Бережіться: Чому горять зарядні станції та яких правил безпеки варто дотримуватися

Російські удари по енергетичній інфраструктурі змусили мільйони українців шукати автономні джерела живлення. Портативні зарядні станції та більш стаціонарні акумуляторні системи стали звичним явищем та суттєво еволюціонували за останні 3 роки. Проте ДСНС останні декілька років фіксує зростання кількості пожеж від цих пристроїв, а за маркетинговими обіцянками "абсолютної безпеки" ховаються певні ризики, передають Патріоти України з посиланням на "Межу".

Як виникає пожежа в акумуляторі

Літій-іонні акумулятори зберігають енергію завдяки переміщенню іонів літію між електродами через рідкий електроліт. Цей електроліт – суміш органічних розчинників, яка легко займається. Проблеми починаються при порушенні умов експлуатації. Заряджання на морозі або надто швидке заряджання призводить до осідання металевого літію на електродах. Утворюються мікроскопічні голки - "дендрити", здатні проколоти внутрішню ізоляцію. Результат: коротке замикання та стрімке нагрівання.

Далі запускається ланцюгова реакція, яку називають термічним розгоном. При 80-120°C руйнується захисний шар на електродах. При 130-150°C плавиться внутрішня ізоляція. При температурі понад 200°C розкладається катод, вивільняючи кисень (у NMC-акумуляторах) або водень (у LFP). Електроліт займається, корпус розривається, назовні вириваються полум'я та розплавлений матеріал. Важливо: термічний розгін є внутрішнім процесом. Накривання акумулятора ковдрою чи припинення доступу кисню ззовні не зупинить реакцію, бо акумулятор генерує окиснювач самостійно.

При цьому традиційні свинцево-кислотні акумулятори, як в автомобілях та старих ДБЖ, майже позбавлені даної проблеми, але всі інші їхні споживчі якості (в першу чергу, кількість циклів заряду-розряду та максимальна швидкість заряджання) роблять їх небажаними у домашніх системах накопичення енергії.

LFP vs NMC: обидва небезпечні, але по-різному

Виробники активно рекламують LFP (вони ж "LiFePo4", тобто літій-залізо-фосфат) як "безпечну" хімію. Це напівправда. Адже LFP все ще є підтипом літій-іонних акумуляторів і загальні принципи хімічних процесів в них залишаються ті ж самі.

NMC-акумулятори (які зазвичай іменують просто "літій-іонними", хоча існує ще декілька менш розповсюджених технологій) мають високу енергоємність, але низьку термічну стабільність. Термічний розгін починається вже при 200-290°C. При аварії виділяється кисень, що робить пожежу самопідтримуваною, та чадний газ, який є смертельно небезпечним в закритому приміщенні. Характерні інтенсивні струмені полум'я та розкидання розплавлених уламків.

LFP-акумулятори справді важче підпалити. Проте їхній режим відмови інший: замість полум'я вони виділяють величезні об'єми газів, в тому числі водень. На відміну від NMC, де газова суміш часто самозаймається, LFP може виділяти водень без негайного загоряння. Разом з тим, LFP-батареї не є гарантією відсутності проблем. Навпаки, в той час, коли увага користувача привернута до пожежо(не)безпечності самого акумулятору, всі інші моменти можуть відійти на другий план. А даремно!

Причини аварій акумуляторних систем

Переважна більшість інцидентів з домашніми акумуляторами має спільний знаменник – людський фактор при монтажі та експлуатації.

Найпоширеніша причина: дефекти з'єднань. Послаблені контакти на запобіжниках, недостатній момент затягування клем, невідповідний переріз проводів, неякісне обтискання конекторів або механічний тиск на термінали – все це створює точки підвищеного опору. У DC-колах такі точки перетворюються на джерела тепла, здатні розігрітися понад 1000°C без спрацювання захисту. Вібрація від побутової техніки чи транспорту, що проїжджає поруч, поступово послаблює навіть правильно виконані з'єднання.

Проблеми ізоляції часто недооцінюють. Алюмінієвий корпус акумуляторних комірок не є потенційно вільним – він може перебувати під напругою відносно інших елементів системи. Контакт корпусу з металевими конструкціями, недостатні повітряні зазори між струмопровідними частинами або пошкодження ізоляційних прокладок створюють шляхи для витоку струму та коротких замикань.

Випадкові короткі замикання трапляються частіше, ніж здається. Металевий інструмент, що впав на відкриті клеми, забутий у корпусі гвинт, пошкодження конструкції при транспортуванні або ударі – миттєве коротке замикання вивільняє енергію всього акумуляторного банку за частки секунди.

