Bu çalışma, lityum iyon bataryalı enerji depolama sistemi (Battery Energy Storage System, BESS) muhafazalarında termal kaçak sırasında açığa çıkan yanıcı gazların oluşturduğu patlama tehlikesinin nasıl tanımlanması ve kontrol edilmesi gerektiğini incelemektedir. Araştırmacılar UL 9540A test verilerini, NFPA 68’e dayalı deflagrasyon tahliye panellerini, NFPA 69’a dayalı mekanik havalandırmayı, el hesaplarını, hesaplamalı akışkanlar dinamiği modellerini ve yayımlanmış vaka analizlerini birlikte değerlendirmiştir. Sonuçlar, patlama güvenliğinin yalnızca toplam gaz miktarına göre tasarlanamayacağını; gazın çıkış hızı, salım süresi, kimyasal bileşimi, tutuşma konumu, mahfaza geometrisi, iç engeller, alt bölmeler ve güvenlik sisteminin devreye girme gecikmesinin sonuçları büyük ölçüde değiştirebildiğini göstermektedir.

Nicel vaka analizlerinde aynı batarya sistemi için sabit ve kesintili gaz salım kabulleri farklı sonuçlar üretmiştir. Örneğin 40 ft uzunluğundaki örnek bir BESS muhafazasında sabit salım senaryosu yanıcı gaz derişimini alt yanıcılık sınırının yüzde 22,2’sinde tutarken kesintili ve daha yüksek debili salım senaryosu yüzde 25,3’e ulaşmıştır. Deflagrasyon tahliye hesaplarında ise düşük laminer yanma hızlı gazlar için uygulanabilir görünen panel alanları, daha hızlı yanan gaz karışımlarında mahfazanın kullanılabilir tavan alanını aşmıştır.

Çalışma, herhangi bir havalandırma debisinin veya tahliye paneli büyüklüğünün bütün BESS tasarımlarında güvenliği garanti ettiğini göstermemektedir. UL 9540A raporlarında gaz salım debisi, salım deliğinin büyüklüğü ve çıkış hızı gibi kritik verilerin çoğu zaman bulunmaması; test tekrarlarının sınırlı olması ve CFD modelleri için BESS’e özgü doğrulama verilerinin yetersizliği temel sınırlılıklardır. Ayrıca çalışma bir preprinttir ve hakem değerlendirmesinden geçmemiştir.

Araştırmanın temel sorusu nedir?

Araştırmanın temel sorusu, bir lityum iyon batarya hücresinde başlayan termal kaçağın kapalı ve yoğun biçimde ekipmanla doldurulmuş bir BESS muhafazasında yanıcı gaz bulutu oluşturması hâlinde patlama riskinin hangi verilerle tanımlanacağı ve hangi aktif ya da pasif yöntemlerle sınırlandırılabileceğidir.

BESS sistemleri yalnızca bataryalardan oluşmaz. Hücreler modüller içinde, modüller raflar içinde, raflar ise soğutma kanalları, elektrik panoları, kabinler ve diğer donanımlarla birlikte bir muhafazaya yerleştirilir. Hava soğutmalı sistemlerde sıcak ve soğuk koridorların oluşturulması, sıvı soğutmalı sistemlerde ise daha yoğun yerleşim kullanılması iç hacmi bölmelere ayırabilir. Yangına ve su girişine karşı alınan önlemler de bölmelendirmeyi artırabilir. Bu yapı, gazın serbestçe dağılmasını engelleyerek yerel olarak yüksek derişimlerin oluşmasına neden olabilir.

Termal kaçak neden patlama tehlikesi oluşturur?

Termal kaçak; mekanik hasar, elektriksel arıza, aşırı ısınma, üretim kusuru veya başka bir hücreden yayılan ısı nedeniyle hücre içindeki ekzotermik tepkimelerin kendi kendini hızlandırmasıdır. Termal kaçak her zaman aynı sonuçla ilerlemez. Hücre gaz çıkarabilir, alev püskürtebilir, yanabilir, patlayabilir veya bu olayların birkaçı art arda gerçekleşebilir.

Çalışmanın patlama analizi için kullandığı temel senaryo, başlangıçta alev oluşmadan yanıcı batarya gazının dışarı çıkmasıdır. Gaz hemen tutuşmazsa kapalı hacimde birikebilir. Daha sonra bir kıvılcım, sıcak yüzey veya başka bir tutuşma kaynağı gaz-hava bulutunu ateşlediğinde alev cephesi karışım içinde hızla ilerleyerek deflagrasyona yol açabilir.

Deflagrasyon, yanma cephesinin ses hızının altında ilerlediği ancak kapalı hacimde ciddi basınç artışı oluşturabildiği hızlı yanma olayıdır. Hasarın büyüklüğü yalnızca gaz miktarına bağlı değildir. Mahfazanın kapalı olması, batarya rafları ve kanallar nedeniyle akış yolunun sıkışması, alevin engeller çevresinde türbülans kazanması ve karışımın stokiyometrik orana yaklaşması aşırı basıncı yükseltebilir.

Batarya gazı hangi bileşenlerden oluşabilir?

