Le marché des batteries lithium-ion (Li-ion) connaît une expansion fulgurante, plus rapide encore que l'évolution des normes et réglementations qui le régissent. Des vélos électriques résidentiels aux systèmes de stockage d'énergie par batteries (BESS) à grande échelle, la technologie Li-ion est désormais omniprésente dans tous les secteurs du bâtiment, sur tous les continents et dans toutes les juridictions. Pour les professionnels et les entreprises de protection incendie du monde entier, cette prolifération a engendré des défis de conception complexes et en constante évolution, exigeant une parfaite maîtrise des principes scientifiques fondamentaux liés aux risques et des exigences actuelles, qu'elles soient prescriptives ou basées sur la performance. Si les normes et réglementations mentionnées reflètent le cadre réglementaire américain, les principes scientifiques sous-jacents, les principes de conception et les protocoles d'essai sont applicables à l'échelle mondiale et sont de plus en plus souvent pris en compte par les autorités compétentes dans le monde entier.
Le principal danger : Emballement thermique
Avant d'aborder les critères de conception, il est essentiel de comprendre ce qui distingue fondamentalement les batteries lithium-ion des risques d'incendie classiques. Le principal risque est l'emballement thermique, défini par la norme NFPA 855 comme la situation dans laquelle une cellule électrochimique voit sa température augmenter de manière incontrôlée par auto-échauffement, pouvant entraîner un dégagement gazeux, un incendie ou une explosion.
Contrairement à un incendie classique de classe B ou C, l'emballement thermique est un phénomène électrochimique interne. Une fois amorcé, il est impossible de l'arrêter, même avec un système d'extinction. Le tétraèdre du feu ne s'applique pas directement ; priver l'atmosphère d'oxygène n'arrête pas l'emballement thermique, il empêche seulement l'inflammation des gaz combustibles libérés, qui peuvent alors s'accumuler jusqu'à provoquer une déflagration. Il s'agit d'un facteur de conception essentiel qui disqualifie d'emblée certaines technologies d'extinction, notamment celles qui privent un compartiment d'oxygène.
L'emballement thermique peut être déclenché par une surchauffe (ou un défaut de refroidissement), une surcharge électrique (ou une décharge excessive) ou un dommage physique à la cellule. Dès qu'une cellule entre en emballement thermique, la propagation aux cellules adjacentes est très probable, sauf si une séparation adéquate ou un système de refroidissement actif est en place.
Conséquences pratiques pour la conception des systèmes d'extinction automatique : l'objectif d'un système d'extinction automatique protégeant les batteries lithium-ion n'est pas l'extinction de l'emballement thermique lui-même, mais son confinement. Le système doit refroidir suffisamment les cellules adjacentes pour limiter la propagation du feu au rack, à l'étagère ou au véhicule où l'incident s'est produit. Ce principe reste valable quel que soit le cadre réglementaire national ou régional applicable au projet.
L'importance de la chimie et de l'état de charge des batteries
Toutes les batteries lithium-ion ne présentent pas le même profil de risques. La composition chimique du matériau de la cathode influe considérablement sur la densité énergétique et la gravité de l'emballement thermique. Parmi les compositions chimiques courantes, on trouve l'oxyde de nickel-manganèse-cobalt (NMC), le phosphate de fer lithié (LFP), l'oxyde de nickel-cobalt-aluminium (NCA) et l'oxyde de cobalt lithié (LCO).
Les recherches des Laboratoires nationaux Sandia montrent que si une plus grande quantité d'énergie stockée est corrélée à une enthalpie d'emballement thermique totale plus élevée, les batteries à énergie spécifique plus élevée libèrent cette énergie plus rapidement et avec des taux de dégagement de chaleur de pointe plus importants. Les technologies NMC et NCA présentent une densité énergétique supérieure à celle des batteries LFP, mais engendrent des emballements thermiques plus graves. La chimie des batteries présentes dans une installation donnée influe directement sur les critères de protection appropriés ; les professionnels ne doivent pas adopter une approche unique, quelle que soit la juridiction. L'état de charge (SOC) est tout aussi important. Une cellule à 100 % de SOC subira un emballement thermique beaucoup plus violent qu'une cellule identique à 30 % de SOC, avec des températures de pointe, des vitesses de chauffage de pointe et une enthalpie d'emballement nettement supérieures. Les seuils de SOC (généralement 60 %) sont utilisés dans plusieurs référentiels, notamment les fiches techniques de FM Global, pour définir les classifications des produits de stockage et déterminer les critères de conception applicables. La connaissance de l'état de charge opérationnel d'une installation donnée est donc un élément fondamental de la conception, et non une considération secondaire.
Le paysage réglementaire : d'où viennent les exigences ?
