Det har ur samtliga vetenskapliga artiklar som redovisats visat på förekomst av i princip samma typer av gaser som ventileras ur battericeller vid termisk rusning. De gaser som påträffats är vätgas, kolmonoxid, koldioxid, metan, etylen samt etan. Det har även visat på förekomst av eten (acetylen) och en mängd andra kolväten, men dessa har påträffats i väldigt små mängder och har därför inte redovisats alternativt använts i de beräkningar som utförts. Ytterligare en gas som är känd att emitteras ifrån en termiskt rusande battericell är vätefluorid. Denna gas utgör inte heller någon signifikant andel av de ventilerade gaserna, men det är en oerhört intressant gas som det utförts mycket forskning kring i och med hur pass giftig den är. Dock är den inte brandfarlig och det är anledningen till att den förbisetts i detta arbete.
Vad gäller mängden ventilerad gas vid termisk rusning, har det visat sig vara betydligt svårare att få fram något stabilt värde. Mängden gas varierar kraftigt från de olika studierna som redovisats, trots att celltypen i vissa fall bestått av samma katodmaterial. Vad som dock gått att urskilja är hur pass reaktiva de olika katodmaterialen är i jämförelse med varandra. Det har i samtliga studier varit en väldigt stor skillnad i volym ventilerad gas mellan framförallt celler med katodmaterial av LFP och celler med katodmaterial NMC. Det beror framförallt på NMC-cellens förmåga att vid uppvärmning kunna släppa ifrån sig syre som medverkar till att oxidera elektrolyten. Detta leder till en kraftig reaktion där en mängd olika brännbara gaser bildas. En möjlig orsak till de varierande resultaten i gasutsläpp mellan NMC-celler, skulle kunna ha att göra med andra faktorer än bara katodmaterialet och elektrolyten. Battericellen består även av andra komponenter som exempelvis en separator, vars uppgift är att hålla isär de båda elektroderna och den består ofta av någon slags polymer, vilket skulle kunna påverka den kemiska reaktionen åt ett eller annat håll. Även vilken mix av elektrolytblandning som används skulle kunna vara orsaken till de varierande resultaten. De olika försöken som redovisats har också utförts av olika forskargrupper från olika delar av världen, där respektive försöksuppställning samt gaskromatografer inte är sig lika i något fall. För att kunna få fram ett mer korrekt resultat hade samma tester behövts utföras på olika slags NMC-celler flertalet gånger, likt utförandet i forskningsstudie 1.
Gällande de emitterade gasernas brännbara egenskaper och hur pass explosiva de egentligen är, var det tydligt att de påvisade gaserna till största del är väldigt brandfarliga. Samtliga av de mer
förekommande gaserna som ventileras ur battericellen vid termisk rusning, med undantag för koldioxid, är brännbara och potentiellt explosiva om de ansamlas i ett utrymme. De gaser som upptar störst del av den ventilerade gasen är vätgas, kolmonoxid och metan, vilka också har en låg nedre brännbarhetsgräns vilket ökar risken för att en explosiv atmosfär kan uppstå i ett mindre utrymme, exempelvis ett batterilager.
En frågeställning som togs fram var gällande om det krävs mekanisk ventilation för att bibehålla en icke-explosiv atmosfär. Under punkt 4.2.1–4.2.3 presenterades det 3 olika scenarion där det skedde termisk rusning hos battericeller i 3 olika sorters batterilager. Det beräknades hur mycket gas som ventilerades ut och hur fördelningen såg ut och sedan beräknades det vilken kapacitet som skulle behövas för att ventilera ut gaser med för att den nedre brännbarhetsgränsen inte skulle uppnås. För scenario 1 och 2 visade det sig att det behövdes en kapacitet på 0,23 m3/sekund (230 l/s) och för scenario 3 behövdes det 0,035 m3/s (35 l/s). Rent tekniskt sett skulle det gå att ventilera ut den efterfrågade mängden ventilerad gas med annat tillvägagångssätt än mekanisk ventilation, men trots det bedöms mekanisk ventilation som ett säkert tillvägagångssätt för att ventilera ut de brännbara gaserna så länge som strömförsörjning kan garanteras.
