Projektowanie odciągów wodoru znad stacji ładowania akumulatorów

Podczas końcowej fazy ładowania akumulatorów zachodzi proces elektrolizy wody zawartej w elektrolicie. W jego wyniku powstaje wodór oraz tlen. Wodór jest gazem wyjątkowo lekkim, jego gęstość jest około 14 razy mniejsza od gęstości powietrza. Dlatego bardzo szybko unosi się ku górze i gromadzi pod stropem pomieszczenia.

Czym jest odciąg wodoru znad stacji ładowania akumulatorów?

Odciąg wodoru jest elementem instalacji wentylacji przemysłowej przeznaczonym do usuwania wodoru wydzielającego się podczas ładowania akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Zadaniem systemu jest bezpieczne odprowadzanie gazu bezpośrednio znad stanowiska ładowania, zanim jego stężenie osiągnie poziom mogący stwarzać zagrożenie wybuchem.

W przypadku niewystarczającej wentylacji może dojść do przekroczenia dolnej granicy wybuchowości (DGW), która dla wodoru wynosi około 4% objętości w powietrzu. Z tego względu projektowanie odciągu wodoru powinno być zgodne z obowiązującymi normami oraz uwzględniać odpowiednią wydajność wentylacji, lokalizację okapów oraz dobór urządzeń przeznaczonych do pracy w strefach zagrożonych wybuchem.

Odciągi wodoru stosowane są przede wszystkim w:

• Akumulatorowniach
• Stacjach ładowania baterii trakcyjnych
• Magazynach wyposażonych w wózki widłowe
• Centrach logistycznych
• Zakładach produkcyjnych
• Serwisach baterii przemysłowych

Dlaczego podczas ładowania akumulatorów wydziela się wodór?

Podczas normalnej pracy akumulator kwasowo-ołowiowy magazynuje energię elektryczną w postaci reakcji chemicznych zachodzących pomiędzy elektrodami a elektrolitem. W końcowej fazie ładowania, gdy akumulator osiąga pełne naładowanie, dostarczana energia nie jest już wykorzystywana do magazynowania ładunku, lecz powoduje rozkład wody znajdującej się w elektrolicie.

Proces ten nazywany jest elektrolizą.

W jego wyniku zachodzi reakcja:Oznacza to, że z każdej cząsteczki wody powstają dwie cząsteczki wodoru oraz jedna cząsteczka tlenu.

Największe ilości wodoru wydzielają się:

• Podczas końcowej fazy ładowania
• Przy ładowaniu wyrównawczym
• Podczas przeładowania akumulatorów
• W wysokiej temperaturze otoczenia
• Przy dużych prądach ładowania

Im większa pojemność baterii oraz prąd ładowania, tym większa ilość wodoru przedostaje się do otoczenia.

Dlaczego wentylacja stacji ładowania akumulatorów jest konieczna?

Projektowanie wentylacji stacji ładowania akumulatorów ma na celu przede wszystkim zapewnienie bezpieczeństwa pracowników oraz ograniczenie ryzyka wybuchu.

Najważniejsze zagrożenia związane z gromadzeniem się wodoru obejmują:

• Możliwość powstania atmosfery wybuchowej
• Ryzyko zapłonu od iskry elektrycznej
• Uszkodzenie urządzeń elektrycznych
• Zagrożenie dla zdrowia pracowników
• Korozję elementów wyposażenia spowodowaną obecnością oparów elektrolitu

W praktyce najskuteczniejszym rozwiązaniem jest odciąganie wodoru bezpośrednio nad stanowiskiem ładowania, zanim gaz zdąży rozprzestrzenić się po całym pomieszczeniu.

Jakie wymagania powinien spełniać odciąg wodoru?

Projektując instalację odciągową należy uwzględnić wymagania obowiązujących norm oraz charakterystykę procesu ładowania akumulatorów.