Помилки заряджання охоплюють використання невідповідного зарядного пристрою, неправильні налаштування напруги, відсутність захисту від перенапруги та заряджання при низьких температурах. Особливо небезпечне заряджання на морозі – літій осідає на електродах у вигляді металевих голок замість того, щоб вбудовуватися в структуру анода.

Нарешті, відмова захисту на рівні комірок – несправна або відсутня система керування акумулятором (BMS). Без постійного моніторингу напруги, температури та струму кожної комірки неможливо вчасно виявити дисбаланс, перезаряд чи перегрів. Дешеві BMS часто мають недостатню кількість датчиків або використовують компоненти, що виходять з ладу в небезпечний спосіб – замикаючи коло замість його розмикання.

Чому горять портативні станції

Розбирання деяких моделей часто виявляє використання дешевших компонентів. Електролітичні конденсатори – найвразливіший елемент, адже їхній термін служби скорочується пропорційно підвищенню температури. У режимі цілодобової роботи (а саме так використовують станції під час блекаутів) це критично.

Для захисту від вологи виробники герметизують акумуляторні модулі в пластику. Це створює теплову пастку: при інтенсивному навантаженні тепло накопичується, а датчики на поверхні реєструють небезпеку із запізненням – коли вже пізно.

Показовою є історія з відкликанням частини EcoFlow Delta Max 2000 в США після пожеж. Причина – помилка прошивки, що дозволяла перегрів під час заряджання. Це добре нагадування, що навіть у поважного виробника може статися критична проблема у продукті. Але EcoFlow хоча б доклали зусилля для її виправлення, в той час, як від безіменних фабрик "з Аліекспрес" чекати подібного не варто.

Типові помилки користувачів:

1. Послідовне підключення занадто великої кількості сонячних панелей. MPPT-контролер обмежує струм, але не напругу. Перевищення вхідної напруги викликає пробій компонентів та електричну дугу, яка живитиметься сонцем до розплавлення проводів або корпусу. Особливо проблеми з сонячними панелями характерні взимку, коли ефективність їхньої роботи підвищується в умовах "мороз і сонце" вище типової й розрахунки, зроблені для літнього режиму, стають недійсними. Втім, у цих історіях частіше страждають інвертори, а не батареї.
2. Заряджання потужних станцій через подовжувач. Тонкі проводи подовжувача перегріваються при високих струмах заряджання, що може спричинити пожежу ще до станції.
3. Кабель "вилка-вилка" для живлення всього будинку чи квартири. Це надзвичайно поширена в Україні практика, коли станцію підключають до розетки двостороннім кабелем, щоб живити всю мережу. ДСНС категорично забороняє це – ризик ураження струмом та пожежі надзвичайно високий.

Максимальний ризик DIY-систем

Окрема категорія небезпеки – саморобні системи на базі модулів від електромобілів (Tesla, Chevy Bolt, Nissan Leaf). На жаль, для багатьох заклик відмовитися від використання саморобних станцій із несертифікованими елементами чи автомобільними акумуляторами звучить чимось маркетинговим з боку усталених виробників типу тих же Ecoflow. Шкода, що це не так і початкова економія на системі приносить суттєві ризики втратити взагалі все у пожежі.

Акумулятори EV зазвичай виводять з експлуатації при 70-80% ємності. Ця точка часто передує різкому прискоренню деградації. Старі комірки більш схильні до утворення дендритів та внутрішніх коротких замикань.

Рідинне охолодження, яке використовується в автомобілі для відводу тепла від батареї, має бути не менш ефективним у домашніх умовах. Звісно, це додає ще один елемент, який потенційно може призвести до виходу з ладу.

Деякі практики відмовляються від системи управління акумулятором (BMS), вважаючи LFP достатньо надійним. Без моніторингу напруги одна дефектна комірка поступово розбалансує ланцюг, і зарядний пристрій, який "бачить" нормальну загальну напругу, перезарядить слабку комірку до аварії.

З ростом ємності акумулятора росте масштаб можливих проблем. Це актуально для будь-якої системи, починаючи з історій про самозапалювання смартфонів. Але так, для довідки та роздумів: банк на 60 кВт·год містить достатньо енергії для руйнування будинку.

Критична проблема дешевих BMS: якщо захист "згорить" – він не розімкне коло, а навпаки, втратить здатність його контролювати. Автомобільні системи використовують механічні контактори з фізичним розривом, але не всі "саморобники" наслідують цю практику.

