Trh s lithium-iontovými (Li-Ion) bateriemi se rozšiřuje tempem, které stále předbíhá vývoj předpisů a norem, které jej upravují. Od rezidenčních elektrokol až po užitkové bateriové úložiště energie (BESS) je technologie Li-Ion nyní zakotvena prakticky v každém sektoru zastavěného prostředí – na všech kontinentech a v různých jurisdikcích. Pro odborníky a dodavatele v oblasti požární ochrany po celém světě toto šíření vytvořilo rychle se rozvíjející a technicky náročnou sadu konstrukčních výzev, které vyžadují pevné pochopení jak základní vědy o rizicích, tak současného stavu normativních a výkonnostních požadavků. Zatímco uvedené předpisy a normy odrážejí regulační prostředí USA, základní věda o rizicích, konstrukční principy a zkušební protokoly jsou globálně použitelné a stále častěji se na ně odkazují orgány s jurisdikcí po celém světě.

Hlavní nebezpečí: Tepelný únik

Než se budeme zabývat konstrukčními kritérii, je nezbytné pochopit, co zásadně odlišuje lithium-iontové baterie od konvenčních rizik požáru. Primárním rizikem je tepelný únik – definovaný normou NFPA 855 jako stav, kdy elektrochemický článek zvyšuje svou teplotu v důsledku samoohřívání nekontrolovatelným způsobem, což může vést k uvolňování plynů, požáru nebo výbuchu.

Na rozdíl od tradičního požáru třídy B nebo C je tepelný únik vnitřní elektrochemickou událostí. Jakmile je zahájen, nelze jej zastavit hasicím systémem. Tetraedr požáru se přímo neuplatňuje; odstranění kyslíku z atmosféry tepelný únik nezastaví – pouze zabrání vznícení uvolňovaných hořlavých plynů, které se pak mohou hromadit do deflagračních koncentrací. Toto je kritický konstrukční aspekt, který okamžitě diskvalifikuje určité technologie hašení, zejména ty, které zbavují danou místnost kyslíku.

Tepelný únik může být vyvolán tepelným zneužitím (přehřátím nebo ztrátou chlazení), elektrickým zneužitím (přebíjením nebo nadměrným vybíjením) nebo fyzickým poškozením článku. Jakmile jeden článek vstoupí do tepelného úniku, je vysoce pravděpodobné šíření do sousedních článků, pokud není zajištěno dostatečné oddělení nebo aktivní chlazení.

Praktický důsledek pro návrh sprinklerových systémů: cílem protipožárního sprinklerového systému chránícího lithium-iontové baterie není samotné uhašení tepelného úniku, ale jeho omezení. Systém musí dostatečně ochladit sousední články, aby se omezilo šíření do regálu, police nebo vozidla, kde k události došlo. Tato zásada platí bez ohledu na to, který národní nebo regionální rámec předpisů se na daný projekt vztahuje.

Záleží na chemii baterie a stavu nabití

Ne všechny lithium-iontové baterie představují stejný profil nebezpečí. Chemické složení katodového materiálu významně ovlivňuje jak hustotu energie, tak závažnost tepelného úniku. Mezi běžné chemické složení patří mimo jiné lithium-nikl-mangan-kobaltitý oxid (NMC), lithium-železitý fosforečnan (LFP), lithium-nikl-kobaltitý-hlinitý oxid (NCA) a lithium-kobaltitý oxid (LCO).

Výzkum ze Sandia National Laboratories ukazuje, že zatímco vyšší uložená energie koreluje s vyšší celkovou entalpií tepelného úniku, baterie s vyšší specifickou energií uvolňují tuto energii rychleji a s vyššími maximálními rychlostmi uvolňování tepla. Chemické složení NMC a NCA má vyšší hustotu energie než LFP, ale způsobuje závažnější tepelné úniky. Chemické složení baterie přítomné v dané instalaci přímo ovlivňuje vhodná kritéria ochrany – odborníci by neměli předpokládat univerzální přístup bez ohledu na jurisdikci. Stav nabití (SOC) je stejně důležitý. Článek se 100% SOC bude podléhat výrazně prudšímu tepelnému úniku než identický článek s 30% SOC, s měřitelně vyššími maximálními teplotami, maximálními rychlostmi ohřevu a entalpií úniku. Prahové hodnoty SOC – obvykle 60 % – se používají v několika rámcích, včetně datových listů FM Global, k definování klasifikace skladovacích komodit a určení příslušných konstrukčních kritérií. Pochopení provozního SOC dané instalace je proto vstupem pro návrh materiálu, nikoli druhořadým hlediskem.

