Pożary akumulatorów w zużytym sprzęcie elektronicznym - przyczyny i zapobieganie

Ponieważ do tego typu incydentów dochodzi coraz częściej, zdecydowano się zbadać skalę tego problemu i opracować wytyczne odnośnie tego, jak takim pożarom zapobiegać. W tym celu w 2019 roku przeprowadzono ankietę wśród ponad 100 firm z Unii Europejskiej zaangażowanych w łańcuch gospodarki odpadami w zakresie zbiórki, transportu, sortowania i recyklingu zużytego sprzętu elektronicznego i baterii. Jej wyniki oraz wnioski z nich płynące zebrano w raportach Characterisation of fires caused by batteries in WEEE i Recommendations for tackling fires caused by lithium batteries in WEEE, które udostępniono bezpłatnie na stronie internetowej pod adresem https://weee-forum.org/publications-papers/. W artykule przedstawiamy ich przegląd.

Kiedy najczęściej wybuchał pożar odpadów akumulatorowych?

76% respondentów stwierdziło, że częstość tego typu incydentów w ich obiektach wzrosła w ciągu ostatnich dwóch lat. W 2018 średnio miało tam miejsce 5-6 intensywnych zapłonów i wybuchów. 65% ankietowanych wskazało, że nie znajduje związku pomiędzy porą roku a liczbą pożarów, natomiast około 20% wskazało lato jako sezon, w którym wybuchały częściej.

W przypadku większości pożarów najczęściej wymienianymi przez pytanych etapami procesu, na których do takich zdarzeń dochodziło, była obróbka wstępna (39%), transport (30%) oraz obróbka mechaniczna i rozdrabnianie (21%). Najbardziej zagrożone zadania podczas tej pierwszej to odbiór odpadków, ich transport do miejsca składowania, potem ich rozładowanie i magazynowanie, następnie ręczny i mechaniczny demontaż, czyszczenie, sortowanie albo mieszanie lub grupowanie, w zależności od typu odpadów.

W czasie transportu najczęściej do zapłonu dochodziło przy przewozie z punktu zbiorczego do sortowni, odbiorze śmieci z sortowni, ich rozładunku, magazynowaniu i załadunku pojazdów transportowych. Na etapie mechanicznej obróbki i rozdrabniania pożary wybuchały zazwyczaj w czasie transportu do magazynu, składowania odpadków, przewozu do rozdrabniarki i rozdrabniania (kruszenia, prasowania, cięcia), transportu rozdrobnionych śmieci. Najrzadziej zapłon występował w kontenerach i punktach odbioru odpadków i podczas załadunku ciężarówki w punkcie zbiórki (4%), jak również na składowiskach odpadków już rozdrobnionych (6%).

 

Rys. 1. Procent produktów na rynku ze zintegrowanym (niewymiennym przez użytkownika akumulatorem) w podziale na kategorie.
Źródło: digitaleurope.org

Skutki i przyczyny pożarów baterii i akumulatorów

Ankietowanych zapytano również o dotkliwość pożarów, które wybuchły w ich obiektach w 2018. Zdecydowanie najczęściej w wyniku zapłonu uszkodzony bywał zużyty sprzęt elektroniczny, który był jego źródłem (50%). 37% respondentów przyznało, że na skutek takiego zdarzenia zniszczony został budynek. Podobnie często (34%) ogień uszkodził nawierzchnię terenu, sprzęt i spowodował konieczność przeprowadzenia ewakuacji. 24% ankietowanych przyznało, że pożar zniszczył linię produkcyjną, a 21% pytanych odnotowało rozprzestrzenienie się ognia na odpady otaczające źródło zapłonu.

