Leidraad MS Amlin i.s.m. Halyard Risk over risico’s Lithium-ion-accu’s

Het gebruik van lithium-ion-accu’s neemt snel toe. Deze accu’s kunnen echter een groot brand- en veiligheidsrisico vormen. Hoewel er beveiligingssystemen en tools beschikbaar zijn om de risico’s te beperken, is het belangrijk te begrijpen hoe deze tools werken. Dan weet u zeker dat de beveiligingssystemen geschikt zijn voor de storingen in een specifiek accusysteem.

Het blussen of bedwingen van lithiumbrand in grote accupacks is moeilijk en duur. Er is op het moment van schrijven nog steeds geen officiële typegoedkeuring of wetgeving voor het gebruik van lithium-ion-accu’s in een maritieme omgeving.

MS Amlin heeft een leidraad opgesteld en hoopt met deze informatie en een aantal praktische aanbevelingen meer bewustzijn van de gevaren van lithium-ion-accu’s te creëren. Arnold Warmerdam, Senior Risk Consultant bij Halyard Risk BV, heeft hier ook een bijdrage aan geleverd.

Download hier de Engelse versie van de leidraad.

Lees hier de Nederlandse vertaling:
 

Lithium-ion-accu’s
Lithium is een scheikundig element met het symbool Li en atoomnummer 3. De verschijningsvorm is een zacht, zilverwit alkalimetaal. In lithium-ion-accu’s bestaat de anode uit koolstof en de kathode uit lithium metaaloxide. De elektrolyt tussen de elektrodes bestaat uit organische carbonaatverbindingen zoals ethyleencarbonaat, waaraan lithiumcomplexen zijn verbonden. Lithium-ion-accu’s zijn snel opgekomen in de auto-industrie en worden nu steeds populairder op megazeil- en motorjachten, kleinere jachten, sleepboten, ferry’s, in de offshore-industrie en zelfs op mobiele kranen.
 

De risico’s

Lithiumbrand
Net als alle alkalimetalen is lithium zeer reactief en brandbaar. Een lithiumbrand kun je herkennen aan de felle zilverkleurige vlam. Lithium kan ontbranden en als het wordt blootgesteld aan water en lucht kan het exploderen. De kern van een lithium-ion-brand is de cel zelf. Deze is heel moeilijk te bereiken en nog moeilijker te blussen vanwege de combinatie van verschillende brandklassen (metaal, chemisch, etc.). Ook geeft de brand energie af aan de omgeving en kan de brand zelfs zijn eigen zuurstof produceren. Brand in een enkele cel kan bedwongen worden, maar een brand in een complete accu van tienduizenden cellen kan leiden tot een oncontroleerbare situatie. De brand kan zich namelijk makkelijk verspreiden naar andere cellen. De ruimte waar de brand is uitgebroken, is waarschijnlijk gevuld met giftige gassen. Tot nu toe zijn de volgende gassen geïdentificeerd: koolmonoxide, stikstofdioxide, waterstofchloride, waterstoffluoride, waterstofcyanide, benzeen en tolueen. Dit betekent dat alle protocollen voor het betreden van afgesloten ruimtes strikt moeten worden nageleefd.
 

Thermal runaway
Een ander risico is thermal runaway. Lithium-ion-accu’s kunnen ontploffen of smelten als er kortsluiting ontstaat in de interne elektrische onderdelen. Dit kan bijvoorbeeld gebeuren door mechanische problemen na een ongeluk, of als de accu’s niet correct zijn geplaatst. Meestal ontstaan deze storingen doordat een deel van de accu te heet wordt en niet snel genoeg kan afkoelen. Dit veroorzaakt een kettingreactie die steeds meer hitte produceert. Dit sneeuwbaleffect wordt thermal runaway genoemd. Tijdens thermal runaway smelten de afzonderlijke accumodules. Dit creëert hitte, als gevolg waarvan het elektrolytmateriaal tussen de anode en de kathode kan gaan “koken”. Uiteindelijk veroorzaakt thermal runaway zelfontbranding van de accu.
 

Veiligheid
Lithiumtechnologie bestaat al meer dan 25 jaar. Als gevolg van het grote aantal ongelukken met lithiumaccu’s, zijn er veiligheidsnormen ontwikkeld. In de afgelopen paar jaar zijn er ook beveiligingen aan de accucel toegevoegd. De meest gebruikte maatregelen zijn hieronder opgesomd.

