Exempel på fortsatta studier om litiumjonbatterier och batterilager:
- De ventilationsberäkningar som utförts i detta arbete har delvis grundat sig på antaganden om bland annat tid för ventilering ur cellerna, hur många celler som hamnar i termisk rusning osv. vilket kan ha medfört att viktiga parametrar missats. Det vore därför oerhört intressant om vidare undersökning inom detta område, exempelvis via FDS-beräkning kunde utföras för att se vad den typen av beräkningar skulle leda fram till för resultat.
- Något som potentiellt hade kunnat utvecklat detta arbete hade varit om möjligheten att utföra egna experiment på vad för gaser samt i vilken mängd som ventileras vid termisk rusning hos litiumjonbatterier för att sedan utföra motsvarande beräkningar och dimensionera ett batterilager utefter den givna informationen.
Referenser
Akhil, A. A., Huff, G., Currier, A. B., Kaun, B. C., Rastler, D. M., Chen, S. B., Gauntlett, W.
D. (2013). DOE/EPRI 2013 Electricity Storage Handbook in Collaboration with NRECA.
Albuquerque, New Mexico: Sandia National Laboratories.
Almgren, R. (2007). Räddningstjänst vid olycka med gaser. Hämtad från https://rib.msb.se/filer/pdf/22531.pdf
Amon, F., Andersson, P., Karlson, I. & Sahlin, E., 2012. Fire risks associated with batteries (SP Report 2012:66), Borås: SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut.
Batteriföreningen. (2020a). Batteriets historia. Hämtat 2020-08-17 från https://batteriforeningen.se/batteriets-historia/
Batteriföreningen. (2020b). Litiumjonbatterier. Hämtat 2020-08-17 från https://batteriforeningen.se/litium-jon/
Bisschop, R., Willstrand, O., Amon, F., & Rosengren, M. (2019). Fire Safety of Lithium-Ion Batteries in Road Vehicles (RISE Report 2019:50). Hämtad från http://ri.diva-portal.org/smash/record.jsf?pid=diva2%3A1317419&dswid=-302 2020-08-17
Björklund, M., & Paulsson, U. (2012). Seminarieboken (andra upplagan). Lund:
Studentlitteratur.
Blum, A. F. & Long, R. T., 2016. Fire Hazard Assessment of Lithium Ion Battery Energy Storage Systems. Hämtad från https://www.nfpa.org/-/media/Files/News-and-Research/Fire-statistics-and-reports/Hazardous-materials/RFFireHazardAssessmentLithiumIonBattery.ashx
Bodner, Matthew. (2019). Faulty battery may have sparked Russian submarine fire – reports.
Hämtad 2020-05-26 från https://www.theguardian.com/world/2019/jul/23/russia-submersible-fire-faulty-battery-may-be-cause-reports
Chen, S., Wang, Z., Wang, J., Tong, X. & Yan, W. (2019). Lower explosion limit of the vented gases from Li-ion batteries thermal runaway in high temperature condition. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 63, 103992. https://doi.org/10.1016/j.jlp.2019.103992
Elsäkerhetsverket. (2019). Säkerhetsrisker med batterilager. Hämtad 2020-05-26 från
https://www.elsakerhetsverket.se/privatpersoner/din-elanlaggning/bygga-och-renovera/installation-av-batterilager/sakerhetsrisker-med-batterilager/
Elsäkerhetsverket. (2020). Installation av batterilager. Hämtad 2020-05-26 från
https://www.elsakerhetsverket.se/privatpersoner/din-elanlaggning/bygga-och-renovera/installation-av-batterilager/sakerhetsrisker-med-batterilager/
Erlandsson, U., & Bengtsson, L. G. (2005). Brandutredning. Karlstad: Räddningsverket.