Lityum iyon hücrelerin termal kaçak sırasında çıkardığı gaz, tek bir yakıttan oluşmaz. Karışımda hidrojen, karbon monoksit, çeşitli hidrokarbonlar, karbondioksit ve buharlaşmış karbonat esaslı elektrolit bileşenleri bulunabilir. Karbondioksit gibi yanıcı olmayan bileşenler de karışıma dâhil olduğundan geleneksel tek yakıtlı gaz deneylerinin sonuçları BESS koşullarına doğrudan aktarılamaz.

Gaz bileşimi batarya kimyasına ve hücre yapısına göre değişir. Nikel-manganez-kobalt (NMC), nikel-kobalt-alüminyum (NCA) ve lityum demir fosfat (LFP) hücreler aynı miktarda veya aynı hızda gaz çıkarmayabilir. Çalışmada aktarılan bulgular, daha uçucu kimyalarda salım süresinin daha kısa olabileceğini göstermektedir.

Alt yanıcılık sınırı ve yüzde 25 LFL ne anlama gelir?

Alt yanıcılık sınırı (Lower Flammability Limit, LFL), bir gaz-hava karışımının alev yayabilecek kadar yakıt içerdiği en düşük hacimsel derişimdir. Derişim LFL’nin altındaysa karışım genel olarak yanmak için fazla fakirdir. Bununla birlikte gaz çıkış noktasına yakın bölgelerde derişim, muhafazanın ortalama derişiminden çok daha yüksek olabilir.

NFPA 69’a dayalı mekanik havalandırma yaklaşımı, küresel gaz derişimini LFL’nin yüzde 25’inin altında tutmayı hedefler. Örneğin bir batarya gazının LFL değeri yüzde 5,83 ise yüzde 25 LFL yaklaşık yüzde 1,46 hacimsel gaz derişimine karşılık gelir. Bu eşik, patlamanın gerçekleştiği kesin sınır değildir; güvenlik payı içeren bir kontrol ölçütüdür.

UL 9540A testlerinin tasarımdaki rolü nedir?

UL 9540A, batarya sistemlerinde termal kaçak ve yangın yayılımının farklı ölçeklerde değerlendirilmesini sağlayan kademeli bir test yaklaşımıdır. Çalışma, patlama kontrolü tasarımında üç temel test düzeyinden elde edilen bilgileri öne çıkarmaktadır.

Hücre düzeyi

Tek bir hücre yüzde 100 doluluk durumunda termal kaçağa zorlanır. Başlatma yöntemi önce açık ortamda belirlenir; daha sonra bir hücre, hacimsel oksijen oranı yüzde 1’in altında olan bir basınç kabında test edilir. Bu düzeyde hücrenin gaz çıkarma ve termal kaçak sıcaklıkları, üretilen gaz hacmi, gaz bileşimi, LFL, laminer yanma hızı ve azami patlama basıncı gibi parametreler elde edilebilir.

Modül düzeyi

Modül testinde termal kaçağın komşu hücrelere yayılıp yayılmadığı ve modül dışına ne kadar ısı çıktığı değerlendirilir. Muhafazakâr bir konumdaki hücre veya hücreler termal kaçağa zorlanır. Isı salım hızı ve bazı gaz bileşenlerinin üretimi raporlanabilir.

Ünite ve kurulum düzeyi

Ünite testi, yangının komşu raflara yayılmasını, güvenli ayırma mesafelerini, hedef raf ve duvar sıcaklıklarını, ısı akısını, dış alevlenmeyi ve fırlayan parçaları değerlendirir. Kurulum düzeyindeki testler ise yerleştirilmiş güvenlik önlemlerinin işlevsel performansı hakkında bilgi verebilir.

UL 9540A verileri neden tek başına yeterli değildir?

Çalışmaya göre UL 9540A raporları tehlikeyi tanımlamak için değerli olmakla birlikte patlama kontrolü hesabının bütün girdilerini doğrudan sağlamaz. Özellikle gazın zamana bağlı çıkış debisi, toplam salım süresi, hücredeki çıkış açıklığının büyüklüğü, gazın çıkış hızı ve hücreler arası yayılım süresi çoğu raporda açıkça verilmez.

Hücre gaz hacmi genellikle 82 litrelik bir basınç kabında yapılan tek testten ve ideal gaz hesaplarından belirlenir. Çalışmada aktarılan literatür sentezi, genel bir aralık olarak kilovatsaat başına yaklaşık 500-800 litre yanıcı gaz üretilebildiğini belirtmektedir. Ancak bu aralık, belirli bir batarya ürünü için doğrudan tasarım değeri olarak kullanılamaz.

UL 9540A hücre düzeyinde beş test içerse de bunların dördü termal kaçağın başlama koşulunu belirlemek amacıyla açık ortamda, yalnızca biri ise gaz miktarı ve bileşimi için basınç kabında gerçekleştirilir. Bu nedenle gaz hacmi ve bileşimi gibi kritik parametrelerde deneyler arası değişkenliği hesaplayacak tekrar sayısı bulunmayabilir.

Gazın çıkış hızı ve süresi neden önemlidir?

Aynı toplam gaz miktarı farklı sürelerde çıktığında mahfaza içinde aynı tehlikeyi oluşturmaz. Gaz çok kısa sürede çıkarsa havalandırma sistemi devreye girmeden önce yüksek bir yerel derişim oluşabilir. Gaz daha uzun sürede çıkarsa fanların karışımı seyreltme olasılığı artabilir; ancak olay süresinin uzaması yedek güç ve sistem güvenilirliği gereksinimini artırır.