Regulační prostředí: Odkud se požadavky berou?

Na rozdíl od většiny komoditních rizik neexistuje jediný globální normativní dokument, který by se vztahoval na lithium-iontové baterie ve všech aplikacích. I v rámci USA musí být konstrukční kritéria vyvozována z více překrývajících se zdrojů v závislosti na konkrétním případu použití. V mezinárodním měřítku je situace ještě pestřejší, ačkoli na základní zkušební protokoly – zejména UL 9540A – se stále častěji odvolávají regulační orgány a orgány s jurisdikcí mimo Severní Ameriku. Norma NFPA 13 výslovně vylučuje lithium-iontové baterie ze své působnosti pro účely návrhu sprinklerů. Požadavky na instalaci stále platí, ale návrhové hustoty a plochy je nutné získat jinde. Norma NFPA 855 je primární americká norma pro stacionární systémy skladování energie. Pro vyhovující vnitřní komerční instalace – kde skupiny ESS nepřesahují 50 kWh, oddělené alespoň 3 stopy – je předepsaná hustota sprinklerů 0,3 gpm/sqft na ploše 2 500 čtverečních stop. Budovy, které nejsou určeny k jednoúčelovému využití, jsou omezeny na 600 kWh na požární plochu; budovy určené k jednoúčelovému využití nemají žádný takový energetický limit, za předpokladu, že jsou dodrženy vhodné protipožární oddělení a omezení obsazenosti. Pokud uspořádání nesplňuje předepsané prahové hodnoty normy NFPA 855, je vyžadováno testování ve velkém měřítku dle normy UL 9540A.

Datový list FM Global 5-33 upravuje instalace lithium-iontových baterií BESS s výkonem větším než 20 kWh a specifikuje kritéria založená na umístění, která se liší podle blízkosti expozic, počtu přístupných vnějších stěn a chemického složení baterií. Instalace NMC vyžadují větší odstupy uliček než instalace LFP. Pokud jsou splněny požadavky na umístění, hustota sprinklerů je také 0,3 gpm/ft² v celé oblasti požáru s dobou dodávky vody 45 minut pro každý sousední neoddělený stojan baterií.

Datový list FM Global 7-112 je primárním referenčním dokumentem pro skladování velkoobjemových baterií a poskytuje klasifikaci komodit na základě stavu nabití (SOC), výšky stropu, skladovací výšky a balení, které jsou následně použity v datovém listu FM 8-9 pro příslušná kritéria pro návrh sprinklerových systémů.

Tyto dokumenty amerického původu jsou široce konzultovány na globálních trzích – zejména v případě nadnárodních výrobních, logistických a energetických projektů – takže seznámení se s nimi je profesionálně relevantní daleko za hranicemi Severní Ameriky.

UL 9540A: Cesta založená na výkonu

Pro většinu rozsáhlých instalací ESS není preskriptivní postup ekonomicky proveditelný – omezení hustoty energie činí náklady na čtvereční stopu neúnosnými. V důsledku toho většina komerčních projektů zahrnuje návrh založený na výkonu ověřený testováním UL 9540A, což je protokol, který získal značnou mezinárodní podporu jako referenční metodologie pro hodnocení šíření požáru v důsledku tepelného úniku v bateriových systémech pro ukládání energie.