Faranda, R. S., Fumagalli, K., & Bielli, M. (2019). Lithium-Ion Batteries for Explosive Atmosphere. Research Publications at Politecnico di Milano,1-7. Hämtad från https://re.public.polimi.it/retrieve/handle/11311/1094841/390896/2019_PCIC%20Europe_Lit
Golubkov, A., Fuchs, D., Wagner, J., Wiltsche, H., Stangl, C., Fauler, G., ... Hacker, V. (2013). Thermal-runaway experiments on consumer Li-ion batteries with metal-oxide and olivin-type cathodes. RSC Advances, (4), 3633-3642. https://doi.org/10.1039/C3RA45748F
Hansson, M., Johansson, O., Normark, B. (2014). Energilager i energisystemet. Hämtad från Power Circle: https://powercircle.org/wp-content/uploads/2014/09/Underlagsrapport-Energilager-i-energisystemet.pdf
Harmsen, N. (2019). South Australia’s giant Tesla battery output and storage set to increase by 50 per cent. Hämtad 2020-09-02 från https://www.abc.net.au/news/2019-11-19/sa-big-battery-set-to-get-even-bigger/11716784
Irfan, U. (2014). How lithium ion batteries grounded the Dreamliner (202-628-6500). Hämtad från 2020-05-26 https://www.scientificamerican.com/article/how-lithium-ion-batteries-grounded-the-dreamliner/
Larsson, F., 2017. Lithium-ion Battery Safety - Assessment by Abuse Testing, Fluoride Gas Emissions and Fire Propagation, Göteborg: Chalmers University of Technology.
Omar, N., Daowd, M., Bossche, P., Hegazy, O., Smekens, J., Coosemans, T., Mierlo, J. (2012).
Rechargeable Energy Storage Systems for Plug-in Hybrid Electric Vehicles – Assessment of Electrical Characteristics. Energies, volume (5), 2954. doi:10.3390/en5082952
Spector, Julian. (2019a). What we know and don’t know about the fire at an APS battery facility. Hämtad 2020-05-26 från https://www.greentechmedia.com/articles/read/what-we-know-and-dont-know-about-the-fire-at-an-aps-battery-facility#gs.7aylwl
Spector, Julian. (2019b). The Arizona Battery Explosion Is Changing Conventional Wisdom on Safety. Hämtad 2020-05-26 från https://www.greentechmedia.com/articles/read/arizona-battery-explosion-conventional-wisdom-safety
Spector, Julian. (2020). Say Hello to the Biggest Battery in America (for Now). Hämtad 2020-09-02 från https://www.greentechmedia.com/articles/read/say-hello-to-the-new-biggest-battery-in-the-us
Sturk, D. & Hoffmann, L. (2013). E-fordons Potentiella Riskfaktorer vid Trafikskadehändelse (2013:58). Science Partner. https://rib.msb.se/Filer/pdf/27571.pdf
Sturk, D., Rosell, L., Blomqvist, P., Tidblad, A. A. (2019). Analysis of Li-Ion Battery Gases Vented in an Inert Atmosphere Thermal Test Chamber. Batteries 2019, 5(3), 62.