Zdecydowanie rzadziej uszkodzeniu uległy samochody transportowe i na szczęście tylko w 5% obiektów pożar skutkował urazem personelu. Jeśli z kolei chodzi o czas trwania większości pożarów, 68% respondentów przyznało, że zazwyczaj trwały one krócej niż godzinę i przeważnie miały postać iskier, dymu i powolnego spalania, które można było ugasić środkami zakładowymi. Jeżeli już jednak doszło do poważniejszego incydentu, przeważnie (69%) ogień wygasał w czasie krótszym niż 6 godzin, po interwencji straży pożarnej (73%), wpływając na normalną pracę zakładu przez od 1 do najwyżej 5 dni.

W ankiecie zapytano także o przyczynę zapłonów. W większości przypadków (65%) za taką uznano uszkodzone akumulatory, a w 20% były to akumulatory nieuszkodzone. Udział innych źródeł (resztki paliwa, kondensatory, tarcie) był zdaniem respondentów marginalny. Dalej wyjaśniamy, dlaczego to akumulatory stanowią największe zagrożenie i przedstawiamy mechanizmy, które powodują ich zapłon.

Przyczyny zapłonu ogniw akumulatorowych

Akumulatory litowe, obecnie najpopularniejsze, powinny charakteryzować się jak największą pojemnością przy jak najmniejszej wadze. W tym celu ich elementy są projektowane tak, by były jak najlżejsze, co uzyskuje się, stosując cienkie przegrody pomiędzy ogniwami i cienką powłokę zewnętrzną. Ma to swoje konsekwencje w kontekście podatności akumulatorów na zapłon i wybuch.

Generalnie można wymienić ich dwie główne przyczyny: zwarcia, które mogą być nieszkodliwe, lecz częściej inicjują zdarzenie termiczne (iskry, ogień, wybuch), którego charakter oraz rozmiar zależą w dużej mierze od poziomu naładowania baterii, i nagrzanie akumulatora do temperatury powyżej tej granicznej, przy której zachodzą w nim reakcje prowadzące do zapłonu i wybuchu. Jeżeli chodzi o te pierwsze, to zwarcie może mieć przyczynę wewnętrzną albo zewnętrzną, ale zasadniczo dochodzi do niego na skutek połączenia biegunów akumulatora, które normalnie są rozdzielone - zewrzeć je może na przykład inny akumulator z powłoką metalową albo odpady, które mają z nimi styczność. Ponadto narażenie na ekstremalne temperatury - typowo powyżej +60°C i poniżej -20°C, również może spowodować zwarcie. Do zwarcia może też dochodzić w związku ze starzeniem się akumulatora, jeżeli towarzyszy temu formowanie się dendrytów, tj. wzrost wypustek z przewodzących kryształów wewnątrz obudowy, na przykład z separatora.

Warto w tym miejscu dodać, że uszkodzenie akumulatora może być spowodowane błędami projektowymi i na etapie montażu, nieprawidłową eksploatacją jego, jak i samego sprzętu, którego jest częścią, nieprawidłowym obchodzeniem się z nim na etapie transportu, składowania, demontażu.

Mechanizm zapłonu akumulatora

Gdy z jakiegoś powodu dojdzie do uszkodzenia akumulatora, jego temperatura rośnie. Gdy temperatura ogniwa wzrasta do około 80°C, powłoka ochronna anody ulega uszkodzeniu. W temperaturze około 100-120°C w elektrolicie zaczynają zachodzić reakcje chemiczne, którym towarzyszy emisja ciepła i dodatkowo gazów, takich jak tlenek węgla, metan, etan, etylen i wodór. Kiedy temperatura wzrasta do 130°C, separator, który oddziela anodę od katody, ulega stopieniu, przez co dochodzi do zetknięcia się tych elektrod, co powoduje zwarcie i dalszy wzrost temperatury. Kiedy mieści się ona już w przedziale 130-150°C, zachodzące reakcje niszczą katodę. Rozkład materiału katody także jest reakcją silnie egzotermiczną, a dodatkowo uwalniany jest tlen. Przy temperaturze 150-180°C, o ile ciepło nie będzie rozpraszane, zachodzące procesy mają już charakter samopodtrzymujących się. Jeżeli ciśnienie gazów w obudowie w dalszym ciągu będzie rosło, może ona ulec rozerwaniu. W przypadku pojawienia się źródła zapłonu może dojść do zapalenia elektrolitu i gazów, skutkującego pożarem i potencjalnie wybuchem.

