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Les batteries lithium-ion comme les batteries au plomb sont aujourd’hui présentes partout où il faut assurer une alimentation de secours ou stocker de l’énergie – dans les datacenters, les locaux UPS, les systèmes de stockage d’énergie par batteries (BESS) ainsi que sur les stations de recharge rapide. Mais avec leur généralisation, un risque augmente également, auquel les détecteurs incendie classiques ne suffisent pas : la fuite d’hydrogène et d’autres gaz lors de la charge ou en cas de défaillance d’une cellule. Cet article explique pourquoi ces dégagements gazeux se produisent, pourquoi la détection incendie standard réagit trop tard et comment le détecteur de gaz émis Evikon E2673 résout ce problème.
Auteur : Bc. Jaromír Bittner – Spécialiste de la gamme Evikon
La formation d’hydrogène repose sur deux mécanismes principaux – et il faut garder les deux à l’esprit lors de la conception de la sécurité d’un local batteries :
Batteries au plomb (lead-acid, AGM, gel, VRLA). Pendant la charge, l’électrolyse décompose l’eau de l’électrolyte en hydrogène et oxygène. Avec les éléments ouverts (flooded), les dégagements sont tout à fait normaux ; avec les batteries VRLA, ils n’apparaissent qu’en cas de surcharge ou de défaillance de la soupape. L’hydrogène s’accumule sous le plafond (il est 14× plus léger que l’air) et, si le local n’est pas suffisamment ventilé, sa concentration autour de la batterie peut augmenter rapidement.
Batteries lithium-ion. L’hydrogène n’est pas un produit de la charge normale – il apparaît uniquement dans le cadre de ce qu’on appelle le off-gassing, c’est-à-dire le dégagement de gaz par une cellule en cas de surchauffe ou de dégradation. En plus de l’hydrogène, des vapeurs d’électrolyte sont également libérées (composés organiques volatils, typiquement carbonate de diéthyle DEC et carbonate de diméthyle DMC, éventuellement DEMC), ainsi que du monoxyde de carbone et d’autres produits de décomposition. L’off-gassing est la première manifestation physiquement mesurable de ce qu’on appelle l’emballement thermique (thermal runaway) – une réaction auto-accélérée dans laquelle l’augmentation de la température de la cellule déclenche d’autres phénomènes exothermiques à l’intérieur de celle-ci, lesquels augmentent encore la température et peuvent finalement conduire à une inflammation ou à une explosion.
Le point commun entre ces deux cas est un fait essentiel : l’hydrogène est incolore, inodore et hautement inflammable. Sa limite inférieure d’explosivité (LIE, LEL) est d’environ 4 % vol. dans l’air – il en faut donc peu pour qu’un local devienne une atmosphère explosive.
Une centrale incendie standard s’appuie sur trois types de détecteurs – fumée, température et flamme. Dans le cas d’une défaillance de batterie, les trois présentent un problème majeur de timing :
Il n’y a pratiquement pas de fumée pendant la phase d’off-gassing. Le dégagement de gaz se produit avant la combustion. À ce stade, il peut n’y avoir ni fumée visible ni flamme dans le local, et la température ambiante n’augmente que très peu. Le détecteur de fumée reste donc silencieux, alors même qu’une réaction est déjà en cours à l’intérieur de la cellule et qu’il serait encore possible de l’arrêter.
La température augmente à l’intérieur de la cellule, pas dans le local. Avant que le gradient thermique ne se transmette à l’air ambiant, où un détecteur thermique pourrait réagir, plusieurs cellules voisines sont généralement déjà en emballement thermique. Entre-temps, la réaction continue de se propager dans le module.
Le détecteur de flamme ne réagit qu’après l’inflammation. À ce moment-là, il ne s’agit plus de prévention, mais de limitation des dommages.
La seule méthode permettant de détecter une défaillance avant l’apparition d’un feu ouvert est la détection de gaz – en particulier de l’hydrogène et des vapeurs d’électrolyte (COV). C’est pourquoi, pour les systèmes de stockage par batteries et les locaux UPS, il est recommandé de compléter le SSI classique par une détection gaz raccordée à la centrale incendie ou à la supervision SCADA.