De utrymmen som vanligtvis ett batterilager är placerat inom, är ofta inte större än det utrymmet i scenario 1, en 53-fotscontainer. Att upprätta ett batterilager i sig är också ett relativt dyrt projekt och sett till förhållandet mellan kostnad/säkerhet är ett mekaniskt ventilationssystem inte den dyra utgiften i sammanhanget. Viktigt att tänka på är att det finns en pålitlig strömkälla som hela tiden kommer att kunna leverera ström till fläktsystemet för att konstant upprätthålla dess funktion. Detta gäller främst i containerbaserade batterilager som ofta är placerade lite utanför den centrala stadsdelen som det förväntas försörja. Alternativ strömförsörjning vid ett batterilager placerat i ett garage för egenbruk, är inget problem då elförsörjning finns att tillgå från hushållet.
Ytterligare en frågeställning som togs fram var om det gick att hitta några riktlinjer för dimensionering av batterilager baser på exempelvis hur många batterier som det består av. Efter att ha gått igenom flertalet vetenskapliga artiklar och experiment som utförts på dessa typer av celler, samt studerat olika typer av scenarion och utfört ventilationsberäkningar, har det lett fram till ett konstaterande att detta ännu är ett oerhört komplext och ännu relativt outforskat område än. Att kunna bestämma några givna riktlinjer för ett batterilager består av så många mer faktorer än att enbart utföra det baserat på antalet battericeller. Det är som tidigare nämnts även påverkat
av vilken slags celltyp det är, alltså vilket katodmaterial cellen består av, hur uppställningen av batterilagret ser ut, vilken mängd gas som ventileras ut ur cellen även om det består av samma katodmaterial som en annan cell osv. Det blir som en slags cocktail med mängder av ingredienser som alla har möjlighet att påverka utgången av den termiska rusningen hos battericellen. Det blir därför väldigt svårt att kunna bestämma en generell lösning som fungerar för batterilager av olika storlek, lagringsförmåga och celltyper.
Däremot anses möjligheten för att i framtiden kunna ta fram riktlinjer för detta som relativt stora.
Skulle det utföras fler tester på vad för slags gaser som ventileras ut vid termisk rusning från respektive tillverkare, skulle en celltyps ventilerade gas nedre brännbarhetsområde kunna bestämmas. Det skulle även underlätta kraftigt om det åtminstone kunde bestämmas ett ungefärligt värde på hur mycket gas som kan ventileras ut ur en enskild cell för att på ett sådant sätt kunna bestämma vilken den maximala volymen ventilerad gas för exempelvis ett batteripaket kan avge. Detta är något som skulle underlätta betydligt för planeringen och säkerheten utav framtida batterilager som i och med dagens samhälles ökande krav på hållbar energi, förmodligen enbart kommer att växa, både för personligt hemmabruk men också för nyttjande av större regioner samt industrier.
Sett till de 3 framtagna scenariernas representativitet är det svårt att göra en säker bedömning.
Det finns flertalet faktorer ur dessa scenarion som talar för att resultaten skulle stämma överens med ett liknande fall om det skett på riktigt, men även faktorer som talar emot detta. I samtliga scenarion utgicks det ifrån att samtliga battericeller var av typen NMC. Detta antagande togs till användning utefter vad resultaten från litteraturstudien visat på. NMC-celler är en av de vanligare celltyperna som används vid just batterilager samt att det visat sig vara den mer reaktiva av de olika celltyperna som används. Att anta att celltyperna i de olika scenarierna hade varit av typen LFP eller annat hade givetvis också fungerat väl, men dessa celler kommer med all sannolikhet inte att orsaka lika stor volym ventilerade som NMC-celler, som i sin tur visar på ett worst-case scenario. Cellernas storlek och skepnad har också antagits vara av samma dimensioner, nämligen små cylindriska istället för exempelvis större pouchceller. Detta är något som inte bedöms påverka resultatet ur respektive scenario trots att det visserligen ventileras ur en betydande mängd mer ur en enskild pouchcell än ur en enskild cylindrisk cell, men med en motsvarande vikt av en pouchcell så ventilerar cylindriska celler ut ungefärligen samma volym gaser.