Wartości progowe temperatur, przy których zachodzą kolejne etapy opisywanego procesu, w zależności od składu chemicznego ogniw oraz poziomu ich naładowania, mogą się różnić. Generalnie jednak im wyższe napięcie i bardziej naładowany akumulator, tym są mniejsze. Dodatkowo na temperaturę aktywacji oraz szybkość postępu reakcji ma wpływ historia obciążenia ogniw.

Iskry, dymy, spalanie

Nie zawsze problem termiczny, którego źródłem jest akumulator, ma tak spektakularny przebieg jak gwałtowny zapłon czy wybuch. Może to być iskrzenie, dymienie i powolne spalanie. Jeżeli chodzi o te pierwsze, to liczne powstają, gdy palne ciała stałe i krople cieczy są wyrzucane z akumulatorów z dużą prędkością na przykład wówczas, gdy akumulatory są mechanicznie kruszone. W przypadku powolnego spalania natomiast należy rozróżnić dwie sytuacje. W pierwszej, gdy zachodzi powolne spalanie bez płomienia, pożar nie wybuchnie. W przypadku, gdy z kolei płomień się pojawi, przeważnie musi minąć kilka minut, nim się rozprzestrzeni w otoczeniu źródła zapłonu. O tym, jak szybko do tego dochodzi, decyduje specyfika materiałów w sąsiedztwie - przeważnie jednak temperatura palącego się akumulatora znacznie przekracza na przykład temperaturę zapłonu większości tworzyw sztucznych. Trzeba też pamiętać, że w odpadach mieszanych zwykle znajdują się inne łatwopalne materiały i zanieczyszczenia, jak kurz, tekstylia, papier, które pożar będą podsycać.

Jak zapobiec pożarom akumulatorów?

Aby zmniejszyć ryzyko pożarów, w zakładach recyklingu zużytego sprzętu elektronicznego, których powodami są akumulatory, uszkodzone lub nie, trzeba przestrzegać dobrych praktyk na wszystkich etapach od ich projektu przez eksploatację i utylizację.

Jedno z zaleceń dotyczy znakowania akumulatorów oraz sprzętu elektronicznego, którego są częścią. O ile na etapie eksploatacji użytkownik ma dostęp do odpowiednich instrukcji, gdy takiego sprzętu się pozbywa, jak i potem, w zakładzie recyklingu identyfikacja urządzeń, które są wyposażone w akumulator, może być trudna. To z kolei uniemożliwia ich odseparowanie, przekierowanie do właściwego strumienia odpadów, ostrzeżenie personelu o konieczności przestrzegania zasad bezpiecznego obchodzenia się z nimi. Dlatego rozważa się zestandaryzowanie znakowania sprzętu elektronicznego zawierającego akumulatory w zakresie tego, czy akumulator jest z urządzeniem zintegrowany, czy jest z niego usuwalny, informowania o potencjalnym zagrożeniu na etapie recyklingu w związku z obecnością akumulatora, podawania danych o typie takiego źródła energii, jego składzie chemicznym, budowie, specyfikacji spoiwa, które zostało użyte do zamocowania akumulatora (rozpuszczalne czy nie), narzędziach, które są wymagane do jego usunięcia. Standaryzacja w tym zakresie, chociaż bezsprzecznie skuteczna w zapobieganiu zapłonom akumulatorów, z pewnością będzie jednak trudna do wdrożenia.