Çalışmada aktarılan örneklerde 94 Ah NMC prizmatik bir hücrenin gazını yaklaşık 7 saniyede çıkardığı, 27 Ah LFP prizmatik bir hücre için ise toplam salım süresinin 91 saniye olarak ölçüldüğü belirtilmiştir. Deneysel çalışmalardan derlenen gaz çıkış hızları yaklaşık 1-60 m/s aralığındadır.

Çıkış açıklığı büyük olduğunda gaz daha düşük hızla ve kaldırma kuvvetinin etkisiyle yayılabilir. Küçük bir açıklık ise yüksek hızlı jet oluşturabilir. Momentumla ilerleyen jet, mahfazadaki havayla daha farklı biçimde karıştığı için yanabilir bulutun boyutu ve konumu değişir.

Hücreden hücreye yayılım süresi tasarımı nasıl etkiler?

Termal kaçağın bir hücreden diğerine geçiş süresi, olayın toplam süresini ve anlık gaz debisini belirleyen temel parametrelerden biridir. Çalışma, en hızlı gözlenen yayılım süresinin bütün hücrelere uygulanmasının olay süresini kısaltarak daha yüksek anlık tehlike oluşturan muhafazakâr bir kabul olabileceğini belirtmektedir.

Bununla birlikte gerçek hücre arızaları stokastiktir. Bütün hücreler aynı zaman aralığında ve aynı biçimde arızalanmayabilir. Bu nedenle tek bir yayılım senaryosu yerine farklı gaz debileri, gecikmeler ve arızalı hücre sayıları için duyarlılık analizi yapılması gerekir.

NFPA 69’a dayalı aktif patlama önleme nasıl çalışır?

NFPA 69 yaklaşımında yanıcı gaz sensörlerle algılanır ve mekanik egzoz sistemi çalıştırılarak gaz derişiminin yüzde 25 LFL’nin altında tutulması amaçlanır. Bu bir patlama önleme yöntemidir; hedef, tutuşabilir bir atmosferin oluşmasını engellemektir.

Sistemin başarısı aşağıdaki olay dizisinin eksiksiz işlemesine bağlıdır:

1. Termal kaçak gazı sensörün algılayabileceği bölgeye ulaşmalıdır.
2. Sensör doğru gaz veya gaz karışımına yeterli duyarlılıkla tepki vermelidir.
3. Algılama eşiği ve gecikme süresi uygun olmalıdır.
4. Kontrol sistemi fanlara komut göndermelidir.
5. Fanlar gerekli debiye ulaşmalıdır.
6. Taze hava girişleri ve egzoz açıklıkları gazı etkili biçimde süpürmelidir.
7. Elektrik kesintisi hâlinde yeterli süre çalışan yedek güç bulunmalıdır.

Gaz salım debisi, fan boyutlandırmasındaki en kritik girdilerden biridir; ancak UL 9540A raporlarında doğrudan verilmemektedir. Bu nedenle tasarımcılar test sıcaklıkları, gerilim değişimleri, gaz hacmi ve yayılım davranışından hareketle bir kaynak terimi oluşturmak zorunda kalabilir.

Küresel derişim düşükken yerel tehlike oluşabilir mi?

Evet. Bütün mahfazanın ortalama gaz derişimi yüzde 25 LFL’nin altında kalsa bile batarya modülü, kanal, sıcak-soğuk koridor veya küçük bir alt bölme içinde bu eşik aşılabilir. Çalışmada incelenen 53 ft uzunluğundaki sistemde genel muhafaza NFPA 69 ölçütünü karşılarken soğutma için oluşturulmuş bir alt bölmenin bazı kısımlarında yüzde 25 LFL’nin üzerinde yerel derişimler hesaplanmıştır.

Bu sonuç, yalnızca toplam iç hacme dayalı “iyi karışmış ortam” hesabının karmaşık BESS geometrilerinde yanıltıcı olabileceğini göstermektedir. Sensör ve fan konumları, hava kanalları, raflar, modül içleri ve gazın sıcaklığı üç boyutlu dağılımı etkiler.

NFPA 68’e dayalı pasif patlama koruması nasıl çalışır?

NFPA 68 yaklaşımında muhafazanın belirli yüzeylerine deflagrasyon tahliye panelleri yerleştirilir. Bu paneller, iç basınç mahfazanın yapısal dayanımına ulaşmadan önce açılacak şekilde tasarlanır. Amaç patlamayı önlemek değil, oluşan basıncı güvenli bir yöne tahliye ederek muhafazanın parçalanmasını sınırlamaktır.

