Primeiro, é preciso entender com precisão o que significa ‘decisivo’

Na detecção de incêndios em baterias, o dióxido de carbono (CO₂) é um sinal muito importante. Isso, porém, não significa que observar apenas o CO₂ impeça que todas as falhas passem despercebidas. Neste artigo, a expressão “decisivo” significa que o CO₂ é um indício forte de que a decomposição do eletrólito e reações secundárias dentro da célula começaram antes de a fuga térmica se manifestar como chama desenvolvida. Em condições reais, a magnitude do sinal e o tempo até sua chegada variam conforme a química do cátodo, o formato da célula, o estado de carga (SOC), o envelhecimento, o modo de indução da falha, o volume do invólucro, a taxa de ventilação e a posição do sensor. Há também CO₂ de fundo produzido por pessoas e equipamentos de combustão. Por isso, um bom sistema não conclui que há incêndio pela concentração absoluta de CO₂, mas interpreta a elevação em relação à linha de base e sua taxa de subida junto com informações de outros sensores.

Essa distinção é importante na prática. Detectores de fumaça dependem de que partículas de combustão cheguem até eles, e sensores de temperatura superficial podem perceber tardiamente uma reação que começou dentro da célula. Já o gás pode ser liberado quando o respiro da célula se abre, antes de haver chama visível. A detecção de CO₂ é uma camada que captura essa curta janela antecipada e ganha tempo para iniciar respostas como interromper o carregamento, isolar, controlar a ventilação e verificar o local. Contudo, em um curto-circuito interno sem abertura do respiro ou em uma configuração em que o gás não chega ao sensor, o sensor de CO₂ também pode permanecer silencioso.

O que ocorre dentro da bateria antes da fuga térmica

Uma célula de íon-lítio é composta por cátodo, ânodo, separador, eletrólito e invólucro vedado. Quando a temperatura interna aumenta devido a sobrecarga, aquecimento externo, curto-circuito interno, impacto ou defeito de fabricação, camadas protetoras e o eletrólito se decompõem, e diversas reações exotérmicas ocorrem em sequência. Nesse processo, formam-se CO₂, monóxido de carbono (CO), hidrogênio (H₂), metano (CH₄), hidrocarbonetos como etileno e compostos orgânicos voláteis (VOC). Se a pressão interna ultrapassar o limite de projeto, o respiro de segurança se abre e uma mistura de gases e vapores é expelida para fora. Mesmo sem fonte de ignição, o acúmulo de componentes inflamáveis em espaço confinado pode criar risco de ignição tardia e deflagração.

Em ensaios da Administração Federal de Aviação dos Estados Unidos (FAA) com células de óxido de lítio-cobalto em vários SOC e taxas de aquecimento, os principais componentes do gás de ventilação coletado incluíram CO₂, H₂ e CO. Tanto nas células em bolsa quanto nas cilíndricas ensaiadas, o volume total de gás de ventilação e a energia de combustão aumentaram à medida que o SOC aumentou. No entanto, também se observou a tendência de a proporção de CO₂ no gás diminuir e a de CO aumentar com a elevação do SOC. A lição importante é que “há mais CO₂” e “o risco é maior” não são sempre afirmações equivalentes. O CO₂ é útil como marcador de reação anômala, mas os riscos de inflamabilidade, toxicidade e explosão exigem considerar também H₂, CO, hidrocarbonetos e a concentração de oxigênio.

Três razões pelas quais o CO₂ favorece a detecção precoce

Primeiro, o CO₂ é observado repetidamente quando diversos tipos de células de íon-lítio sofrem abuso térmico ou elétrico. Nos ensaios da FAA, o CO₂ representou uma fração relevante do gás de ventilação das células testadas, e estudos experimentais que compararam células NCM e LFP também avaliaram a liberação de gases que incluem CO₂ como indicador de risco de fuga térmica. Isso indica que o CO₂ não é um subproduto fortuito restrito a um único modelo de um fabricante, mas está ligado às reações de decomposição do eletrólito e da interface do eletrodo. Não significa, porém, que todas as químicas e todos os modos de falha apresentem a mesma curva de concentração.