Przegląd rekomendacji projektowych dla urządzeń akumulatorowych

Jeżeli z kolei chodzi o projekt urządzenia zasilanego z akumulatora, to jego konstrukcja powinna pozwalać na łatwe wyjmowanie tego źródła zasilania po zakończeniu eksploatacji danego sprzętu albo w razie jego naprawy. W tym celu należy uwzględnić następujące zalecenia: akumulator musi być usuwalny ręcznie lub za pomocą powszechnie dostępnych narzędzi i najlepiej, by jego wyjęcie nie wymagało specjalistycznego szkolenia personelu. Warto też rozważyć zastąpienie wbudowanych akumulatorów wymiennymi i należy unikać stosowania kleju do mocowania tego źródła energii w urządzeniu, a jeśli jest to już bezwzględnie konieczne, lepiej stosować te rozpuszczalne. Poza tym akumulator powinien być łatwo dostępny, by umożliwić łatwy i szybki demontaż, dlatego komponenty w jego otoczeniu powinny być usuwalne i zamocowane przy użyciu minimalnej liczby śrub, łatwo dostępnych i dobrze widocznych. Ponadto należy specjalnie oznakować te urządzenia, które zawierają zarówno akumulatory usuwalne, jak i zintegrowane, by uniknąć sytuacji, w których po wyjęciu tych pierwszych w zakładzie recyklingu dany sprzęt zostanie przekazany na stanowisko mechanicznego rozdrabniania, wciąż wyposażony w akumulator.

Wśród rekomendacji dla projektantów akumulatorów najważniejsze to: stosowanie niepalnych, stałych elektrolitów, stabilniejszych termicznie materiałów elektrolitu i/albo katody, dodawanie środków zmniejszających palność do elektrolitu lub separatora, stosowanie grubszych obudów, o wyższych temperaturach topnienia, wyposażanie akumulatora w odpowietrzniki i termiczne bezpieczniki.

Wytyczne dla przedsiębiorstw utylizacji odpadów elektronicznych

Firmom zajmującym się recyklingiem zużytego sprzętu elektronicznego zaleca się z kolei, by przede wszystkim przeszkoliły pracowników, którzy będą pracować na stanowiskach sortowania, oczyszczania, demontażu i mechanicznej obróbki urządzeń, z których być może nie usunięto akumulatorów. Powinni być oni regularnie edukowani w zakresie: identyfikacji urządzeń zawierających akumulatory, sposobów bezpiecznego obchodzenia się z nimi, jak i ich magazynowania, technik detekcji i zapobiegania pożarom oraz procedur bezpieczeństwa w razie, gdy już do niego dojdzie. Stanowiska, na których najczęściej dochodzi do zapłonu akumulatorów, powinny być oprócz tego wyposażone w odpowiednie zabezpieczenia i systemy detekcji ognia, jak również obowiązywać tam powinny zalecenia w zakresie bezpiecznego postępowania.

Przykładowo, na stanowisku rozładunku odpadków powinno się unikać potencjalnie niebezpiecznej czynności, jaką może być wysypywanie zużytego sprzętu elektronicznego w przypadku, gdy jest wciąż wyposażony w akumulatory, ponieważ jego uderzenie o podłoże spowodować może nagły zapłon i iskrzenie. Dlatego powinno się na tym etapie stosować wszelkie dostępne rozwiązania, które są w stanie gwałtowność tego upadku złagodzić. Powinno się również korzystać z urządzeń z wysięgnikiem, które pozwolą szybko wyjąć ze stosu śmieci płonące urządzenia, jeżeli już do jego zapłonu doszło i został on w porę zauważony.

Pracownicy, których zadaniem jest usuwanie akumulatorów, które zostaną ujawnione, powinni być wyposażeni w odzież i akcesoria chroniące twarz i ręce oraz specjalne narzędzia umożliwiające bezpieczne wyjmowanie tego źródła energii. Ponadto w czasie, gdy tego dokonują, trzeba się zastosować do specjalnych procedur, które m.in. obejmują zablokowanie wszelkich pochylni i przenośników, z kolei w razie rozpoznania uszkodzonego akumulatora pracownik powinien go odpowiednio zabezpieczyć, na przykład oklejając jego zaciski, a następnie umieścić go w specjalnym pojemniku przystosowanym do bezpiecznego przechowywania, zasypując go przykładowo piaskiem.

Monika Jaworowska