Çalışmada NFPA 68 hesaplamasının temel değişkenleri şu şekilde açıklanmaktadır:

• Gerekli tahliye alanı (A_v0)
• Muhafazanın izin verilen azaltılmış basıncı (P_red)
• Muhafazanın toplam yüzey alanı (A_s)
• Gaz-hava karışımının laminer yanma hızı (S_u)
• Gaz yoğunluğu ve diğer termofiziksel özellikler
• Muhafazanın geometrisi ve iç engellerin oluşturduğu türbülans
• Tahliye panelinin açılma basıncı, ağırlığı ve konumu
• Tutuşma konumu ve yanabilir bulutun hacmi

Çalışmada NFPA 68 denklemleri açık biçimde yazılmamış, değişkenler ve uygulama sınırları açıklanmıştır. Düşük dayanımlı muhafazalar için P_red değerinin 0,5 bar-g veya altında olduğu yöntem kullanılır. BESS amacıyla kullanılan ISO konteynerlerin tipik dayanımının 0,3 bar-g değerinden düşük olabileceği, büyük kapılar ve açıklıkların bu dayanımı daha da azaltabileceği belirtilmektedir.

Deflagrasyon paneli her durumda yeterli midir?

Hayır. NFPA 68’in ampirik temeli ağırlıklı olarak proses güvenliği deneylerine dayanır. Bu deneylerde kullanılan mahfazalar, büyük batarya raflarıyla dolu modern BESS konteynerlerinden farklı olabilir. Deneyler çoğunlukla tek bir yanıcı gazla yapılırken batarya gazı yanıcı ve yanıcı olmayan çok sayıda bileşen içerir.

Preskriptif hesaplamalar çoğu zaman bütün hacmin homojen ve stokiyometrik bir karışımla dolduğunu kabul eder. Bu kabul muhafazakâr olabilir, ancak çok büyük panel alanları üretebilir. Daha küçük bir kısmi yanabilir hacim kullanılacaksa toplam gaz salımının, dağılımın ve karışım derişiminin mühendislik analiziyle gerekçelendirilmesi gerekir.

Pasif sistemin başka bir sınırlılığı, panelin açılması için tutuşma gerekmesidir. Gaz tutuşmazsa muhafazada kalmaya devam edebilir. Bu durumda uzun süreli izleme, gazın kontrollü biçimde uzaklaştırılması ve müdahale ekiplerinin güvenliği için ek yöntemler gerekir.

Yangın söndürme ve patlama kontrolü neden birlikte tasarlanmalıdır?

Bir tehlike için alınan önlem diğer tehlikeyi ağırlaştırabilir. Çalışmada aerosol veya temiz gazlı söndürme sistemlerinin başlangıçtaki alevi bastırabildiği ancak termal kaçağı durduracak soğutma kapasitesine sahip olmayabileceği belirtilmektedir. Söndürme maddesinin muhafaza içinde 10-20 dakika tutulması gerekiyorsa bu sırada batarya gazı birikmeye devam edebilir.

Söndürme maddesi, hava ve batarya gazından oluşan karışım daha sonra havalandırılmak zorunda kalabilir. Buna karşılık yangın sırasında patlama önleme fanlarının yanlışlıkla devreye girmesi, oksijen bakımından fakir bir hacme taze hava taşıyarak yangını şiddetlendirebilir. Bu nedenle yangın algılama, söndürme, gaz algılama, acil havalandırma ve panel tahliyesinin birbirinden bağımsız tasarlanması yeterli değildir.

Hangi modelleme yöntemleri değerlendirilmiştir?

NFPA 69 el hesapları

NFPA 69 Ek D, gazın algılanma süresini ve gerekli egzoz fanı debisini yaklaşık olarak hesaplamak için kullanılabilir. Yöntem ortamın tamamen karıştığını varsayar. Bu nedenle sıcak gazların tavanda tabakalaşmasını, sensör konumlarını, fan ve menfez yerleşimini, iç engelleri ve üç boyutlu akış yollarını doğrudan hesaba katmaz. Temel geometrik girdi çoğunlukla muhafazanın serbest hava hacmidir.

NFPA 68 preskriptif hesapları

Bu yöntem muhafazanın dayanımını, gazın yanma özelliklerini, tahliye panelini ve geometrik türbülans düzeltmelerini kullanarak gerekli panel alanını belirler. Hesaplamanın sonucu gazın laminer yanma hızına ve yanabilir bulutun bütün hacmi mi yoksa yalnızca bir kısmını mı kapladığı kabulüne son derece duyarlıdır.

FDS modeli

Fire Dynamics Simulator (FDS), ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü tarafından geliştirilen Kartezyen ağ tabanlı bir yangın ve akış modelidir. Çalışmada FDS’nin sıcak batarya gazının karmaşık bir mahfazada yayılmasını, sıcaklıkları ve sensör belirli bir eşiğe ulaştığında havalandırmanın devreye girmesini modellemek için kullanılabileceği belirtilmektedir.

FLACS modeli

FLACS, yanıcı gaz dağılımı ve patlama sonuçlarının hesaplanmasında kullanılan bir CFD aracıdır. Dağıtılmış gözeneklilik/direnç yaklaşımı sayesinde ağdan daha küçük engellerin etkisini temsil edebilir. Gaz dağılımının yanı sıra tutuşma sonrasında oluşan aşırı basıncı da hesaplayabilir.

Yapısal etkileşim

Deflagrasyon sırasında basınç dalgası ile muhafaza yapısının karşılıklı etkileşimini tam olarak modellemek için CFD ile sonlu eleman analizinin birleştirilmesi gerekir. Çalışmaya göre sektör çoğunlukla tasarım basıncının akma dayanımının altında kalacağını varsayarak muhafazayı rijit kabul etmektedir. Bu kabul hesaplamayı kolaylaştırır, ancak kapıların, panellerin ve duvarların deformasyonunu doğrudan çözmez.