https://doi.org/10.3390/batteries5030061
Svensson, S. (2006). Brandgasventilation. Karlstad: Räddningsverket
Vattenfall. (2020). Vattenfall bygger unikt batterilager i Uppsala. Hämtad 2020-09-02 från
https://group.vattenfall.com/se/nyheter-och-press/nyheter-pressmeddelanden/nyheter/2020/vattenfall-bygger-unikt-batterilager-i-uppsala
Wang, Q., Mao, B., Stoliarov, S. I., Sun, J. (2019). A review of lithium ion battery failure mechanisms and fire prevention strategies. Progress in Energy and Combustion Science, volume(73), 95-131. doi: https://doi.org/10.1016/j.pecs.2019.03.002
Yuan, L., Dubaniewicz, T., Zlochower, I., Thomas, R., Rayyan, N. (2020). Experimental study on thermal runaway and vented gases of lithium-ion cells. Process Saf. Environ. Prot. (2020), https://doi.org/10.1016/j.psep.2020.07.028
Bilaga A
Varje enskild cells högsta potentiella lagrade energi ges av:
𝐸𝑛 𝑐𝑒𝑙𝑙𝑠 𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑖𝑠𝑘𝑡 𝑙𝑎𝑔𝑟𝑎𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 (𝑊ℎ) = 𝑐𝑒𝑙𝑙𝑠𝑝ä𝑛𝑛𝑖𝑛𝑔 (𝑉) ∗ 𝑐𝑒𝑙𝑙𝑒𝑛𝑠 𝑘𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑒𝑡 (𝐴ℎ)
I detta fall där varje enskild cell har en kapacitet på 2,4 Ah samt en spänning på 3,6 V ger det:
2,4 ∗ 3,6 = 8,64 𝑊ℎ 𝑝𝑒𝑟 𝑐𝑒𝑙𝑙
I varje batteripack finns det 14400 stycken celler och det finns totalt 24 stycken batteripack, detta ger en potential till lagrad energi enligt:
8,64 𝑊ℎ ∗ 14400 ∗ 24 = 2985984𝑊ℎ = 2,985984 𝑀𝑊ℎ
Containers totala volym uppgår till:
16𝑚 ∗ 4𝑚 ∗ 3,5𝑚 = 224 𝑚O
Mängd luft i utrymmet med all inredning redovisat i figur 10 borträknat:
224 𝑚O − (1,3𝑚 ∗ 1𝑚 ∗ 2,2𝑚) ∗ 24 − 1𝑚 ∗ 1,4𝑚 ∗ 2,2𝑚 ≈ 152 𝑚O
Mängd ventilerad gas vid termisk rusning hos 7200 celler med vikten 45 gram, samt det viktade värdet för NMC 1 ur tabell 2:
7200 ∗ 0,045 𝑘𝑔 ∗ 215 𝐿/𝑘𝑔 ≈ 69660 𝐿 ≈ 69,7 𝑚O