Battery Management System (BMS)
Het BMS beschermt een cel door de stroom te onderbreken en het opladen van de cellen te reguleren. Het BMS kan kortsluiting in de onderdelen detecteren en kan ook andere risico’s die thermal runaway of zelfontbranding kunnen veroorzaken, oplossen.

Software
Om het risico van accustoring aan te pakken kan specialistische software worden gebruikt. Hiermee worden partijen snel gewaarschuwd voor een real time risico. Dit kan heel nuttig zijn, maar het is belangrijk dat alle software én de hardware gelijktijdig worden getest om het risico van volledige systeemstoringen te bepalen.

Water- en luchtkoeling
Water- en luchtkoeling zijn momenteel de enige beveiligingssystemen tegen thermal runaway die getest en bewezen zijn. Deze actieve koelingssystemen voorkomen dat accu’s in het stadium van thermal runaway belanden, door gewoon meer warmte aan de cellen te onttrekken, dan deze kunnen produceren.

Systemen voor vroegtijdige detectie
De systemen voor brandbestrijding, -detectie en gasafgifte moeten volledig blijven functioneren na een storing in een ander subsysteem, zoals het BMS.

Schuiminjectie
Vergeleken met de andere geteste methodes geeft directe injectie van schuim het beste resultaat om hittevorming tegen te gaan. Deze methode biedt de beste kans voor het inperken van het overslaan van de brand op andere modules. Dit geldt zeker als het systeem is ontworpen om de modules/racks voor langere tijd onder het schuim te zetten.

In het geval van evaluatie van alternatieve scheepsintegratieconcepten is dit een bijzonder aantrekkelijke manier om een hoog beveiligingsniveau te handhaven. Een voorbeeld is de plaatsing van een accusysteem zonder dat er hiervoor een aparte accuruimte is.

Hogedruk watermist
Hogedruk watermist is geschikt om hittevorming tegen te gaan op moduleniveau en biedt bescherming voor de gehele accuruimte tegen externe brand. Bovendien biedt deze vorm van bescherming goede gasabsorptie en verlaging van de gastemperatuur.

NOVEC 1230
NOVEC 1230 blust de vlammen van een accubrand, maar is minder geschikt voor het tegengaan van hittevorming, verlaging van de gastemperatuur en gasabsorptie dan watermist. Om maximaal te functioneren, moet bij deze bestrijdingsmethode de ventilatie van de ruimte worden afgesloten. Dit kan de concentratie van giftig en explosief accugas in de ruimte verhogen, tot er weer geventileerd kan worden.

Sprinklers
Sprinklers blussen de zichtbare vlammen niet, maar gaan hittevorming tegen door hogedruk watermist te sproeien. Het nadeel van deze methode is dat het water het gas kan verdringen naar haarden met hoge concentraties, wat op zijn beurt het explosiegevaar kan vergroten.

Volledige onderdompeling
Onderdompeling van het accupack is alleen mogelijk als deze methode in de ontwerpfase van het schip is opgenomen. Dit is nodig om te waarborgen dat de schotten en stabiliteit correct zijn berekend. Het is bovendien belangrijk dat er in deze compartimenten geen andere vitale apparatuur staat.

“Thermal runaway veroorzaakt uiteindelijk zelfontbranding van de accu.”

Tests en audits
Voor elke accu-installatie is het noodzakelijk om, in overleg met de accuproducent, de beveiligingsaspecten te beoordelen. Zo kan de voor het project meest geschikte toepassing worden bepaald. Door de beperkte beschikbaarheid van brandbestrijdingsmiddelen aan boord van een schip, moeten het juiste volume en afgifteniveau worden berekend, wat afhangt van het accusysteem.

In het bijzijn van classificatiebureaus en experts op dit gebied moet er op het niveau van zowel een enkele cel als meerdere cellen worden getest. De resultaten verschaffen in de ontwerpfase informatie over de mate van ventilatie en de effectiviteit. De kennis die met deze tests wordt vergaard, maakt het voor leveranciers, die worden geaudit door het classificatiebureau, mogelijk een veilig product te leveren en te installeren. Tijdens de verschillende bouwfases van een nieuw schip moeten openingen voor gasafvoer, de locatie daarvan, brandschotten en brandbestrijdingsapparatuur gecontroleerd en geëvalueerd worden door het classificatiebureau.
 