Büyük ölçekli deneyler ne göstermektedir?

Çalışmada aktarılan büyük ölçekli test programında 20 ft ISO konteyneri temsil eden bir mahfazaya 14 raf ve her rafta 10 sahte modül yerleştirilmiştir. Tavanda her biri 1 m × 1 m olan dört deflagrasyon paneli kullanılmıştır. Lityum iyon batarya gazını temsil eden sentetik bir karışım farklı debilerde mahfazaya verilmiş, yanabilir bulut oluşturulmuş ve gecikmeli olarak tutuşturulmuştur.

Toplam 27 testte gaz dağılımı, aşırı basınç, alev yayılımı ve tahliye panellerinin davranışı ölçülmüştür. Bu programın temel amacı NFPA 68 hesaplamaları ve CFD modelleri için BESS geometrisine daha yakın bir doğrulama veri seti üretmektir. Ancak sentetik gazın gerçek hücrelerden çıkan sıcak, parçacık içeren ve zamanla değişen gazı bütünüyle temsil edip etmediğinin gerçek bataryalı deneylerle değerlendirilmesi gerekmektedir.

Patlama önleme vaka analizlerinin ana sonucu nedir?

Patlama önleme analizleri, gaz kaynak teriminin yalnızca toplam miktar değil zamana bağlı debi biçiminde tanımlanması gerektiğini göstermektedir.

40 ft uzunluğundaki örnek sistem 4,2 MWh kapasitede, yaklaşık 13.385 ft³ serbest hava hacmine sahip ve 22 batarya rafı içeren bir tasarımdır. Her rafta 12 modül bulunmaktadır. Modelde kullanılan 94 Ah NMC hücre için 226 gram gaz, yüzde 31 hidrojen, yüzde 30 karbondioksit, yüzde 21 karbon monoksit ve geri kalan kısmı hidrokarbonlardan oluşan bir bileşim kabul edilmiştir. Le Chatelier yaklaşımıyla LFL yüzde 5,83 olarak tahmin edilmiştir.

Sabit salım modelinde gaz 10 dakika boyunca 4,9 g/s debiyle verilmiştir. Kesintili modelde her hücre çifti 40 saniye gaz çıkarmış ve bir sonraki çiftin termal kaçağına kadar toplam 90 saniyelik hücreler arası gecikme kabul edilmiştir. Kesintili salımda 11,3 g/s tepe debisi oluşmuştur. Bu fark, aynı toplam tehlikenin zamana nasıl dağıtıldığının havalandırma performansını değiştirdiğini göstermektedir.

53 ft muhafazada neden yerel tehlike devam etmiştir?

4,6 MWh kapasiteli 53 ft Powin Stack 360 tasarımında 14 adet küçük batarya ünitesi, her ünitede 23 modül ve ayrı fan-kanal düzeni bulunmaktadır. Kullanılan 280 Ah LFP hücreler için LFL yüzde 6,14 olarak verilmiştir.

Genel muhafaza düzeyinde iki gaz salım senaryosu da yüzde 25 LFL’nin altında kalmıştır. Ancak soğutma amacıyla oluşturulan alt bölmede yapılan ayrı CFD analizi, bazı bölgelerin yüzde 25 LFL’yi aştığını göstermiştir. Bu bulgu, genel hacim ortalamasının modül çevresindeki gaz ceplerini gizleyebileceğini ortaya koymaktadır.

Çalışmada aktarılan ayrı bir garaj deneyinde 320 litre LFP tipi termal kaçak gazının bir garaj kapısını yerinden çıkardığı ve kilit mekanizmasında hafif hasar oluşturduğu bildirilmiştir. Bu hacmin bir veya iki adet 280 Ah LFP hücrenin çıkarabileceği gaz miktarına benzer olduğu belirtilmektedir. Deneyin zengin yakıtlı karışımı bir torba içinde kullanması nedeniyle gerçek BESS dağılımını bütünüyle temsil etmediği de dikkate alınmalıdır.

Laminer yanma hızı tahliye panelini nasıl etkiliyor?

Laminer yanma hızı, düzgün ve türbülanssız bir yakıt-hava karışımında alev cephesinin yanmamış karışıma göre ilerleme hızıdır. Bu hız yükseldikçe basınç daha hızlı oluşur ve aynı muhafazayı korumak için daha büyük tahliye alanı gerekebilir.

İki örnek BESS geometrisi için yapılan tam hacim NFPA 68 hesapları aşağıdaki sonuçları üretmiştir:

Metin içinde yüksek yanma hızı 107 cm/s, tabloda ise 106 cm/s olarak yazılmıştır. Bu küçük sayısal tutarsızlık nedeniyle değer yaklaşık 106-107 cm/s olarak aktarılmıştır.

Küçük muhafazada stokiyometrik koşula ulaşmak için gaz bileşimine bağlı olarak yaklaşık 859-1.481 litre gaz gerektiği hesaplanmıştır. Bu miktar yaklaşık 3-6 adet 280 Ah LFP hücreye karşılık gelmektedir. Hücreden hücreye yayılım konusundaki belirsizlik nedeniyle kısmi hacim kabulünün yalnızca istenen panel alanını küçültmek amacıyla kullanılması uygun değildir; salınabilecek toplam gaz miktarı gerekçelendirilmelidir.