Mängd luft i utrymmet blir därav:
152 𝑚O− 69,7 𝑚O = 82,3 𝑚O
Fördelningen av de 69,7 m3 ventilerade gaser blir (med undantag för etyn då förekomsten är
<0,01%), med utgångsvärden ur tabell 3 för NMC 1 enligt:
𝑉ä𝑡𝑔𝑎𝑠
0,1858 ∗ 69,7 𝑚O = 12,95𝑚O 𝑣𝑖𝑙𝑘𝑒𝑡 𝑚𝑜𝑡𝑠𝑣𝑎𝑟𝑎𝑟 8,5% 𝑎𝑣 𝑠𝑎𝑚𝑡𝑙𝑖𝑔𝑎 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑟 𝑖 𝑢𝑡𝑟𝑦𝑚𝑚𝑒𝑡
𝐾𝑜𝑙𝑚𝑜𝑛𝑜𝑥𝑖𝑑
0,4545 ∗ 69,7 𝑚O = 31,7 𝑚O 𝑣𝑖𝑙𝑘𝑒𝑡 𝑚𝑜𝑡𝑠𝑣𝑎𝑟𝑎𝑟 20,9% 𝑎𝑣 𝑠𝑎𝑚𝑡𝑙𝑖𝑔𝑎 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑟 𝑖 𝑢𝑡𝑟𝑦𝑚𝑚𝑒𝑡
𝐾𝑜𝑙𝑑𝑖𝑜𝑥𝑖𝑑
0,1983 ∗ 69,7 𝑚O = 13,8 𝑚O 𝑣𝑖𝑙𝑘𝑒𝑡 𝑚𝑜𝑡𝑠𝑣𝑎𝑟𝑎𝑟 9,1% 𝑎𝑣 𝑠𝑎𝑚𝑡𝑙𝑖𝑔𝑎 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑟 𝑖 𝑢𝑡𝑟𝑦𝑚𝑚𝑒𝑡
𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛
0,1575 ∗ 69,7 𝑚O = 11,0 𝑚O 𝑣𝑖𝑙𝑘𝑒𝑡 𝑚𝑜𝑡𝑠𝑣𝑎𝑟𝑎𝑟 7,2% 𝑎𝑣 𝑠𝑎𝑚𝑡𝑙𝑖𝑔𝑎 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑟 𝑖 𝑢𝑡𝑟𝑦𝑚𝑚𝑒𝑡
𝐸𝑡𝑦𝑙𝑒𝑛
0,0015 ∗ 69,7 𝑚O = 0,10 𝑚O 𝑣𝑖𝑙𝑘𝑒𝑡 𝑚𝑜𝑡𝑠𝑣𝑎𝑟𝑎𝑟 0,07% 𝑎𝑣 𝑠𝑎𝑚𝑡𝑙𝑖𝑔𝑎 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑟 𝑖 𝑢𝑡𝑟𝑦𝑚𝑚𝑒𝑡
𝐸𝑡𝑎𝑛
0,0024 ∗ 69,7 𝑚O = 0,17 𝑚O 𝑣𝑖𝑙𝑘𝑒𝑡 𝑚𝑜𝑡𝑠𝑣𝑎𝑟𝑎𝑟 0,11% 𝑎𝑣 𝑠𝑎𝑚𝑡𝑙𝑖𝑔𝑎 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑟 𝑖 𝑢𝑡𝑟𝑦𝑚𝑚𝑒𝑡
Den totala mängden brännbar gas blir således:
8,5% + 20,9% + 7,2% + 0,07% + 0,11% = 36,8%
Bilaga B
Varje enskild cells högsta potentiella lagrade energi ges av:
𝐸𝑛 𝑐𝑒𝑙𝑙𝑠 𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑖𝑠𝑘𝑡 𝑙𝑎𝑔𝑟𝑎𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 (𝑊ℎ) = 𝑐𝑒𝑙𝑙𝑠𝑝ä𝑛𝑛𝑖𝑛𝑔 (𝑉) ∗ 𝑐𝑒𝑙𝑙𝑒𝑛𝑠 𝑘𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑒𝑡 (𝐴ℎ)
I detta fall där varje enskild cell har en kapacitet på 2,4 Ah samt en spänning på 3,6 V ger det:
2,4 ∗ 3,6 = 8,64 𝑊ℎ 𝑝𝑒𝑟 𝑐𝑒𝑙𝑙
I varje batteripack finns det 14400 stycken celler och det finns totalt 16 stycken batteripack, detta ger en potential till lagrad energi enligt:
8,64 𝑊ℎ ∗ 14400 ∗ 16 = 1990656𝑊ℎ = 1,99 𝑀𝑊ℎ