Немає ніяких сумнівів, що кожен поважаючий себе автор саморобної системи буде переконувати, що він знає правила безпеки, все правильно розрахував та його робота є абсолютно надійною, "краще заводських" - аргументуючи позитивним досвідом. Сперечатися з цим немає сенсу і можна лише побажати користувачам, щоб всі-всі подібні системи завжди працювали у штатному режимі… І бажано якомога далі від інших споруд.

Електричні небезпеки постійного струму

Постійний струм, який є суттєвою частиною схеми зарядної станції, поводиться інакше, ніж побутова мережа 220 В: DC-дуга не гасне. Змінний струм проходить через нуль 100 разів на секунду, що допомагає погасити дугу. Постійний струм безперервний – дуга іонізує повітря та підтримує себе. Використання звичайних автоматів змінного струму для DC-кіл призводить до приварювання контактів у замкненому положенні.

Сонячні панелі несуть ще додаткову небезпеку – погано обтиснутий MC4-конектор створює послідовну дугу з високою температурою. Струм залишається в нормальних межах, тож запобіжник не спрацює, а ось конектор розплавиться та може підпалити щось навколо.

Токсична загроза: не лише вогонь

Пожежа акумулятора – не просто вогонь. Розкладання електроліту вивільняє фтороводень (HF) – отруту, яка проникає через шкіру, зв'язується з кальцієм у крові та руйнує легені. При пожежі акумулятора 10 кВт·год у гаражі 50 м³ концентрація HF може перевищити смертельну в 1600 разів. Навіть 1% газу, що просочиться в житло через вентиляцію, залишається летальним. Звичайні димові сповіщувачі HF не виявляють.

Що не працює при гасінні

Вода охолоджує, але не гасить реакцію – акумулятор генерує власний кисень. Для охолодження акумулятора електромобіля потрібно до 12 000 літрів. Водяний туман може збільшити виділення фтороводню, погіршуючи токсичну загрозу. Протипожежні ковдри затримують гази під собою. Оскільки термічний розгін триває, накопичується вибухонебезпечна суміш. Тести показують детонацію з відкиданням ковдри. Найбільш ефективним є AVD (водна вермикулітова дисперсія) - вода охолоджує, вермикуліт формує керамічну кірку. Але такі вогнегасники рідкісні та дорогі. Тож більш практичним є хоча б порошковий вогнегасник чи на основі CO2 (дозволяє витіснити кисень). В будь-якому випадку, вогнегасник є обов'язковою покупкою з батареєю більше типового павербанку.

Практичні рекомендації

Розміщення та експлуатація:

• Встановлюйте станцію на рівній, сухій, негорючій поверхні з достатньою вентиляцією;
• Уникайте прямого сонця та близькості до опалювальних приладів;
• Не залишайте на заряджанні без нагляду, особливо на ніч;
• Не зберігайте розрядженою при мінусовій температурі;
• Обмежити доступ дітей – це електроприлад підвищеної небезпеки;
• Пам'ятайте, що збільшення ємності системи підвищує масштаб можливих наслідків.

Категорично заборонено:

• Кабель "вилка-вилка" для живлення всієї мережі будинку;
• Заряджання потужних станцій через подовжувач;
• Перевищення максимальної вхідної напруги від сонячних панелей;
• Підключення навантаження, що перевищує номінальну потужність;
• Використання пошкоджених кабелів або станцій із запахом гару, перегрівом, сторонніми звуками;
• Саморобні системи з несертифікованими компонентами в житлових приміщеннях.

Ознаки негайного припинення використання:

• Запах гару або хімічний запах;
• Надмірний нагрів корпусу;
• Здуття або деформація;
• Сторонні звуки (тріск, шипіння);
• Дим або іскріння.

Згідно зі стандартом NFPA 855:

• Акумулятори понад 1 кВт·год не розміщуйте в житлових кімнатах – лише в технічних приміщеннях, гаражах або надворі;
• Встановіть теплові детектори (швидкість зростання температури), а не лише димові;
• У гаражі передбачте захист від удару автомобілем;
• Загальна ємність понад 50 кВт·год вимагає протипожежного – не менше 1,5 метри між блоками.

Що робити при пожежі акумулятора:

• Евакуюйтеся негайно, не намагайтеся гасити самостійно;
• Викликайте ДСНС;
• Не вдихайте дим – він токсичний;
• Не накривайте ковдрою;
• Попередьте сусідів про можливий вибух.