إدارة مخاطر بطاريات الليثيوم أيون باستخدام أنظمة الرش الآلية

يشهد سوق بطاريات الليثيوم أيون نموًا متسارعًا يتجاوز بكثير وتيرة تطوير القوانين والمعايير المنظمة له. فمن الدراجات الكهربائية المنزلية إلى أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات على نطاق المرافق العامة، باتت تقنية الليثيوم أيون جزءًا لا يتجزأ من جميع قطاعات البيئة العمرانية تقريبًا، في مختلف القارات والمناطق. وقد أدى هذا الانتشار الواسع، بالنسبة لمتخصصي ومقاولي الحماية من الحرائق حول العالم، إلى ظهور تحديات تصميمية سريعة التطور وذات متطلبات تقنية عالية، تتطلب فهمًا دقيقًا لكل من علم المخاطر الأساسي والوضع الراهن للمتطلبات الإلزامية والقائمة على الأداء. وبينما تعكس القوانين والمعايير المرجعية البيئة التنظيمية الأمريكية، فإن علم المخاطر الأساسي ومبادئ التصميم وبروتوكولات الاختبار قابلة للتطبيق عالميًا، وتعتمد عليها السلطات المختصة في جميع أنحاء العالم بشكل متزايد.

الخطر الأساسي: الهروب الحراري

قبل الخوض في معايير التصميم، من الضروري فهم ما يميز بطاريات الليثيوم أيون عن مخاطر الحريق التقليدية. يتمثل الخطر الرئيسي في الهروب الحراري، والذي يُعرّفه معيار NFPA 855 بأنه الحالة التي ترتفع فيها درجة حرارة الخلية الكهروكيميائية ذاتيًا بشكل لا يمكن السيطرة عليه، مما قد يؤدي إلى انبعاث غازات أو نشوب حريق أو انفجار.

على عكس حرائق الفئة B أو C التقليدية، يُعدّ الهروب الحراري حدثًا كيميائيًا كهربائيًا داخليًا. وبمجرد بدء حدوثه، لا يمكن إيقافه بواسطة نظام إخماد الحرائق. ولا ينطبق مبدأ رباعي الأوجه الخاص بالحرائق بشكل مباشر؛ فإزالة الأكسجين من الغلاف الجوي لا توقف الهروب الحراري، بل تمنع فقط اشتعال الغازات القابلة للاحتراق المنبعثة، والتي قد تتراكم لاحقًا لتصل إلى تركيزات كافية للاشتعال السريع. وهذا اعتبار تصميمي بالغ الأهمية يستبعد فورًا بعض تقنيات الإخماد، لا سيما تلك التي تحرم حيزًا ما من الأكسجين.

قد يحدث الهروب الحراري نتيجةً لارتفاع درجة الحرارة (زيادة الحرارة أو فقدان التبريد)، أو لارتفاع درجة الحرارة الكهربائية (زيادة الشحن أو زيادة التفريغ)، أو لتلف مادي في الخلية. وبمجرد دخول خلية واحدة في حالة الهروب الحراري، يصبح انتشاره إلى الخلايا المجاورة محتملاً للغاية ما لم يتم توفير فصل كافٍ أو تبريد فعال.

التطبيق العملي لتصميم أنظمة الرش: لا يهدف نظام رش الحريق لحماية بطاريات الليثيوم أيون إلى إخماد ظاهرة الهروب الحراري بحد ذاتها، بل إلى احتواء الحريق. يجب أن يُبرّد النظام الخلايا المجاورة بشكل كافٍ للحد من انتشار الحريق إلى الحامل أو الرف أو المركبة التي نشأ منها. ينطبق هذا المبدأ بغض النظر عن الإطار القانوني الوطني أو الإقليمي الذي يحكم أي مشروع.