Najważniejsze wymagania obejmują:

• Odpowiednią wydajność wentylacji
• Skuteczne przechwytywanie wodoru u źródła emisji
• Zapewnienie dopływu powietrza kompensacyjnego
• Zastosowanie urządzeń przystosowanych do pracy w strefach zagrożonych wybuchem
• Wykorzystanie materiałów odpornych na działanie środowiska korozyjnego
• Możliwość łatwej kontroli i konserwacji instalacji

Oprócz prawidłowego doboru wydajności niezwykle ważna jest również lokalizacja okapu odciągowego oraz sposób prowadzenia kanałów wentylacyjnych.

Jak wysoko zamontować okap odciągowy nad akumulatorami?

Systemy odciągów opierają się zazwyczaj na okapach montowanych bezpośrednio nad ładowanymi bateriami. Umożliwiają one wyciąg oparów grawitacyjnie lub mechanicznie.

Odległość okapu od stacji ładowania (wózków lub samych akumulatorów) powinna wynosić od 1,2 do 1,5 metra mierzona od górnej krawędzi ładowanej baterii do dolnej krawędzi okapu. Jest to optymalny kompromis pomiędzy fizyką unoszenia się gazów a ergonomią pracy operatora.

Wysokość montażu regulują trzy kluczowe czynniki:

Specyfika wodoru

Wodór jest około 14-krotnie lżejszy od powietrza. Unosi się pionowo w górę z dużą prędkością, tworząc nad baterią stożek gazowy.

Okap nie może wisieć zbyt wysoko (np. powyżej 2 metrów nad baterią), ponieważ prądy powietrza w hali rozproszą wodór na boki, zanim trafi on do odciągu.

Zgodnie z normą PN-EN IEC 62485-3 promień strefy zagrożenia wybuchem (tzw. odległość bezpieczna d) wynosi standardowo 0,5 metra wokół baterii. Okap musi skutecznie objąć tę przestrzeń.

Ergonomia i bezpieczeństwo pracy

Dostęp do baterii: Operator musi mieć swobodę otwierania pokryw skrzyń akumulatorowych, podłączania przewodów oraz uzupełniania wody demineralizowana

Obsługa wózków: Jeśli wózki widłowe wjeżdżają bezpośrednio pod odciąg lub akumulatory są podnoszone za pomocą suwnicy, dolna krawędź okapu musi znajdować się nad najwyższym punktem masztu wózka lub podnoszonego elementu, zazwyczaj na wysokości ok. 2,2 do 2,5 metra od posadzki

Sposób na poprawę skuteczności (Kurtyny PCV)

Jeżeli warunki techniczne (np. obsługa suwnicą) wymuszają powieszenie okapu wyżej, standardową praktyką jest stosowanie bocznych kurtyn z pasów PCV. Zwisające pasy PCV ograniczają ucieczkę wodoru na boki. Pozwalają one na obniżenie wymaganej wydajności wentylatora, ponieważ „zamykają” przestrzeń nad stacją ładowania.

Rekomendowane wymiary montażowe

Wysokość dolnej krawędzi okapu: 2,2 – 2,4 m od poziomu posadzki (zapewnia swobodne przejście ludzi i operowanie bateriami)

Naddatek szerokości: Okap powinien wystawać poza obrys ładowanych baterii o minimum 10–15 cm z każdej wolnej strony, aby prawidłowo przechwytywać rozszerzający się ku górze strumień gazu

Obliczenia niezbędnego strumienia objętości powietrza

Aby poprawnie dobrać odciąg znad stacji ładowania akumulatorów, należy obliczyć niezbędny strumień powietrza wentylacyjnego (V). Głównym celem tych obliczeń jest rozrzedzenie wydzielającego się wodoru do bezpiecznego poziomu poniżej Dolnej Granicy Wybuchowości (DGW), która dla wodoru wynosi 4%. W praktyce dąży się do zachowania współczynnika bezpieczeństwa, ograniczając stężenie wodoru do maksymalnie 1%.

Obliczenia wykonuje się zgodnie z normą PN-EN IEC 62485-2 (lub wcześniejszą PN-EN 50272-2).