S’il ne s’agissait que de batteries au plomb, un détecteur d’hydrogène seul suffirait. Mais avec les cellules lithium-ion, la situation est plus complexe. Une dégradation lente de la cellule peut d’abord se manifester par une fuite de vapeurs d’électrolyte (COV), sans qu’une grande quantité d’hydrogène soit immédiatement libérée. À l’inverse, les défaillances rapides commencent souvent par une augmentation de l’hydrogène. Si vous surveillez simultanément ces deux groupes de gaz, vous augmentez la probabilité de détecter la défaillance à son stade le plus précoce – quelle que soit la voie par laquelle elle débute. C’est précisément là toute la force d’un détecteur combiné.
Dans un local batteries, on surveille généralement aussi la température et l’humidité relative. La plage recommandée pour les datacenters et les locaux UPS se situe généralement entre 40–60 % HR et 21–25 °C. Une humidité élevée favorise la corrosion des contacts, une humidité faible les décharges électrostatiques, et une température élevée réduit la durée de vie des cellules tout en augmentant le risque d’emballement thermique.
Le fabricant estonien Evikon MCI a conçu le détecteur E2673 précisément pour ce type d’application. Dans un seul boîtier pour rail DIN, il combine quatre fonctions :
Il couvre ainsi tous les paramètres environnementaux clés d’un local batteries avec un seul appareil et vous évite l’installation de deux à trois capteurs séparés.
Pour l’hydrogène, le détecteur utilise le principe de la conductivité thermique. Le capteur mesure l’influence du gaz mesuré sur la conductivité thermique de l’échantillon par rapport à un environnement de référence. L’hydrogène possède une conductivité thermique environ 7× supérieure à celle de l’air, ce qui permet une détection fiable par cette méthode. Contrairement aux cellules électrochimiques, le capteur n’est en outre pas sujet à l’empoisonnement. La plage de mesure est de 0–100 % LEL H₂ avec une résolution de 0,02 % LEL ; le seuil d’alarme est réglable par l’utilisateur dans la plage 10–40 % LEL – donc bien avant d’atteindre la limite inférieure d’explosivité.
Pour les composés organiques volatils, l’appareil est équipé d’un capteur MOS (metal-oxide semiconductor) avec un indice de 0 à 500. Il réagit aux vapeurs d’électrolyte DEC, DMC et à d’autres composés organiques libérés lors de la dégradation des cellules Li-ion. L’échantillonnage est diffusif – les gaz atteignent les capteurs par circulation naturelle de l’air à travers le boîtier de l’appareil ; aucune pompe ni ligne d’échantillonnage n’est nécessaire. Le temps de chauffe après démarrage est inférieur à 1 minute, et le temps de réponse inférieur à 20 secondes.
Les capteurs ont une durée de vie estimée à environ 15 ans, ce qui est proche ou supérieur à la durée de vie des systèmes de stockage lithium-ion eux-mêmes. Le détecteur est conçu sans nécessité d’étalonnage périodique sur site – ce qui élimine le problème typique des détecteurs d’hydrogène qui perdent en précision après quelques années et qu’il est difficile de maintenir tous étalonnés dans les grandes installations. L’état du détecteur peut être surveillé par autodiagnostic au démarrage comme en fonctionnement.
L’E2673 offre deux possibilités de raccordement à un système supérieur :
L’état du détecteur est indiqué directement sur l’appareil par trois LED : verte (alimentation), jaune (défaut), rouge (alarme).
Paramètres techniques en bref :
L’E2673 convient partout où des gaz peuvent s’échapper de batteries lithium-ion ou là où des batteries au plomb sont chargées à plus grande échelle :
Le boîtier compact permet un montage directement dans une baie batteries ou dans une armoire électrique à côté d’autres composants sur rail DIN. Pour une utilisation dans des zones présentant un risque d’atmosphère explosive, le détecteur est certifié pour la Zone ATEX 2 conformément aux directives 2014/30/EU et 2014/34/EU.
Lors de la conception d’une détection gaz dans un local batteries, il est utile de respecter quelques règles :
Placez le détecteur près du plafond. L’hydrogène monte et s’accumule au point le plus haut du local. Un détecteur installé au niveau de la baie détectera la fuite plus rapidement qu’un capteur placé à 1,5 m au-dessus du sol.
Pensez à la ventilation. La détection seule n’éteindra pas un incendie. L’alarme doit déclencher l’extraction d’air du local – idéalement en deux niveaux : au premier seuil, la ventilation démarre ; au second, la charge est coupée et une signalisation sonore et visuelle est activée.