En faktor som talar emot att de resultat som tagits fram överensstämmer om det skulle ske i verkligheten, är att det i samtliga scenarion antas att batterilagrena är uppladdade till max, alltså 100% SOC. Detta är väldigt sällan fallet att ett batterilager är maximalt uppladdat pga. de risker som kan tänkas uppstå, främst överladdning vilket kan vara orsak till att termisk rusning initieras.
60–80% SOC är vanligtvis vad riktlinjerna för ett batterilager brukar ligga på för att det ska kunna nyttjas effektivt men också säkert. Detta betyder att de beräkningar som utförts i de olika scenarierna i samtliga fall är något överdrivna gällande mängd ventilerad gas. Återigen bedöms detta dock som att antagandet är konservativt. Det är bättre att ta höjd för detta vid beräkningar för att minska risken för underdimensionering av exempelvis ventilation.
En del i respektive scenario innebar att med hjälp av den kända volymen ventilerad gas, bestämma hur gasfördelningen såg ut i den ventilerade gasen. I samtliga scenarion användes värden för NMC 1 ur tabell 3, vilket var ett medvetet val för att på bästa sätt kunna jämföra resultaten från de olika fallen. Därefter beräknades den nedre brännbarhetsgränsen av den ventilerade gasen ur cellerna med hjälp av Le Chateliers formel, som är en väl beprövad teknik för att bestämma nedre brännbarhetsgräns då samtliga gaser i mixen är kända. Eftersom samma värden användes för att bestämma gasfördelningen i den ventilerade gasen, räckte det med att endast utföra dessa beräkningar en gång, då gasmixen såg likadan ut vid varje scenario. En del av gasen som ventilerats var koldioxid som är en inert gas, vilket betyder att den inte reagerar kemiskt med sin omgivning och därför höjer nedre brännbarhetsgränsen något. Denna metod bedöms som ett viktigt steg att använda sig av vid framtida dimensionering av batterilager, främst gällande ventilation då det är en vital del i de ventilationsberäkningar som utförts.
Tiden är också en faktor som är oerhört viktig vid bedömning av respektive scenarios trovärdighet. En enskild battericell kan ventilera ur samtlig volym gas under allt från några minuter i upp till en timme. Oftast är det en enskild cell som kommer i termisk rusning som sedan avger en kraftig värme vilket gör att intilliggande celler också kan hamna i termisk rusning.
Därefter finns risken att det sprider sig exponentiellt till övriga intilliggande celler. Detta är inget som tagits hänsyn till under något av scenarierna eller vid ventilationsberäkningar, då det är ett oerhört komplext område att avgöra vid vilken tidpunkt det sprider sig vidare och försätter en annan cell i termisk rusning. Därför bedöms de antaganden som görs, nämligen att samtliga berörda celler kommer i termisk rusning samtidigt samt att de ventileras ut under ett tidsspann på en timme, som tillräckligt tillförlitliga.
Sett till dessa faktorer som beskrivits är det rimligt att anta att dessa scenarier på något sätt speglar hur det hade kunnat utspelat sig om termisk rusning skett inom ett batterilager i verkligheten.
Den största frågan som kvarstår är dock hur många celler som egentligen hamnar i termisk rusning. I scenario 1 och 2 är det antaget att hylla 9–16 hamnar i termisk rusning, alltså halva batteripacket. Det hade lika gärna kunnat vara fler eller färre celler som hamnar i termisk rusning, dock inte mer än ett enskilt batteripack då de är väl isolerade åt sidan mellan varandra samt pga.
att spridningen sker främst uppåt. I scenario 3 antogs det att samtliga celler i det befintliga batteripacket kom i termisk rusning. Detta batteripack är av normal storlek och vad som kan förväntas finnas i ett hushåll som lagrar energi från exempelvis solcellspaneler. Därför bedöms resultatet från det scenariot som något mer trovärdigt än de övriga scenarierna. Oavsett vad så är detta något som definitivt behövs ta hänsyn till vid dimensionering av batterilager med ventilation installerad då ventilationens kapacitet behövs ökas med större volym emitterad gas från cellerna.