Obliczenie emisji wodoru

Ilość wodoru wydzielanego przez jedną celę akumulatora określa wzór:Uwaga: W przypadku ładowania szybkiego lub braku danych katalogowych producenta, normy nakazują przyjęcie wyższych wartości (np. odpowiednio 20 A i 8 A).

Obliczenie strumienia powietrza wentylacyjnego

Strumień powietrza potrzebny do bezpiecznego rozrzedzenia wodoru oblicza się ze wzoru:Gdzie m to liczba jednocześnie ładowanych baterii o identycznych parametrach. Jeśli stanowiska różnią się od siebie, należy zsumować wartości dla wszystkich urządzeń.

Dobór wydajności wentylatora i odciągu

Zapas wydajności: Uzyskany wynik V to absolutne minimum sanitarno-wybuchowe. Przy projektowaniu okapu nad stanowiskiem należy uwzględnić nieszczelności oraz tzw. prędkość porywania (zazwyczaj min. 0,2 – 0,3 m/s na obrzeżu okapu)

Bilans powietrza: Odciąg miejscowy musi być zbilansowany z nawiewem świeżego powietrza do pomieszczenia, aby nie wytwarzać podciśnienia utrudniającego ewakuację gazów

Podsumowanie wzoru końcowego

Dla najpopularniejszych baterii klasycznych (z płynnym elektrolitem) o pojemności C₁₀, uproszczony wzór na strumień powietrza dla jednego stanowiska wygląda następującej:

Najczęstsze błędy przy projektowaniu odciągu wodoru

Skuteczność instalacji odciągu wodoru zależy nie tylko od prawidłowo dobranej wydajności wentylatora, ale również od odpowiedniego rozmieszczenia elementów instalacji oraz właściwego wykonania całego systemu. Nawet niewielkie błędy projektowe mogą prowadzić do pogorszenia skuteczności wentylacji i zwiększenia ryzyka powstania atmosfery wybuchowej.

Zbyt mała wydajność wentylatora

Jednym z najczęściej popełnianych błędów jest dobór wentylatora wyłącznie na podstawie orientacyjnych wartości, bez wykonania obliczeń zgodnych z wymaganiami norm.

Zbyt mały strumień powietrza może nie zapewnić odpowiedniego rozcieńczenia wodoru, co prowadzi do wzrostu jego stężenia w pomieszczeniu.

Każda instalacja powinna być projektowana indywidualnie z uwzględnieniem liczby ładowanych akumulatorów, ich pojemności oraz sposobu ładowania.

Nieprawidłowa wysokość montażu okapu

Wodór bardzo szybko unosi się ku górze, dlatego lokalizacja okapu ma kluczowe znaczenie dla skuteczności odciągu.

Zbyt wysoko zamontowany okap powoduje, że gaz zdąży rozprzestrzenić się po pomieszczeniu przed jego przechwyceniem. Z kolei zbyt niskie umieszczenie okapu może utrudniać obsługę stanowiska ładowania.

Brak odpowiedniego nawiewu

Każda instalacja wyciągowa wymaga zapewnienia dopływu świeżego powietrza.

Jeżeli ilość powietrza nawiewanego będzie zbyt mała, wydajność odciągu spadnie, a w pomieszczeniu może pojawić się nadmierne podciśnienie utrudniające prawidłową pracę systemu.

Projekt wentylacji powinien zawsze uwzględniać bilans powietrza nawiewanego i wywiewanego.

Nieuwzględnienie wykonania ATEX

W przypadku możliwości występowania atmosfery wybuchowej wszystkie urządzenia pracujące w odpowiedniej strefie zagrożenia powinny spełniać wymagania dyrektywy ATEX.

Dotyczy to między innymi:

• Wentylatorów
• Silników elektrycznych
• Elementów automatyki
• Instalacji elektrycznej

Pominięcie tych wymagań może prowadzić do poważnego zagrożenia bezpieczeństwa.