Raccordez le détecteur au SSI. Connectez la sortie relais du détecteur à une entrée de la centrale incendie afin que l’alarme déclenche les protocoles standard du SSI. Le Modbus sert ensuite à la visualisation et à l’analyse des tendances dans la GTC/BMS.
N’oubliez pas le zonage. Pour les grands conteneurs BESS ou plusieurs baies dans un même local, prévoyez plusieurs détecteurs répartis de manière à couvrir toutes les zones à risque.
Dans les systèmes de batteries modernes, la détection de gaz joue le même rôle que le détecteur de fumée dans une protection incendie classique – c’est la première ligne de défense. La différence, c’est que pour les stockages lithium-ion, c’est souvent la seule possibilité de détecter une défaillance avant qu’elle ne passe à une phase irréversible. Le détecteur Evikon E2673 réunit dans un seul appareil compact tout ce dont un local batteries ou un local UPS a besoin – détection de l’hydrogène, des vapeurs d’électrolyte, de l’humidité et de la température – et, grâce à sa durée de vie de 15 ans sans étalonnage sur site, il maintient les coûts d’exploitation à un niveau bas pendant toute la durée de vie du stockage.
Si vous installez le détecteur uniquement dans des locaux équipés de batteries au plomb (secours télécoms, locaux UPS classiques avec technologie plus ancienne), la seule détection de l’hydrogène suffit généralement – l’hydrogène y est le principal gaz à risque. Avec les batteries lithium-ion, en revanche, ce sont souvent les vapeurs d’électrolyte qui apparaissent en premier, et non l’hydrogène. Pour les stockages Li-ion, les datacenters avec UPS modernes et les BESS, nous recommandons donc une détection combinée H₂ + COV, que l’E2673 assure dans un seul appareil.
Les normes de sécurité recommandent une alarme dans la plage de 10–25 % LEL, soit environ 0,4–1 % vol. de H₂ dans l’air. Le premier niveau (préalarme) est généralement réglé à 10 % LEL pour déclencher la ventilation, le second niveau (alarme principale) à 20–25 % LEL pour couper la source et déclencher l’alarme incendie. L’E2673 permet de régler le seuil dans la plage 10–40 % LEL selon les exigences du projet.
Oui, l’E2673 est certifié ATEX pour la Zone 2 selon EN 60079-0, EN 60079-7 et EN 60079-29-0/-3. Le détecteur ne peut pas être utilisé en Zone 1 ou Zone 0 – dans ce cas, il faut recourir à un autre appareil en version Ex « d » ou « ia ».
Pas sur site. Le détecteur est conçu pour un fonctionnement sans maintenance pendant toute la durée de vie des capteurs (~15 ans). La stabilité à long terme est de < 3 % LEL H₂ sur 5 ans. C’est une grande différence par rapport aux capteurs électrochimiques, qui doivent être étalonnés chaque année ou remplacés après 2 à 3 ans de fonctionnement.
Le boîtier 94 × 56 × 32 mm se clipse standard sur un rail DIN, ou peut être fixé au mur à l’aide d’un support (fourni dans l’emballage). La détection se fait par diffusion, il n’est donc pas nécessaire d’installer un tube d’échantillonnage ni de prévoir l’emplacement d’une pompe. Pour une efficacité maximale, placez le détecteur aussi près que possible du plafond du local, là où l’hydrogène s’accumule.
En plus de deux relais d’alarme, l’E2673 dispose également d’un relais de défaut séparé. Si le détecteur identifie sa propre anomalie (par ex. défaillance du capteur, alimentation hors plage), il active la LED jaune et commute le relais de défaut en logique NC – l’exploitant sait ainsi que la détection n’est pas opérationnelle et peut intervenir. L’état peut également être surveillé via Modbus RTU.
Oui, via deux relais d’alarme SPST (NC, 300 mA / 30 VDC). Il s’agit d’un contact sec standard, accepté en pratique par presque toutes les centrales SSI sur une entrée dédiée à la détection gaz.
L’off-gassing est le dégagement de gaz par la cellule lui-même – la première manifestation physiquement mesurable du problème. Le thermal runaway est la réaction auto-accélérée qui suit, au cours de laquelle la cellule dépasse irréversiblement sa température critique et peut s’enflammer. L’objectif de la détection gaz est de détecter l’off-gassing avant que la réaction ne passe au stade du thermal runaway – dans cette fenêtre, vous avez encore une chance d’arrêter la défaillance par ventilation, coupure et isolement du module concerné.
Bola.cz