Containers totala volym uppgår till:
12𝑚 ∗ 4𝑚 ∗ 3,5𝑚 = 168 𝑚O
Mängd luft i utrymmet med all inredning borträknat:
168 𝑚O − (1,3𝑚 ∗ 1𝑚 ∗ 2,2𝑚) ∗ 16 − 1𝑚 ∗ 1,4𝑚 ∗ 2,2𝑚 ≈ 119 𝑚O
Mängd ventilerad gas vid termisk rusning hos 7200 celler med vikten 45 gram, samt det viktade värdet för NMC 1 ur tabell 2:
7200 ∗ 0,045 𝑘𝑔 ∗ 215 𝐿/𝑘𝑔 ≈ 69660 𝐿 ≈ 69,7 𝑚O
Mängd luft i utrymmet blir därav:
119 𝑚O− 69,7 𝑚O = 49,3 𝑚O
Fördelningen av de 69,7 m3 ventilerade gaser blir (med undantag för etyn då förekomsten är
<0,01%), med utgångsvärden ur tabell 3 för NMC 1 enligt:
𝑉ä𝑡𝑔𝑎𝑠
0,1858 ∗ 69,7 𝑚O = 12,95𝑚O 𝑣𝑖𝑙𝑘𝑒𝑡 𝑚𝑜𝑡𝑠𝑣𝑎𝑟𝑎𝑟 10,9% 𝑎𝑣 𝑠𝑎𝑚𝑡𝑙𝑖𝑔𝑎 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑟 𝑖 𝑢𝑡𝑟𝑦𝑚𝑚𝑒𝑡
𝐾𝑜𝑙𝑚𝑜𝑛𝑜𝑥𝑖𝑑
0,4545 ∗ 69,7 𝑚O = 31,7 𝑚O 𝑣𝑖𝑙𝑘𝑒𝑡 𝑚𝑜𝑡𝑠𝑣𝑎𝑟𝑎𝑟 26,6% 𝑎𝑣 𝑠𝑎𝑚𝑡𝑙𝑖𝑔𝑎 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑟 𝑖 𝑢𝑡𝑟𝑦𝑚𝑚𝑒𝑡
𝐾𝑜𝑙𝑑𝑖𝑜𝑥𝑖𝑑
0,1983 ∗ 69,7 𝑚O = 13,8 𝑚O 𝑣𝑖𝑙𝑘𝑒𝑡 𝑚𝑜𝑡𝑠𝑣𝑎𝑟𝑎𝑟 11,6% 𝑎𝑣 𝑠𝑎𝑚𝑡𝑙𝑖𝑔𝑎 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑟 𝑖 𝑢𝑡𝑟𝑦𝑚𝑚𝑒𝑡
𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛
0,1575 ∗ 69,7 𝑚O = 11,0 𝑚O 𝑣𝑖𝑙𝑘𝑒𝑡 𝑚𝑜𝑡𝑠𝑣𝑎𝑟𝑎𝑟 9,2% 𝑎𝑣 𝑠𝑎𝑚𝑡𝑙𝑖𝑔𝑎 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑟 𝑖 𝑢𝑡𝑟𝑦𝑚𝑚𝑒𝑡
𝐸𝑡𝑦𝑙𝑒𝑛
0,0015 ∗ 69,7 𝑚O = 0,10 𝑚O 𝑣𝑖𝑙𝑘𝑒𝑡 𝑚𝑜𝑡𝑠𝑣𝑎𝑟𝑎𝑟 0,08% 𝑎𝑣 𝑠𝑎𝑚𝑡𝑙𝑖𝑔𝑎 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑟 𝑖 𝑢𝑡𝑟𝑦𝑚𝑚𝑒𝑡
𝐸𝑡𝑎𝑛
0,0024 ∗ 69,7 𝑚O = 0,17 𝑚O 𝑣𝑖𝑙𝑘𝑒𝑡 𝑚𝑜𝑡𝑠𝑣𝑎𝑟𝑎𝑟 0,14% 𝑎𝑣 𝑠𝑎𝑚𝑡𝑙𝑖𝑔𝑎 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑟 𝑖 𝑢𝑡𝑟𝑦𝑚𝑚𝑒𝑡
Den totala mängden brännbar gas blir således:
10,9% + 26,6% + 9,2% + 0,08% + 0,14% = 46,9%
Bilaga C
Varje enskild cells högsta potentiella lagrade energi ges av:
𝐸𝑛 𝑐𝑒𝑙𝑙𝑠 𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑖𝑠𝑘𝑡 𝑙𝑎𝑔𝑟𝑎𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 (𝑊ℎ) = 𝑐𝑒𝑙𝑙𝑠𝑝ä𝑛𝑛𝑖𝑛𝑔 (𝑉) ∗ 𝑐𝑒𝑙𝑙𝑒𝑛𝑠 𝑘𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑒𝑡 (𝐴ℎ)