Case study
De passagiersferry MF Ytterøyningen werd in 2006 afgeleverd. De ferry was uitgerust met het energieopslagsysteem (Energy Storage System, ESS) Corvus Orca, met een vermogen van 1989 kWh.

Op 10 oktober 2019 werd een kleine brand in de accuruimte gerapporteerd. De passagiersferry keerde op eigen kracht terug naar de haven, waar alle passagiers en de bemanning werden geëvacueerd. Tijdens de nacht vond er echter een ernstige gasexplosie in de accuruimte plaats, die voor flinke schade zorgde. Er werd bekend gemaakt dat twaalf brandbestrijders naar het ziekenhuis moesten worden gebracht wegens blootstelling aan gevaarlijke gassen die in verband worden gebracht met de accu’s.

“Wij bevelen aan dat alle reders die schepen met accu-installaties hebben, een risicoanalyse uitvoeren van de gevaren die verband houden met mogelijke ophoping van explosieve gassen tijdens incidenten met accusystemen”, zei de Norwegian Maritime Authority in een verklaring.

Ook de leverancier van het accusysteem van de ferry, Corvus Energy uit British Columbia, heeft aanbevelingen gedaan. Rederijen worden geadviseerd niet te varen zonder communicatie tussen het energiemanagementsysteem aan boord en de accupacks. Tevens wordt er geadviseerd wat er moet worden gedaan als er gas vrijkomt of thermal runaway optreedt.

Naar aanleiding van de accubrand aan boord van MF Ytterøyningen, zijn de volgende aanbevelingen gedaan:

1. Vaar niet zonder communicatie tussen het energiemanagementsysteem (EMS) en het accumanagementsysteem (battery management system, BMS). Om de communicatielink te behouden, moeten de packs gekoppeld blijven. Een pack dat niet is gekoppeld, kan geen belangrijke systeemgegevens (storingen, waarschuwingen, temperatuur en spanning) communiceren naar het EMS/de brug. Zorg ervoor dat de EMS-interface de huidige ESS-parameters toont. Dit is een controle van de communicatielink.

2. Schakel, bij het vermoeden van het vrijkomen van gas, thermal runaway of brand in de accuruimte, de accu-apparatuur niet uit.

Dit alles heeft enorme gevolgen voor de Noorse ferryrederijen en rederijen wereldwijd, die steeds meer overschakelen naar hybride dieselelektrische of volledig elektrische aandrijving van schepen.
 

Conclusies en aanbevelingen

• Thermal runaway vindt plaats bij een storing in de accucel. Dit verhoogt de temperatuur en veroorzaakt een kettingreactie, waarbij meer energie vrijkomt. Deze reactie leidt ertoe dat de elektrolyt zich ontleedt in brandbare gassen, die op hun beurt brand met zuurstof teweegbrengen. Dit kan leiden tot een oncontroleerbare situatie, vaak met verwoestende gevolgen. Als het proces eenmaal op gang is, kan de temperatuur snel (binnen milliseconden) stijgen tot zo’n 400 oC.

• Het onderzoek naar brandbestrijding- en -preventietechnologieën voor lithium-ion-accu’s is een belangrijk onderdeel geworden van de brandwetenschappen.

• Recent onderzochte brandbestrijdingsmethodes voor lithium-ion-cellen/accu’s betreffen vooral water, schuim, poeder, kooldioxide en watermist. Water en schuim blijken het meest effectief te zijn. Met het oog op het toekomstige wijdverspreide gebruik van lithium-ion-accu’s in de industrie, moet het gebruik van grote hoeveelheden water nader worden onderzocht door scheepsbouwers, ingenieurs en classificatiebureaus. Dit is vooral belangrijk in verband met de sterkte van schotten, materiaalkeuze, pompsystemen en stabiliteit.

• Verder is constante waakzaamheid geboden. Alle betrokken partijen zouden het uitgevoerde werk moeten crosschecken en de systemen die in gebruik zijn, moeten testen. Het is heel belangrijk dat de registratie- en alarmsystemen voortdurend nauwkeurig in de gaten worden gehouden, zodat er onmiddellijk kan worden ingegrepen en thermal runaway kan worden voorkomen.

Deze circulaire is in samenwerking met Halyard Risk BV tot stand gekomen en is alleen bedoeld als leidraad.