كيمياء البطارية وحالة الشحن أمران مهمان

لا تُشكل جميع بطاريات الليثيوم أيون نفس المخاطر. يؤثر التركيب الكيميائي لمادة الكاثود بشكل كبير على كلٍ من كثافة الطاقة وشدة الهروب الحراري. تشمل التركيبات الكيميائية الشائعة أكسيد الليثيوم والنيكل والمنغنيز والكوبالت (NMC)، وفوسفات الليثيوم والحديد (LFP)، وأكسيد الليثيوم والنيكل والكوبالت والألومنيوم (NCA)، وأكسيد الليثيوم والكوبالت (LCO)، وغيرها.

تُظهر الأبحاث التي أجرتها مختبرات سانديا الوطنية أنه بينما يرتبط ارتفاع الطاقة المخزنة بزيادة إجمالي إنثالبي الهروب الحراري، فإن البطاريات ذات معدل إطلاق الطاقة النوعي الأعلى تُخزن الطاقة بشكل أسرع وبمعدلات ذروة إطلاق حرارة أعلى. تتميز كيمياء بطاريات NMC وNCA بكثافة طاقة أعلى من بطاريات LFP، ولكنها تُنتج حالات هروب حراري أكثر خطورة. يؤثر التركيب الكيميائي للبطارية في أي منشأة بشكل مباشر على معايير الحماية المناسبة، لذا لا ينبغي للمختصين اعتماد نهج واحد يناسب الجميع، بغض النظر عن الاختصاص القضائي. تُعدّ حالة الشحن (SOC) ذات أهمية بالغة. فخلية مشحونة بنسبة 100% ستشهد ارتفاعًا حراريًا حادًا بشكل ملحوظ مقارنةً بخلية مماثلة مشحونة بنسبة 30%، مع درجات حرارة قصوى أعلى بشكل ملحوظ، ومعدلات تسخين قصوى، ومحتوى حراري أعلى للارتفاع الحراري. تُستخدم عتبات حالة الشحن - عادةً 60% - في العديد من الأطر، بما في ذلك بيانات FM Global، لتحديد تصنيفات سلع التخزين وتحديد معايير التصميم المطبقة. لذا، يُعدّ فهم حالة الشحن التشغيلية لأي منشأة عنصرًا أساسيًا في التصميم، وليس اعتبارًا ثانويًا.

المشهد التنظيمي: من أين تأتي المتطلبات؟

بخلاف معظم المخاطر المتعلقة بالسلع، لا توجد وثيقة عالمية موحدة تغطي بطاريات الليثيوم أيون في جميع التطبيقات. حتى ضمن الإطار الأمريكي، يجب استخلاص معايير التصميم من مصادر متعددة ومتداخلة حسب حالة الاستخدام المحددة. وعلى الصعيد الدولي، الصورة أكثر تنوعًا، مع أن بروتوكولات الاختبار الأساسية - وخاصة UL 9540A - تُستشهد بها بشكل متزايد من قبل الجهات التنظيمية والسلطات المختصة خارج أمريكا الشمالية. يستثني معيار NFPA 13 صراحةً بطاريات الليثيوم أيون من نطاقه لأغراض تصميم أنظمة الرش. تبقى متطلبات التركيب سارية، ولكن يجب الحصول على معلومات حول كثافة التصميم ومساحاته من مصادر أخرى. يُعدّ معيار NFPA 855 المعيار الأمريكي الرئيسي لأنظمة تخزين الطاقة الثابتة. بالنسبة للمنشآت التجارية الداخلية المتوافقة مع هذا المعيار - حيث لا تتجاوز سعة كل مجموعة من مجموعات أنظمة تخزين الطاقة 50 كيلوواط/ساعة، مع فصلها بمسافة لا تقل عن 90 سم - تبلغ كثافة رشاشات المياه الموصى بها 0.3 جالون/دقيقة/قدم مربع على مساحة 2500 قدم مربع. تُحدد سعة المباني غير المخصصة للاستخدام في مكافحة الحرائق بحد أقصى 600 كيلوواط/ساعة لكل منطقة حريق؛ أما المباني المخصصة للاستخدام في مكافحة الحرائق فلا تخضع لهذا الحد، شريطة الالتزام بفواصل مقاومة للحريق وقيود الإشغال المناسبة. في حال عدم استيفاء أي ترتيب للمعايير المحددة في معيار NFPA 855، يلزم إجراء اختبارات واسعة النطاق وفقًا لمعيار UL 9540A.