FLACS patlama analizleri ne göstermiştir?

20 ft ISO tipi bir BESS muhafazası için yapılan FLACS analizinde serbest hava hacmi 6,1 m³, iç düzen dört batarya rafı ve her rafta sekiz modül olarak tanımlanmıştır. Modüllerde EVE veya CATL üretimi 280 Ah LFP hücreler kabul edilmiştir. Model 5 cm ağ aralığı, varsayılan k-epsilon türbülans modeli, beta yanma modeli ve 0,7 m × 1,6 m boyutlarında tek bir çatı tahliye paneli kullanmıştır.

Tutuşma konumu da sonucu önemli ölçüde değiştirmiştir. Metin, üstten tutuşmada 0,23 bar-g, alttan tutuşmada 2,15 bar-g hesaplandığını belirtmektedir. Ancak açıklama paragrafı 2,15 bar-g değerini CATL hücresine bağlarken Tablo 4 aynı değeri EVE hücresi için göstermektedir; CATL için tabloda 1,19 bar-g yazmaktadır. Çalışma bu tutarsızlığı açıklamadığından değerler sessizce düzeltilmemiştir.

Fiziksel açıdan alttan tutuşma, alevin yukarı doğru ilerlerken raflar ve engeller arasında daha uzun ve türbülanslı bir yol izlemesine neden olabilir. Ancak bu mekanizmanın her BESS geometrisinde aynı büyüklükte basınç farkı yaratacağı çalışma tarafından kanıtlanmamıştır.

Gerçek bir BESS patlaması nasıl yorumlanmıştır?

Çalışma, Arizona eyaletinin Surprise kentindeki APS BESS olayının daha önce yayımlanmış analizini de değerlendirmiştir. Tesis 2 MW güç ve 2 MWh enerji kapasitesine, 27 batarya rafına ve 392 Ah NMC poşet hücrelere sahipti.

Termal kaçak sonrasında NOVEC 1230 temiz gazlı söndürme maddesi boşaltılmış, daha sonra itfaiyecilerin kapıyı açmasıyla içeri hava girmiş ve oksijen yanıcı gazla karışmıştır. Fotoğraflardan yapılan değerlendirmede deflagrasyon basıncı yaklaşık 0,10-0,17 bar-g, kapıların toplam tahliye alanı yaklaşık 4,6 m² olarak tahmin edilmiştir.

Olayı açıklamak için değerlendirilen senaryolarda yanıcı karışımın muhafaza hacminin yaklaşık yüzde 11-22’sini kaplamış olabileceği ve karışımın tahmini yanma hızının 0,18-0,22 m/s olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Bunlar doğrudan olay sırasında ölçülmüş değerler değil, hasar ve geometriden geriye doğru yapılan tahminlerdir.

Aktif ve pasif sistemler birlikte kullanılabilir mi?

Çalışma, gaz salımı ve termal kaçak yayılımındaki belirsizlik nedeniyle mekanik egzoz ile deflagrasyon tahliye panellerinin birlikte değerlendirilebileceğini belirtmektedir. Tasarım yöntemlerinden biri ana uyum yöntemi, diğeri ise yedek güvenlik katmanı olarak kullanılabilir.

Bununla birlikte iki sistemi aynı muhafazaya eklemek tek başına güvenliği kanıtlamaz. Fanların oluşturduğu hava akışı gaz dağılımını ve yangını, panellerin yerleşimi ise havalandırma yolunu etkileyebilir. Kontrol mantığı, güç kaybı, bakım, sensör arızası ve müdahale senaryoları birlikte analiz edilmelidir.

Çalışmanın desteklediği sonuçlar nelerdir?

• BESS patlama kontrolü, yalnızca bataryanın enerji kapasitesine veya toplam gaz hacmine göre tasarlanmamalıdır.
• Gaz salım debisi ve zaman profili, mekanik havalandırmanın başarımını belirgin biçimde değiştirebilir.
• Muhafazanın tamamında düşük ortalama derişim bulunması, küçük bölmelerde tehlikeli gaz cepleri oluşmadığını kanıtlamaz.
• Laminer yanma hızı arttıkça gerekli deflagrasyon tahliye alanı uygulanabilir sınırları aşabilir.
• Tutuşma konumu, iç engeller ve türbülans tepe aşırı basıncı önemli ölçüde etkileyebilir.
• UL 9540A testleri değerli olmakla birlikte bütün model girdilerini ve parametre belirsizliklerini sağlamaz.
• CFD sonuçları duyarlılık analizi ve BESS’e özgü deneysel doğrulama olmadan kesin gerçek olarak kabul edilmemelidir.
• Yangın söndürme ve patlama kontrol sistemleri ortak bir tehlike analizi içinde tasarlanmalıdır.

Çalışma neyi kanıtlamamaktadır?