UL 9540A je stupňovitý testovací protokol se čtyřmi úrovněmi: článek, modul, jednotka a instalace. Každá úroveň vystavuje bateriový systém vynucenému tepelnému úniku a vyhodnocuje, zda je šíření v rámci návrhových hranic. Pokud daná úroveň vyhoví, není nutné žádné další testování. Test na úrovni instalace – nejrelevantnější pro návrh protipožárních systémů – vyhodnocuje účinnost zamýšleného protipožárního zařízení, a to buď pomocí sprinklerových systémů navržených na 0,3 gpm/sqft (metoda 1), nebo pomocí alternativního plánu protipožární ochrany (metoda 2). Dodavatelé a projektanti zapojení do projektů ESS kdekoli na světě by měli být obeznámeni s výsledky normy UL 9540A, protože zkušební protokoly výrobců často určují příslušná kritéria pro návrh sprinklerů, umístění trysek a typ systému požadovaný pro danou konfiguraci instalace.

Úvahy specifické pro danou aplikaci

Elektromobily a parkovací konstrukce: Zavádění elektromobilů se celosvětově zrychluje a s tím přichází i výzva chránit parkovací konstrukce, které pojmou vozidla s velkoformátovými lithium-iontovými bateriemi. Výzkumná data opakovaně ukazují, že parkovací konstrukce chráněné sprinklerovými systémy úspěšně lokalizovaly požáry elektromobilů do bezprostřední oblasti požáru. V USA norma NFPA 13 zvýšila doporučenou klasifikaci obsazenosti parkovacích garáží na skupinu běžného nebezpečí 2 a norma NFPA 88A nyní vyžaduje sprinklerové systémy ve všech parkovacích konstrukcích, včetně dříve osvobozených otevřených garáží. Podobná přehodnocení kritérií ochrany parkovacích konstrukcí probíhají na mnoha mezinárodních trzích.

Zařízení pro mikromobilitu: Elektrokola, koloběžky, hoverboardy a podobná zařízení představují celosvětově rychle rostoucí riziko v domácnostech. Tato zařízení se často nabíjejí v únikových cestách a obytných prostorách, často s poškozenými nebo necertifikovanými bateriemi. Tento vzorec incidentů není specifický pouze pro USA; hasičské sbory v Evropě, Asii a Australasii hlásí podobné trendy, jelikož se zrychlilo zavádění mikromobility, což vedlo k pozornosti regulačních orgánů v řadě jurisdikcí.

Skladování velkých baterií: Vzhledem k tomu, že v instalačních normách, jako je NFPA 13, do značné míry chybí normativní pokyny, je nejpodrobnější dostupnou referencí FM Data Sheet 7-112. Odborníci zapojení do skladových nebo distribučních prací zahrnujících spotřební elektroniku, bateriové moduly nebo hotové výrobky napájené z baterií musí být připraveni splnit požadavky FM nebo vyvinout návrh založený na výkonu s plnohodnotnou testovací podporou.

Sečteno a podtrženo pro praktiky

Ochrana lithium-iontových baterií není specializací – rychle se stává klíčovou kompetencí pro profesionály v oblasti požární ochrany prakticky v každém segmentu trhu a v každém regionu světa. Předpisy a normy se aktivně vyvíjejí a rozdíl mezi tím, co technologie požaduje, a tím, co v současnosti poskytují normativní kritéria, zůstává značný. Odborníci z praxe by k těmto projektům měli přistupovat s vědomím, že pro danou konfiguraci nemusí být k dispozici preskriptivní řešení, že chemie a SOC jsou vstupy pro návrh materiálů a že data z rozsáhlých testů – ať už ze zpráv UL 9540A nebo ekvivalentních metodik – budou často určujícím faktorem pro stanovení přijatelného návrhu systému. Pro profesionály pracující v různých jurisdikcích bude zásadní získat plynulou znalost jak rámců amerického původu, tak i nově vznikajících standardů na jejich vlastních trzích. IFSA existuje proto, aby propojovala odborníky na hasicí systémy napříč hranicemi a globálně rozvíjela vědu a praxi v oblasti ochrany proti požárním sprinklerům. Vzhledem k tomu, že technologie lithium-iontových baterií neustále mění prostředí rizik na každém trhu, kterému sloužíme, je udržet si náskok před touto třídou nebezpečí naprostou součástí našeho společného poslání.