Nieodpowiednie materiały instalacyjne

Podczas eksploatacji stacji ładowania akumulatorów oprócz wodoru mogą występować również opary elektrolitu powodujące korozję elementów instalacji.

Z tego względu kanały wentylacyjne, okapy oraz elementy montażowe powinny być wykonane z materiałów odpornych na działanie agresywnego środowiska.

Brak systemu detekcji wodoru

W dużych akumulatorowniach oraz pomieszczeniach o podwyższonym ryzyku wybuchu coraz częściej stosuje się systemy monitorujące stężenie wodoru.

Detektory mogą współpracować z automatyką wentylacji, uruchamiając wentylatory lub zwiększając ich wydajność po przekroczeniu określonego poziomu stężenia gazu.

Takie rozwiązanie zwiększa bezpieczeństwo eksploatacji oraz pozwala ograniczyć zużycie energii podczas normalnej pracy instalacji.

Rozwiązania Mastervent do odciągu wodoru

Skuteczne usuwanie wodoru wymaga zastosowania odpowiednio dobranych urządzeń oraz prawidłowo zaprojektowanej instalacji wentylacyjnej. Firma Mastervent oferuje kompletne rozwiązania w wykonaniu przeciwwybuchowym przeznaczone do wentylacji stacji ładowania akumulatorów, magazynów wyposażonych w wózki widłowe oraz akumulatorowni przemysłowych.

W zależności od charakteru obiektu oraz wymagań inwestora system może obejmować wszystkie elementy instalacji – od okapów odciągowych aż po wentylatory i sieć kanałów wentylacyjnych.

Okapy odciągowe

Mastervent oferuje okapy przemysłowe przeznaczone do skutecznego przechwytywania wodoru bezpośrednio nad stanowiskami ładowania akumulatorów.

Ich odpowiednio dobrane wymiary pozwalają na skuteczne przechwytywanie unoszącego się gazu przy zachowaniu wygodnego dostępu do baterii.

VENT CLIP PTFE EX

Wysokiej jakości wąż do substancji chemicznych wykonany z elektrycznie przewodzącej tkaniny laminowanej obustronnie PTFE, przeznaczony do wentylacji powietrza w strefach zagrożonych wybuchem.

Wentylatory ATEX

Do instalacji odciągu wodoru stosowane są wentylatory promieniowe zapewniające odpowiednią wydajność oraz spręż niezbędny do pokonania oporów przepływu w kanałach wentylacyjnych.

W przypadku stref zagrożonych wybuchem dostępne są również wentylatory przemysłowe w wykonaniu ATEX, spełniające wymagania obowiązujących przepisów.

Projektowanie i Wykonawstwo

MASTERVENT świadczy usługi na terenie całego kraju, realizując dostawę, a także montaż systemów wentylacyjnych w obiektach przemysłowych. Firma oferuje wsparcie od etapu obliczeń wydajności strumienia powietrza i doradztwa technicznego, po dostarczenie kompletnej infrastruktury (w tym tłumików hałasu i układów automatyki).

Podsumowanie

Odciąg wodoru znad stacji ładowania akumulatorów stanowi jeden z najważniejszych elementów systemu bezpieczeństwa w akumulatorowniach oraz magazynach wyposażonych w baterie trakcyjne. Prawidłowo zaprojektowana wentylacja ogranicza ryzyko powstania atmosfery wybuchowej, poprawia bezpieczeństwo pracowników oraz zapewnia zgodność instalacji z obowiązującymi wymaganiami technicznymi.

Projektowanie instalacji powinno obejmować obliczenie wymaganej wydajności wentylacji, właściwy dobór okapów, kanałów i wentylatorów, zapewnienie nawiewu kompensacyjnego oraz w razie potrzeby, zastosowanie urządzeń w wykonaniu ATEX. Kompleksowe podejście do projektowania pozwala stworzyć niezawodny i bezpieczny system odciągu wodoru dostosowany do specyfiki każdego stanowiska ładowania akumulatorów.