• Belirli bir fan debisinin bütün BESS ürünlerinde güvenli olduğunu kanıtlamamaktadır.
• Yüzde 25 LFL’nin altındaki küresel ortalamanın bütün yerel bölgeleri güvenli kıldığını göstermemektedir.
• NFPA 68’e göre hesaplanan panel alanının gerçek bir BESS patlamasında mutlaka yeterli olacağını kanıtlamamaktadır.
• FDS veya FLACS modellerinden birinin bütün BESS geometrileri için kesin olarak daha doğru olduğunu göstermemektedir.
• Sentetik gaz testlerinin gerçek batarya termal kaçağını bütün ayrıntılarıyla temsil ettiğini kanıtlamamaktadır.
• Tek bir testten elde edilen gaz hacmi ve bileşiminin aynı üründeki bütün hücreleri temsil ettiğini göstermemektedir.
• Her termal kaçağın deflagrasyona dönüşeceğini veya aynı olay sırasını izleyeceğini iddia etmemektedir.
• Kuzey Amerika standartlarının Türkiye’de doğrudan ve değişiklik yapılmadan uygulanması gerektiğini söylememektedir.
• Belirli bir ticari BESS ürününün saha koşullarında güvenli olduğunu onaylamamaktadır.

Türkiye açısından ne ifade etmektedir?

Çalışmanın temel aldığı NFPA 68, NFPA 69, NFPA 855 ve UL 9540A Kuzey Amerika merkezli standartlardır. Bu nedenle çalışma Türkiye’deki ruhsatlandırma, iş sağlığı ve güvenliği, yangın yönetmeliği veya elektrik tesisi mevzuatının yerine kullanılamaz.

Bununla birlikte tehlikenin kaynak terimiyle tanımlanması, gaz dağılımının üç boyutlu değerlendirilmesi, yerel alt bölmelerin incelenmesi, sensör-fan gecikmelerinin hesaba katılması, tahliye paneli alanının gaz yanma hızına göre belirlenmesi ve modellerin büyük ölçekli deneylerle doğrulanması ülke sınırından bağımsız mühendislik ilkeleridir. Türkiye’de kurulacak konteyner tipi enerji depolama tesislerinde bu değişkenlerin proje özelinde değerlendirilmesi, yalnızca ürün sertifikasına veya nominal havalandırma debisine dayanılmaması gerektiğini göstermektedir.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Araştırma tasarımı

Çalışma yeni bir kontrollü laboratuvar deneyi veya bağımsız saha testi değildir. Teknik standartları, UL 9540A test yapısını, yayımlanmış deneyleri, geçmiş CFD analizlerini ve gerçek olay değerlendirmelerini bir araya getiren mühendislik rehberi ve nicel vaka sentezidir.

Nicel analiz için gerekli girdiler

En önemli teknik bulgular

1. 40 ft NMC örneğinde sabit 4,9 g/s salım yüzde 22,2 LFL üretirken 11,3 g/s tepe debili kesintili salım yüzde 25,3 LFL üretmiştir.
2. 53 ft LFP muhafazasında genel derişim yüzde 15,4-17,8 LFL aralığında kalmış, ancak bir alt bölmede yerel olarak yüzde 25 LFL aşılmıştır.
3. Laminer yanma hızının 48 cm/s’den yaklaşık 106-107 cm/s’ye çıkması, 20 ft konteyner için gerekli panel alanını 6,5 m²’den 18,2 m²’ye yükseltmiştir.
4. 20 ft FLACS modelinde panel açılmayan tam hacim senaryosu 6,5 bar-g tepe basınç üretmiştir.
5. Aynı modelde 1,12 m² panel bulunan tam hacim senaryoları 1,19 ve 2,15 bar-g üretmiş; panelin varlığı aşırı basıncı kabul edilebilir düzeye indirmemiştir.
6. Kısmi hacim, doğal havalandırma ve panelin birlikte kullanıldığı senaryolar 0,06 bar-g üretmiştir; ancak bu değer yapısal güvenlik garantisi olarak değerlendirilmemiştir.
7. Tutuşma konumu için aktarılan hesaplarda üstten ve alttan tutuşma arasında yaklaşık bir büyüklük mertebesine ulaşan fark görülmüştür.
8. Büyük ölçekli deneyler, BESS’e özgü model doğrulama verisi üretmenin mümkün olduğunu; ancak gerçek bataryalı doğrulamaya hâlâ ihtiyaç bulunduğunu göstermiştir.

Çalışmanın güçlü yönleri

• Patlama tehlikesini batarya, mahfaza, işletme ve güvenlik sistemi girdileriyle bütüncül biçimde ele almaktadır.
• Aktif ve pasif koruma yöntemlerini aynı mühendislik çerçevesinde karşılaştırmaktadır.
• Toplam gaz miktarının yanında zamana bağlı kaynak terimini ve yerel derişimleri öne çıkarmaktadır.
• El hesaplarının, CFD modellerinin ve büyük ölçekli testlerin hangi amaçla kullanılabileceğini ayırmaktadır.
• Yayımlanmış vaka sonuçlarını ortak tablolarla karşılaştırarak tasarım duyarlılıklarını görünür kılmaktadır.
• Modelleme varsayımlarının ve veri eksiklerinin açıkça belgelenmesini önermektedir.