Segundo, o CO₂ pode ser medido com seletividade relativa pelo método de infravermelho não dispersivo (NDIR). A molécula de CO₂ absorve radiação infravermelha em torno de 4.26 micrômetros. Um sensor NDIR mede quanto da radiação infravermelha emitida por uma fonte diminuiu, depois de atravessar a célula de gás, em um comprimento de onda específico. Como usa o comprimento de onda-alvo em vez de depender apenas de consumíveis reativos, como sensores eletroquímicos, pode ser projetado para monitoramento de longo prazo. Ainda assim, poeira, condensação, contaminação da janela óptica, mudanças de temperatura e pressão e deriva de longo prazo continuam exigindo calibração e manutenção.

Terceiro, o CO₂ pode capturar o venting antes de fumaça ou chama visível. Em um experimento de sobrecarga de uma célula LFP de 50 Ah, os pesquisadores monitoraram CO₂ e CH₄ por NDIR e, sob condição de respiro fechado, detectaram os gases-alvo cerca de 25 segundos antes de uma queda brusca de tensão e da fuga térmica. Sob condição em que o respiro foi aberto previamente, detectaram o gás cerca de 580 segundos antes de a superfície da bateria alcançar o alarme de temperatura convencional de 60°C. Esses valores são resultados daquela configuração de ensaio, e não tempos garantidos para todo ESS. Ainda assim, ilustram bem por que observar a via do gás junto com a temperatura superficial é valioso.

Por que o CO₂ não pode ser a única resposta

O CO₂ já existe na sala de baterias. O ar externo contém CO₂ aproximadamente na faixa de algumas centenas de ppm, e a concentração pode ser maior em ambientes ocupados por pessoas ou perto de equipamentos de combustão. Apenas o aumento de pessoas entrando e saindo ou uma mudança na operação de climatização pode alterar a leitura do sensor. Aplicar um limiar fixo a um único valor absoluto pode aumentar falsos alarmes ou, inversamente, deixar passar um pequeno sinal da bateria em meio a uma concentração de fundo elevada. Por isso, é melhor construir linhas de base por faixa horária da operação normal e observar ao mesmo tempo a variação de curto prazo e a taxa de elevação. Uma abordagem diferencial que compara valores na tomada de ar externo e próximo ao rack de baterias também ajuda a distinguir mudanças de fundo de emissões locais.

A ventilação altera o sinal de modo significativo. Um fluxo de ar forte dilui o gás, reduz sua concentração no sensor e pode transportá-lo para o lado oposto ao sensor. Em um gabinete fechado, até uma pequena liberação pode se acumular rapidamente; em um espaço aberto amplo, a mesma quantidade liberada se dispersa em baixa concentração. Pode não bastar instalar um único sensor no teto. Embora o CO₂ em si seja mais pesado que o ar, o gás de ventilação da bateria é quente e se mistura a componentes leves como H₂, seguindo inicialmente a flutuabilidade e o fluxo de ar. Portanto, em vez de simplesmente escolher entre o piso e o teto, o projeto deve considerar a direção real do respiro, os dutos do rack, ventiladores de resfriamento, exaustores e zonas de estagnação.

A química e o estado da célula também diferem. NCM, NCA, LCO e LFP não têm as mesmas temperaturas de reação nem a mesma composição de emissão; mesmo dentro de uma química, os resultados variam com SOC, tamanho da célula, estrutura do invólucro e estado de envelhecimento. O relatório da FAA também explica que os resultados da fuga térmica dependem da química, do tamanho, do SOC e do projeto e da configuração do fabricante. Portanto, é perigoso copiar diretamente um limiar em ppm obtido com outro produto. Os valores de alarme do local devem ser validados com dados de ensaio das células, módulos e racks do produto instalado, informações do fabricante e, quando possível, resultados de ensaios escalonados como UL 9540A.

