Naukowcy z amerykańskiego Penn State zbudowali wirtualne kopalnie, by sprawdzić, jak pożar akumulatora litowo-jonowego rozwija się pod ziemią. Wyniki pokazują, że mocniejszy przepływ powietrza pomaga ograniczyć skutki, ale tylko do pewnego momentu. Badanie może posłużyć do budowy automatycznych systemów reagowania w kopalniach, które przechodzą na maszyny z napędem bateryjnym.
Dlaczego baterie w kopalniach budzą obawy
Górnictwo coraz chętniej sięga po pojazdy elektryczne. Według badaczy przewożą one znacznie więcej urobku niż maszyny spalinowe, a przy tym wytwarzają mniej ciepła, hałasu i spalin z cząstkami stałymi. Mniejsze zapotrzebowanie na wentylację obniża też koszty pracy kopalni.
Ogniwa litowo-jonowe mają jednak wadę: dużą gęstość energii. Mogą się przegrzać, a w skrajnym przypadku zapalić i wydzielać toksyczne gazy. Groźne jest zwłaszcza zjawisko ucieczki termicznej, czyli samonapędzającej się reakcji łańcuchowej. Rozpoczyna ją przekroczenie krytycznej temperatury wewnątrz baterii. Reakcja jednocześnie wytwarza ogień i tlen, który ten ogień podsyca. Ogniwa są upakowane ciasno, więc awaria jednego łatwo przenosi się na kolejne.
Do ucieczki termicznej może prowadzić uderzenie w baterię, wysoka temperatura otoczenia, wielokrotne przeładowanie albo zwykła wada fabryczna. W wyrobiskach z ograniczonym przepływem powietrza ciepło i dymy są jeszcze groźniejsze. Jak mówi główna autorka badania, doktorantka Khadija Omar Said: „Gdy ucieczka termiczna się zacznie, nie da się jej zatrzymać – można tylko próbować ograniczać skutki”.
Wirtualna kopalnia zamiast prawdziwego ognia
Zespół połączył trzy podejścia modelowe. Za pomocą numerycznej mechaniki płynów (CFD) i narzędzia Fire Dynamics Simulator odtworzył podziemną kopalnię w układzie komorowo-filarowym. To jeden z najpopularniejszych typów kopalń: złoże wybiera się w siatce komór, a pozostawione filary z surowca podpierają skały nad głową. W takim wirtualnym wyrobisku zasymulowano ucieczkę termiczną i zapisano, jak w kilku punktach pomiarowych zmieniają się temperatura, ilość dymu i stężenie tlenku węgla.
Symulacje pozwoliły testować różne ustawienia wentylacji, na przykład prędkość wentylatorów, bez ryzyka dla ludzi. Okazało się, że niewielka zmiana może obniżyć stężenia niebezpiecznych gazów, ale może też stworzyć „kieszenie” zanieczyszczonego powietrza dalej w wyrobisku.
Symulacje CFD są jednak zbyt wymagające obliczeniowo, by działały na bieżąco. Dlatego badacze nauczyli trzy modele głębokiego uczenia, które odtwarzają wyniki symulacji i liczą znacznie szybciej. Modele sprawdzano na danych, których nie widziały podczas uczenia. Każdy z nich lepiej radził sobie w innych warunkach, zależnie od sposobu zmiany przepływu powietrza i miejsca w wyrobisku.
Więcej powietrza nie zawsze znaczy lepiej
Zwiększenie przepływu powietrza usuwało ciepło oraz rozcieńczało dym i trujące gazy. Poprawiało to warunki na tyle, że górnicy mogli bezpiecznie się wycofać. Przy zbyt silnym nawiewie dodatkowe korzyści były już niewielkie, bo ruch powietrza wywołany przez sam pożar zaczynał konkurować z przepływem wymuszonym wentylacją.
Wyniki posłużyły też do wskazania, gdzie rozmieszczać czujniki i jak odtwarzać brakujące dane. Kolejny krok to algorytmy, które same uruchomią wentylatory lub zraszacze, gdy wykryją oznaki ucieczki termicznej.
Co to oznacza w Polsce
Badanie dotyczy kopalń w USA, ale problem jest szerszy. Polska ma rozwinięte górnictwo podziemne, a układ komorowo-filarowy jest znany m.in. z kopalń rud miedzi. Jeśli w krajowych zakładach pojawi się więcej maszyn z napędem bateryjnym, pytania o wentylację i reakcję na pożar baterii staną się praktyczne. Autorzy nie opisują jednak sytuacji w Polsce ani w UE, więc nie wiadomo, jak ich wnioski przełożyłyby się na tutejsze przepisy i warunki.
Dla zwykłego czytelnika ważny jest jeszcze jeden wniosek. Baterie litowo-jonowe są bezpieczne tylko wtedy, gdy się je właściwie ładuje i chroni przed uszkodzeniami. Ta zasada obowiązuje zarówno w kopalni, jak i w domu czy garażu.
Źródło: Tech Xplore – „Virtual modeling reveals safety measures for battery-powered mining systems”