Çalışmanın sınırlılıkları

• Çalışma hakem değerlendirmesinden geçmemiş bir preprinttir.
• Yeni ve bağımsız bir deneysel veri seti sunmamaktadır.
• Vaka analizlerinin önemli kısmı yazarların veya başka araştırmacıların önceki çalışmalarından derlenmiştir.
• Kullanılan standartlar Kuzey Amerika düzenlemelerine dayanmaktadır.
• UL 9540A verilerindeki tekrar sayısı ve kaynak terimi ayrıntıları sınırlıdır.
• FDS ve FLACS için farklı BESS tasarımlarını kapsayan geniş doğrulama veri setleri bulunmamaktadır.
• Sentetik gaz deneyleri gerçek hücre salımının bütün fiziksel ve kimyasal özelliklerini temsil etmeyebilir.
• Tablo 4 ile açıklama metni arasında hücre türü ve 2,15 bar-g sonucu konusunda tutarsızlık bulunmaktadır.
• Yüksek laminer yanma hızı metinde 107 cm/s, ilgili tabloda 106 cm/s olarak yazılmıştır.
• Prasanna Chinnathambi’nin kurum üst simgesi yazar ve kurum satırlarında tutarlı değildir.

Gelecekte hangi doğrulamalara ihtiyaç vardır?

Araştırmacılar UL 9540A raporlarında gaz hacminin nasıl hesaplandığı, test videoları, gazın çıktığı konum, açıklık büyüklüğü, salım debisi ve çıkış hızı gibi verilerin daha ayrıntılı sunulmasını önermektedir. Kritik girdiler için tekrar testleri ve belirsizlik aralıkları gereklidir.

NFPA 68 değerlendirmelerinde homojen tam hacim varsayımına ek olarak gaz dağılımı hesaplarının kullanılması; yanıcılık özelliklerinin yalnızca tek bir karışım için değil, gaz derişiminin fonksiyonu olarak belirlenmesi önerilmektedir. CFD modellerinin ise BESS’e özgü, büyük ölçekli ve mümkün olduğunda gerçek bataryalı deneylerle doğrulanması gerekmektedir.

Kaynak ve Yöntem Notu

Çalışmanın tam özgün adı: Explosion Control Guidance for Lithium-Ion Based Battery Energy Storage System Installations

Yazarlar: Anil Kapahi, Stefan Kraft ve Prasanna Chinnathambi.

Yazar sıralaması: Anil Kapahi birinci, Stefan Kraft ikinci, Prasanna Chinnathambi üçüncü yazardır.

Eş katkı bilgisi: Eş birinci yazar veya eş katkı beyanı bulunmamaktadır.

Sorumlu yazar: Anil Kapahi.

Kurumlar: Anil Kapahi ve Prasanna Chinnathambi, Jensen Hughes, Inc., Research, Development, Testing and Evaluation, Baltimore, Maryland, ABD; Stefan Kraft, Solstice Advanced Materials, Inc., Morris Plains, New Jersey, ABD. Prasanna Chinnathambi için kullanılan kurum üst simgesinde metin içi bir “a/c” tutarsızlığı vardır; kurum adı ve kurumsal e-posta Jensen Hughes bağlantısını göstermektedir.

DOI: 10.2139/ssrn.7203430

Dergi: Hakemli bir dergide yayımlandığı bu sürüm üzerinden doğrulanmamıştır.

Yayın platformu: SSRN.

Platform sahibi: Elsevier Inc. SSRN bir hakemli dergi değil, preprint ve erken araştırma platformudur.

Yayın yılı: 2026.

Kaynak türü: Hakem değerlendirmesinden geçmemiş teknik preprint; standart incelemesi, mühendislik rehberi, literatür sentezi ve nicel vaka analizidir.

Resmî bağlantı:https://ssrn.com/abstract=7203430

Sürüm notu: SSRN üzerinde aynı başlıkla 10.2139/ssrn.5735692 DOI numarasına sahip, iki yazarlı daha eski bir kayıt da bulunmaktadır. Bu eski kayıt ile incelenen üç yazarlı 7203430 kaydı arasındaki resmî sürüm ilişkisi açık biçimde doğrulanamadığından kaynak kimliği olarak yüklenen güncel sürüm esas alınmıştır.

Bu yazı, yüklenen çalışmanın metni, tabloları, vaka analizleri ve sonuçları temel alınarak hazırlanmıştır. Çalışmada bulunmayan yeni bir deney sonucu, ticari ürün güvenliği iddiası, mevzuat uygunluk onayı veya saha başarısı eklenmemiştir. Bibliyografik dış kontrol yalnızca yazarlar, DOI, platform ve yayın durumunun doğrulanması amacıyla yapılmıştır.

Bu çalışma hakem değerlendirmesinden geçmemiş bir preprinttir; sonuçları bu sınırlılık dikkate alınarak okunmalıdır. Çalışma yeni bir bağımsız deneysel doğrulama sunmamakta ve belirli bir BESS tasarımının güvenli olduğunu belgelememektedir. Hesaplamalar farklı kaynak çalışmalarına, batarya kimyalarına, mahfaza geometrilerine ve model varsayımlarına dayanmaktadır. Gerçek bir proje için batarya üreticisinin test verileri, proje geometrisi, yerel mevzuat, yapısal dayanım, yangın sistemi, gaz algılama sistemi ve acil müdahale senaryosu ayrıca değerlendirilmelidir.