Um alarme mais confiável criado por múltiplos sensores

O objetivo dos múltiplos sensores não é instalar muitos sensores, mas sobrepor a observação de diferentes faixas de falha. O BMS monitora continuamente a tensão das células, a corrente do pack, o SOC, o isolamento e parte das temperaturas. Sensores de temperatura podem observar aquecimento local e anomalias de resfriamento; sensores de fumaça, aerossóis e produtos de combustão; e sensores de pressão, mudanças abruptas em invólucros fechados. CO₂ e VOC deixam vestígios químicos do venting; CO contribui para avaliar oxidação incompleta e risco tóxico; e sensores de H₂ ou de gás inflamável contribuem para avaliar a possibilidade de explosão. Um sensor de oxigênio pode confirmar condições de inertização ou deficiência de oxigênio. Nenhum deles reage primeiro em todas as situações.

Experimentos do Sandia National Laboratories com tecnologias comerciais de diagnóstico ilustram bem esse ponto. Os pesquisadores compararam conjuntamente impedância eletroquímica (EIS), sensores de gás, tensão e temperatura. Em alguns ensaios de superaquecimento, o EIS indicou anomalia primeiro; em ensaios de packs em sobrecarga, testou-se uma intervenção que interrompeu a corrente depois que um sensor combinado de gás detectou o off-gas, impedindo a progressão para fuga térmica. Em contrapartida, em ensaios nos quais a célula não ventilou, os sensores de gás não reagiram. Ou seja, é necessária uma estrutura em que anomalias elétricas sejam complementadas pelas camadas de BMS e impedância, o venting pela camada de gás e o aquecimento e a combustão pelas camadas de temperatura e fumaça.

Os ensaios ESS em escala real do FSRI e da UL também mediram conjuntamente temperatura, pressão, O₂, CO, H₂, HCN, VOC e indicadores de gás inflamável. Os pesquisadores ressaltaram que os bombeiros precisam visualizar precocemente os dados de instrumentação dentro do ESS, especialmente as informações de gás. Também alertaram que medidores portáteis de gás e câmeras termográficas têm limitações e que a própria ventilação pode levar uma mistura inflamável acumulada à faixa de ignição, provocando deflagração ou transição rápida para incêndio. Portanto, em vez de uma automação simples como “se detectar gás, ligue o ventilador no máximo”, é preciso combinar concentração, faixa de inflamabilidade, eliminação de fontes de ignição e procedimentos de emergência específicos da instalação.

Lógica de decisão escalonada para aplicação em campo

Na prática, os alarmes podem ser escalonados em atenção, anomalia e emergência. No primeiro estágio, verifica-se os dados quando o CO₂ sobe uma determinada margem acima da linha de base ou quando sua taxa de elevação é anormal. Em vez de ainda acionar supressão automática ou evacuação total, cruzam-se as informações de sensores adjacentes, eventos do BMS e estado da climatização. No segundo estágio, quando a elevação de CO₂ persiste e um entre VOC, CO e H₂ também sobe, ou quando a acompanha desvio de tensão da célula, aumento de temperatura ou anomalia de isolamento, interrompem-se com segurança carga e descarga e isola-se o rack afetado. No terceiro estágio, se houver mudança brusca de temperatura ou pressão, fumaça, aumento de gás inflamável ou indícios de propagação para vários racks, executam-se a parada de emergência projetada, evacuação, aviso ao corpo de bombeiros e controle de acesso.

Insistir apenas em lógica AND pode fazer que um acidente real passe despercebido por falha de um sensor, enquanto usar apenas lógica OR aumenta os falsos alarmes. Uma abordagem mais realista é ponderar a confiabilidade e o nível de risco de cada sensor. Por exemplo, uma elevação muito rápida de CO₂ junto com anomalia de tensão no mesmo rack recebe pontuação alta; somente CO₂ interno mudando lentamente recebe pontuação baixa. Falhas de autodiagnóstico do sensor ou perda de comunicação também devem entrar na pontuação de risco. Após um alarme, devem ser preservados registros temporalmente sincronizados das tendências brutas, do estado da ventilação e dos eventos do BMS para análise de causa e aperfeiçoamento dos limiares.