تُحدد ورقة بيانات FM Global رقم 5-33 معايير تركيب أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات الليثيوم أيون التي تزيد سعتها عن 20 كيلوواط ساعة، وتختلف هذه المعايير باختلاف الموقع، بما في ذلك قربها من مصادر التعرض، وعدد الجدران الخارجية التي يمكن الوصول إليها، ونوع كيمياء البطارية. تتطلب تركيبات بطاريات الليثيوم أيون ذات الأغشية المتشابكة (NMC) مسافات فاصلة أكبر بين الممرات مقارنةً بتركيبات بطاريات الليثيوم فوسفات الحديد (LFP). عند استيفاء متطلبات الموقع، تكون كثافة رشاشات المياه 0.3 جالون/دقيقة/قدم مربع في منطقة الحريق بأكملها، مع مدة إمداد مياه تبلغ 45 دقيقة لكل رف بطاريات مجاور غير مفصول.

تعتبر ورقة بيانات FM Global 7-112 المرجع الأساسي لتخزين البطاريات بكميات كبيرة، حيث توفر تصنيفات السلع بناءً على حالة الشحن، وارتفاع السقف، وارتفاع التخزين، والتعبئة والتغليف، والتي تغذي ورقة بيانات FM 8-9 لمعايير تصميم الرشاشات المطبقة.

يتم الرجوع إلى هذه الوثائق ذات الأصل الأمريكي على نطاق واسع في الأسواق العالمية - لا سيما في مشاريع التصنيع والخدمات اللوجستية وتخزين الطاقة متعددة الجنسيات - مما يجعل الإلمام بها ذا أهمية مهنية تتجاوز بكثير حدود أمريكا الشمالية.

UL 9540A: المسار القائم على الأداء

بالنسبة لمعظم منشآت أنظمة تخزين الطاقة واسعة النطاق، لا يُعدّ المسار المحدد مسبقًا مجديًا اقتصاديًا، إذ تجعل قيود كثافة الطاقة التكلفة لكل قدم مربع باهظة للغاية. ونتيجةً لذلك، تعتمد غالبية المشاريع التجارية على تصميم قائم على الأداء، يتم التحقق من صحته من خلال اختبار UL 9540A، وهو بروتوكول اكتسب زخمًا دوليًا كبيرًا باعتباره المنهجية المعيارية لتقييم انتشار الحرائق الناتجة عن التسارع الحراري في أنظمة تخزين طاقة البطاريات.

يُعدّ معيار UL 9540A بروتوكول اختبار مُتدرّجًا بأربعة مستويات: الخلية، والوحدة، والتركيب، والتركيب. يُخضع كل مستوى نظام البطارية لحدث هروب حراري قسري، ويُقيّم ما إذا كان انتشاره محصورًا ضمن حدود التصميم. إذا اجتاز مستوى مُعيّن الاختبار، فلا حاجة إلى مزيد من الاختبارات. يُقيّم اختبار مستوى التركيب - وهو الأكثر صلة بتصميم أنظمة الحماية من الحرائق - فعالية ترتيب الإخماد المُعتمد، إما من خلال أنظمة الرش المصممة بمعدل 0.3 جالون/دقيقة/قدم مربع (الطريقة 1)، أو من خلال خطة بديلة للحماية من الحرائق (الطريقة 2). ينبغي على المقاولين والمصممين المشاركين في مشاريع أنظمة الطاقة الاحتياطية في أي مكان في العالم أن يكونوا على دراية بنتائج UL 9540A، حيث أن تقارير اختبار الشركة المصنعة غالباً ما تحدد معايير تصميم الرشاشات المطبقة، وموضع الفوهات، ونوع النظام المطلوب لتكوين تركيب معين.