I detta fall där varje enskild cell har en kapacitet på 2,4 Ah samt en spänning på 3,6 V ger det:
2,4 ∗ 3,6 = 8,64 𝑊ℎ 𝑝𝑒𝑟 𝑐𝑒𝑙𝑙
I batteripacket finns det 3 moduler med 400 celler i respektive modul, det blir totalt 1200 celler, vilket ger en potential till lagrad energi enligt:
8,64 𝑊ℎ ∗ 1200 = 10368𝑊ℎ = 10,3𝑘𝑊ℎ
Garagets totala volym uppgår till:
6𝑚 ∗ 3,6𝑚 ∗ 2,4𝑚 = 51,84 𝑚O
Mängd luft i utrymmet med batteripacket borträknat:
51,8 𝑚O− (0,75𝑚 ∗ 0,15𝑚 ∗ 1,2𝑚) ≈ 51,7 𝑚O
Mängd ventilerad gas vid termisk rusning hos 1200 celler med vikten 45 gram, samt det viktade värdet för NMC 1 ur tabell 2:
1200 ∗ 0,045 𝑘𝑔 ∗ 215 𝐿/𝑘𝑔 ≈ 11610 𝐿 ≈ 11,6𝑚O
Mängd luft i utrymmet blir därav:
51,7 𝑚O− 11,6 𝑚O = 40,1 𝑚O
Fördelningen av de 11,6 m3 ventilerade gaser blir (med undantag för etyn då förekomsten är
<0,01%), med utgångsvärden ur tabell 3 för NMC 1 enligt:
𝑉ä𝑡𝑔𝑎𝑠
0,1858 ∗ 11,6 𝑚O = 2,2 𝑚O 𝑣𝑖𝑙𝑘𝑒𝑡 𝑚𝑜𝑡𝑠𝑣𝑎𝑟𝑎𝑟 4,3% 𝑎𝑣 𝑠𝑎𝑚𝑡𝑙𝑖𝑔𝑎 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑟 𝑖 𝑢𝑡𝑟𝑦𝑚𝑚𝑒𝑡
𝐾𝑜𝑙𝑚𝑜𝑛𝑜𝑥𝑖𝑑
0,4545 ∗ 11,6 𝑚O = 5,3 𝑚O 𝑣𝑖𝑙𝑘𝑒𝑡 𝑚𝑜𝑡𝑠𝑣𝑎𝑟𝑎𝑟 10,3% 𝑎𝑣 𝑠𝑎𝑚𝑡𝑙𝑖𝑔𝑎 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑟 𝑖 𝑢𝑡𝑟𝑦𝑚𝑚𝑒𝑡
𝐾𝑜𝑙𝑑𝑖𝑜𝑥𝑖𝑑
0,1983 ∗ 11,6 𝑚O = 2,3 𝑚O 𝑣𝑖𝑙𝑘𝑒𝑡 𝑚𝑜𝑡𝑠𝑣𝑎𝑟𝑎𝑟 4,4% 𝑎𝑣 𝑠𝑎𝑚𝑡𝑙𝑖𝑔𝑎 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑟 𝑖 𝑢𝑡𝑟𝑦𝑚𝑚𝑒𝑡
𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛
0,1575 ∗ 11,6 𝑚O = 1,8 𝑚O 𝑣𝑖𝑙𝑘𝑒𝑡 𝑚𝑜𝑡𝑠𝑣𝑎𝑟𝑎𝑟 3,5% 𝑎𝑣 𝑠𝑎𝑚𝑡𝑙𝑖𝑔𝑎 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑟 𝑖 𝑢𝑡𝑟𝑦𝑚𝑚𝑒𝑡
𝐸𝑡𝑦𝑙𝑒𝑛
0,0015 ∗ 11,6 𝑚O = 0,02 𝑚O 𝑣𝑖𝑙𝑘𝑒𝑡 𝑚𝑜𝑡𝑠𝑣𝑎𝑟𝑎𝑟 0,04% 𝑎𝑣 𝑠𝑎𝑚𝑡𝑙𝑖𝑔𝑎 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑟 𝑖 𝑢𝑡𝑟𝑦𝑚𝑚𝑒𝑡
𝐸𝑡𝑎𝑛
0,0024 ∗ 11,6 𝑚O = 0,03 𝑚O 𝑣𝑖𝑙𝑘𝑒𝑡 𝑚𝑜𝑡𝑠𝑣𝑎𝑟𝑎𝑟 0,06% 𝑎𝑣 𝑠𝑎𝑚𝑡𝑙𝑖𝑔𝑎 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑟 𝑖 𝑢𝑡𝑟𝑦𝑚𝑚𝑒𝑡
Den totala mängden brännbar gas blir således:
4,3% + 10,3% + 3,5% + 0,04% + 0,06% = 18,2%