Posicionamento e comissionamento importam mais do que a especificação do sensor

Um bom sensor instalado no local errado atrasa o alerta precoce. O projetista deve primeiro verificar a direção do respiro da célula e o caminho do fluxo dentro do módulo. Em seguida, deve verificar, por visualização de fumaça ou ensaio com gás traçador, para onde o fluxo normal de resfriamento e o fluxo de exaustão de emergência conduzem o gás. Os sensores podem ser dispostos em camadas nos pontos previstos de coleta dentro do rack ou gabinete, no duto comum de exaustão e em pontos representativos da sala. Em vez de observar só a concentração em um ponto, avaliar o tempo de chegada entre sensores e o gradiente espacial permite restringir mais rapidamente o rack afetado.

No comissionamento, registram-se os valores de fundo em condições reais de operação, como carga normal, ventilação máxima, ventilação interrompida e variação do número de pessoas presentes. O tempo de resposta do sensor depende não apenas da especificação do elemento de medição, mas também do comprimento do tubo de amostragem, da vazão da bomba, do filtro e de vazamentos do invólucro. A calibração apenas aproximando o gás de teste da frente do sensor não pode validar a resposta do sistema. Quando possível, injeta-se um gás traçador seguro no ponto previsto de emissão e mede-se todo o tempo até detecção, transmissão, alarme e confirmação pelo operador. Se o resultado não atingir o tempo de antecedência desejado, ajustam-se a posição, a vazão de amostragem e a lógica.

Manutenção e gestão de falsos alarmes

Mesmo que sejam relativamente estáveis, sensores CO₂ NDIR não dispensam manutenção. Nos intervalos definidos pelo fabricante, é preciso verificar zero e span, inspecionar contaminação e condensação na óptica, bomba e filtro, e vazamentos no tubo. Um sensor que parece fixo na concentração normal também não é necessariamente seguro. Se a leitura permanecer excessivamente plana por muito tempo ou for inconsistente com sensores vizinhos, pode haver obstrução, erro de comunicação ou falha de calibração. O estado de bypass de alarme e o prazo de calibração devem aparecer claramente no painel operacional.

Falsos alarmes não são algo a eliminar, mas dados que ensinam o projeto. Registrar quais atividades — como respiração dos trabalhadores, gases de escape de empilhadeiras, produtos de limpeza, soldagem e mudanças na climatização — afetaram quais sensores permite refinar a lógica de alarme. Contudo, a repetição de falsos alarmes não justifica elevar o limiar sem fundamento. É preciso separar as causas de fundo, melhorar a posição dos sensores e as condições de validação cruzada, e comparar antes e depois da mudança em ensaios simulados. Na tela que o responsável consulta quando o alarme dispara, devem aparecer, além do valor atual, a taxa de elevação recente, a linha de base, alarmes BMS relacionados, o estado do sensor e as ações recomendadas.

Projete o CO₂ não como ‘um voto’, mas como ‘uma camada’

O verdadeiro valor do CO₂ não está em confirmar a existência de um incêndio depois que ele cresceu. Está em capturar o momento em que a célula inicia reação anormal e venting, antecipando a próxima ação. Em diversos ensaios, o CO₂ foi observado como gás principal de ventilação, e os sensores NDIR ofereceram um meio seletivo e contínuo de medição. Por isso, o CO₂ é um sinal valioso demais para ser excluído do projeto de alerta precoce de salas de baterias e gabinetes ESS.

No entanto, uma decisão não deve ser tomada por um único número de CO₂. As características de emissão de cada química, SOC, ventilação, concentração de fundo e posição do sensor devem ser refletidas por ensaios em campo e combinadas, no eixo do tempo, com informações de tensão, corrente, temperatura, VOC, CO, H₂, fumaça e pressão. O melhor sistema não é aquele em que o sensor “acerta” o acidente; é aquele que transforma gradualmente sinais iniciais incertos em confiança e assegura tempo para intervenção humana segura. O CO₂ pode ser a primeira voz importante dessa rede de decisão, mas deve sempre ser ouvido com as outras vozes.

Referências

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