اعتبارات خاصة بالتطبيق

المركبات الكهربائية ومواقف السيارات: يتسارع انتشار المركبات الكهربائية عالميًا، ويصاحب ذلك تحدٍّ يتمثل في حماية مواقف السيارات التي تضم مركبات مزودة ببطاريات ليثيوم أيون كبيرة الحجم. تُظهر بيانات الأبحاث باستمرار أن مواقف السيارات المحمية بنظام رشاشات المياه نجحت في احتواء حرائق المركبات الكهربائية في المنطقة المحيطة مباشرة بالحريق. في الولايات المتحدة، رفعت معايير NFPA 13 تصنيف الإشغال الموصى به لمواقف السيارات المغطاة إلى المجموعة الثانية من المخاطر العادية، وتُلزم معايير NFPA 88A الآن بتركيب رشاشات المياه في جميع مواقف السيارات، بما في ذلك مواقف السيارات المفتوحة التي كانت معفاة سابقًا. وتجري حاليًا عمليات إعادة تقييم مماثلة لمعايير حماية مواقف السيارات في العديد من الأسواق الدولية.

أجهزة التنقل الصغيرة: تمثل الدراجات الكهربائية، والدراجات البخارية، وألواح التزلج الكهربائية، والأجهزة المماثلة، خطرًا متزايدًا على المنازل في جميع أنحاء العالم. غالبًا ما تُشحن هذه الأجهزة في مخارج الطوارئ وأماكن المعيشة، باستخدام بطاريات تالفة أو غير معتمدة. ولا يقتصر نمط الحوادث على الولايات المتحدة؛ فقد أبلغت فرق الإطفاء في أوروبا وآسيا وأستراليا عن اتجاهات مماثلة مع تسارع تبني أجهزة التنقل الصغيرة، مما أدى إلى زيادة اهتمام الجهات التنظيمية في العديد من الدول.

تخزين البطاريات بكميات كبيرة: في ظل غياب التوجيهات التفصيلية في معايير التركيب مثل NFPA 13، تُعدّ ورقة بيانات FM 7-112 المرجع الأكثر تفصيلاً المتاح. يجب على المتخصصين العاملين في المستودعات أو مراكز التوزيع التي تتعامل مع الإلكترونيات الاستهلاكية أو وحدات البطاريات أو المنتجات النهائية التي تعمل بالبطاريات أن يكونوا على استعداد لتلبية متطلبات FM أو تطوير تصميم قائم على الأداء مع دعم اختبار شامل.

الخلاصة للممارسين

لم يعد توفير الحماية لبطاريات الليثيوم أيون تخصصًا محدودًا، بل أصبح سريعًا من الكفاءات الأساسية لمتخصصي الحماية من الحرائق في جميع قطاعات السوق تقريبًا وفي جميع أنحاء العالم. وتشهد القوانين والمعايير تطورًا مستمرًا، ولا تزال الفجوة كبيرة بين متطلبات التكنولوجيا والمعايير الحالية. ينبغي للمختصين التعامل مع هذه المشاريع مع إدراك أن الحلول الجاهزة قد لا تكون متاحة لتكوين معين، وأن التركيب الكيميائي وحالة الشحن من مدخلات تصميم المواد، وأن بيانات الاختبارات واسعة النطاق - سواء من تقارير UL 9540A أو منهجيات مكافئة - ستكون في الغالب العامل الحاسم في وضع تصميم نظام مقبول. بالنسبة للمهنيين العاملين في مناطق اختصاص متعددة، سيكون من الضروري اكتساب إلمام تام بكل من الأطر الأمريكية الأصلية ومعايير النشاط الناشئة في أسواقهم. تهدف الرابطة الدولية لأنظمة رشاشات إطفاء الحرائق (IFSA) إلى ربط المتخصصين في هذا المجال عبر الحدود، والارتقاء بعلم وممارسات الحماية من الحرائق باستخدام هذه الرشاشات على مستوى العالم. ومع استمرار تقنية بطاريات الليثيوم أيون في تغيير طبيعة المخاطر في جميع الأسواق التي نخدمها، فإن مواكبة هذا النوع من المخاطر يقع ضمن صميم مهمتنا الجماعية.