyfikacji stref zagrożenia wybuchem, powinno się zachować tzw. „bezpieczny dystans” – przestrzeń wokół baterii wolną od skutecznych źródeł zapłonu, takich jak gorące powierzchnie, iskrzenie, łuk elektryczny itp.
Ze względu na bardzo niską minimalną energię zapłonu wodoru większość źródeł zapłonu, nawet tych o bardzo niewielkiej energii, jest w stanie zainicjować wybuch mieszaniny wodoru z powietrzem. Do efektywnych źródeł zapłonu należą także wyładowania elektrostatyczne, które często są pomijane przy dostosowywaniu pomieszczenia do pełnienia funkcji akumulatorowni.
Zagrożenie jest szczególnie duże podczas wykonywania prac obsługowych w akumulatorowniach, np. w trakcie uzupełniania poziomu elektrolitu w ogniwie. Może wymagać to (w zależności od typu baterii i zastosowanego systemu uzupełniania wody) zdjęcia korka ogniwa, co może spowodować nagłe uwolnienie się większej ilości wodoru zgromadzonego wewnątrz ogniwa do otoczenia. W połączeniu z nieodpowiednim ubiorem pracownika (tj. odzieżą nieodprowadzającą ładunków elektrostatycznych) i niezastosowaniem posadzki przewodzącej w obszarze dostępu do ogniw może to skutkować powstaniem wybuchu.
W celu redukcji zagrożenia wybuchowego oraz ograniczenia obsługi akumulatorów coraz częściej stosuje się w ogniwach otwartych specjalne korki rekombinacyjne. Wiążą one wodór i tlen wytwarzane podczas procesu ładowania, tworząc wodę, która kapie z powrotem do ogniwa. Korki rekombinacyjne nie eliminują w zupełności emisji wodoru, jednak znacząco ją obniżają oraz pozwalają wydłużyć czas pomiędzy kolejnym dolewaniem wody do ogniw, co znacząco wpływa na bezpieczeństwo pracy akumulatorowni. Wiele firm obecnych na rynku oferuje korki, które można dopasować do akumulatorów posiadanych już przez klienta.
Podsumowując, pomieszczenie, w którym ładowane będą baterie kwasowo-ołowiowe, szczególnie baterie otwarte, musi spełniać szereg wymogów, aby mogło być uznane za bezpieczne.
Podstawowe wymagania, które powinny zostać spełnione w każdej akumulatorowni, to:
- zastosowanie wentylacji zgodnie z PN-EN 62485-3:2014 oraz PN-EN 62485-2:2018,
- zastosowanie posadzki odprowadzającej ładunki elektrostatyczne,
- wyposażenie pracowników w odzież i obuwie antystatyczne,
- unikanie wszelkich innych źródeł zapłonu w wyznaczonej odległości od ogniw,
- wprowadzenie zmian organizacyjnych, tj. ograniczenie dostępu osób nieupoważnionych do pomieszczenia.
Obowiązkowe jest również wykonanie Oceny Ryzyka Wybuchu w pomieszczeniu, która po dokładnej analizie wykaże, czy wewnątrz akumulatorowni będą występować strefy zagrożenia wybuchem. Klasyfikacja potwierdzi, czy konieczne jest podjęcie dodatkowych środków w celu zapewnienia bezpieczeństwa, m.in.:
- dostosowanie osprzętu elektrycznego i urządzeń do wymagań dla wyznaczonej strefy (m.in. gniazda elektryczne, lampy oświetleniowe),
- poprawa wydajności i dostępności wentylacji,
- wykonanie Dokumentu Zabezpieczenia Przed Wybuchem dla pomieszczenia akumulatorowni.
Autor artykułu: Alicja Kowalik, Atex Wolff i Wspólnicy (GRUPA WOLFF)