Ett större avsnitt och egentligen huvudsyftet med detta arbete var ventilationsberäkningar. Hur en icke explosiv atmosfär skulle kunna upprätthållas då termisk rusning sker i ett batterilager, för att undvika konsekvenser likt händelsen i Arizona där 4 brandmän blev allvarligt skadade (avsnitt 1.1). En mängd olika antaganden för hur detta skulle beräknas på det mest korrekta viset togs fram. Ett antagande att samtliga ventilerade gaser ur cellerna var varma och därför bildade som ett tvåzonslager, ett högt och varmt med brännbara gaser samt ett lågt och kallt med luft. Detta antagandet i kombination med att enbart brännbara gaser ventileras ut ur utrymmet bedömdes dock som alldeles för förenklat och icke-konservativt då det både kommer att blandas luft med den ventilerade gasen samt ventilera ut en viss mängd ren luft. Det antagandet som sedermera användes var att anta att all gas som ventilerades ut ur battericellerna, blandades helt och hållet med den omgivande luften. Detta är något som inte heller kommer att ske exakt i det verkliga fallet, men det är det antagandet som ger den mest korrekta bilden av situationen utan att använda sig av avancerade datorprogram. Den luft som tillförs utrymmet efter ventilation påbörjats antas späda och blandas helt ut med de befintliga gaserna i utrymmet. Vad gäller trovärdigheten med detta antagandet blir det likt tidigare att det tar höjd för hur det egentligen skulle kunna se ut vid en liknande händelse, vilket resulterar i att de beräknade kapaciteterna som behövs på ventilationen uppfyller ett maximalt krav.
En faktor som delvis styr den framtagna ekvationen (ekv. 3) är att ventilationen startar omgående då ett tecken på att det börjar ventileras gaser ur cellerna till följd av termisk rusning visas. Detta
är i dagsläget ingenting som är möjligt då det ännu inte finns teknologi framtagen för att detektera om ett batterihaveri är på gång att ske, förrän det redan startat. Dock kommer inte samtliga celler i termisk rusning vid samma tidpunkt, utan de sprider sig och ökar exponentiellt, vilket gör att bedömningen av huruvida ventilationen startar direkt vid första tecken, inte påverkar utfallet nämnvärt. Detta leder fram till bedömningen att den ekvation som tagits fram för att bestämma fläktarnas kapacitet, skulle kunna vara ett fungerande alternativ vid dimensionering av ventilationssystem i batterilager likt dessa som presenterats. Detta förutsatt att de variabler som ingår i ekvationen går att ta reda på mer specifikt för just den cellen som skall användas.
Ett scenario som inte diskuterats är huruvida ventilation skulle kunna öka risken för explosion.
Detta exempelvis genom att ventilering av okänd anledning inte startar förrän samtliga gaser har emitterats ur battericellerna, då med en eventuell gaskoncentration ovanför den övre brännbarhetsgränsen, vilket leder till att ventilationen skulle kunna göra att blandningen återigen hamnar inom brännbarhetsområdet. Detta scenario bedöms dock som extremt osannolikt och irrelevant och förkastas därför.
Detta arbete har genomförts via en litteraturstudie, handberäkningar samt beräkningar i Excel.
Litteraturstudien låg till grund för en stor del av arbetet där mycket information om litiumjonbatteriet, energilagring, ventilation samt flertalet olika experiment sammanställts för att så småningom leda fram till kapitlet där de olika scenarierna togs fram och beräkningar utfördes.
Givetvis hade det varit oerhört intressant att utföra experiment och använda den data de försöken hade givit, men i detta fallet var det ingen möjlighet. De forskningsstudier som redovisades härstammade från olika länder i olika delar av världen för att på det viset täcka in en bredare grund kring forskningen på termisk rusning hos litiumjonbatterier. De handberäkningar som utförts bedöms som mindre komplicerade i den mening att det inte varit nödvändigt att ta hjälp av något avancerat datorprogram för att lösa dessa. Detta kan givetvis ha haft en påverkan på resultatet, framförallt gällande ventilationsberäkningarna, då det behövts utföras en del antaganden för att kunna färdigställa dessa beräkningar. Å andra sidan har dessa antaganden i de flesta fallen tagit höjd för oväntade utfall som inte nödvändigtvis kommer att ske och beräknat fram ett worst-case scenario, vilket skulle kunna betyda att de metoder som använts under detta arbete potentiellt skulle kunna fungera i ett riktigt scenario.