Contrairement à la plupart des risques liés aux matières premières, il n'existe pas de document de référence mondial unique couvrant les batteries lithium-ion pour toutes leurs applications. Même aux États-Unis, les critères de conception doivent s'appuyer sur de multiples sources, parfois partiellement redondantes, en fonction du cas d'utilisation spécifique. À l'échelle internationale, la situation est encore plus complexe, bien que les protocoles d'essai sous-jacents – notamment la norme UL 9540A – soient de plus en plus souvent utilisés par les organismes de réglementation et les autorités compétentes au-delà de l'Amérique du Nord. La norme NFPA 13 exclut explicitement les batteries lithium-ion de son champ d'application pour la conception des systèmes d'extinction automatique à eau. Les exigences d'installation restent applicables, mais les densités et les surfaces de conception doivent être déterminées par d'autres sources. La norme NFPA 855 est la principale norme américaine relative aux systèmes de stockage d'énergie stationnaires. Pour les installations commerciales intérieures conformes (où chaque groupe de systèmes de stockage d'énergie ne dépasse pas 50 kWh et est séparé d'au moins 90 cm), la densité de sprinklers prescrite est de 0,3 gpm/pi² sur une surface de 232 m². Les bâtiments non dédiés à la protection incendie sont limités à 600 kWh par zone coupe-feu ; les bâtiments dédiés à la protection incendie ne sont soumis à aucune limite de ce type, à condition que les séparations coupe-feu appropriées et les restrictions d'occupation soient respectées. Lorsqu'une installation ne respecte pas les seuils prescrits par la norme NFPA 855, des essais à grande échelle conformes à la norme UL 9540A sont requis.
La fiche technique FM Global 5-33 régit les installations de systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) lithium-ion de plus de 20 kWh et spécifie des critères d'emplacement variables selon la proximité des sources d'incendie, le nombre de murs extérieurs accessibles et la chimie des batteries. Les installations NMC requièrent des espacements entre les allées plus importants que les installations LFP. Lorsque les exigences d'emplacement sont respectées, la densité des sprinklers est également de 0,3 gpm/pi² sur toute la zone d'incendie, avec une autonomie de 45 minutes pour chaque rack de batteries adjacent non séparé.
La fiche technique FM Global 7-112 est la principale référence pour le stockage de batteries en vrac, fournissant des classifications de produits basées sur l'état de charge (SOC), la hauteur sous plafond, la hauteur de stockage et l'emballage, qui alimentent la fiche technique FM 8-9 pour les critères de conception des sprinklers applicables.
Ces documents d'origine américaine sont largement consultés sur les marchés mondiaux — notamment pour les projets multinationaux de fabrication, de logistique et de stockage d'énergie — ce qui rend leur connaissance professionnellement pertinente bien au-delà de l'Amérique du Nord.
UL 9540A : La voie basée sur la performance
Pour la plupart des installations de stockage d'énergie à grande échelle, la méthode prescriptive n'est pas économiquement viable : les limitations de densité énergétique rendent le coût au mètre carré prohibitif. Par conséquent, la majorité des projets commerciaux privilégient une conception basée sur la performance, validée par les tests UL 9540A. Ce protocole s'est imposé à l'échelle internationale comme la méthode de référence pour l'évaluation de la propagation des incendies par emballement thermique dans les systèmes de stockage d'énergie par batteries.
La norme UL 9540A est un protocole de test à quatre niveaux : cellule, module, unité et installation. Chaque niveau soumet le système de batteries à un emballement thermique forcé et évalue si la propagation reste contenue dans les limites de conception. Si un niveau est validé, aucun autre test n'est requis. Le test au niveau de l'installation, le plus pertinent pour la conception des systèmes de protection incendie, évalue l'efficacité du dispositif d'extinction prévu, soit par des sprinklers dimensionnés à 0,3 gpm/pi² (méthode 1), soit par un autre plan de protection incendie (méthode 2). Les entrepreneurs et les concepteurs impliqués dans des projets ESS partout dans le monde devraient connaître les résultats de la norme UL 9540A, car les rapports d'essais des fabricants dictent souvent les critères de conception des sprinklers applicables, l'emplacement des buses et le type de système requis pour une configuration d'installation donnée.
Considérations spécifiques à l'application
Véhicules électriques et parkings : L’adoption des véhicules électriques s’accélère à l’échelle mondiale, ce qui soulève le défi de la protection des parkings abritant des véhicules équipés de batteries lithium-ion de grande capacité. Les études montrent systématiquement que les parkings équipés de sprinklers ont permis de contenir efficacement les incendies de véhicules électriques à la zone immédiate du sinistre. Aux États-Unis, la norme NFPA 13 a rehaussé le niveau de classification recommandé pour les parkings couverts au groupe de risque ordinaire 2, et la norme NFPA 88A impose désormais l’installation de sprinklers dans tous les parkings, y compris les parkings ouverts auparavant exemptés. Des réévaluations similaires des critères de protection des parkings sont en cours sur de nombreux marchés internationaux.
Dispositifs de micromobilité : vélos électriques, trottinettes, hoverboards et engins similaires représentent une source d’exposition résidentielle en forte croissance à l’échelle mondiale. Ces appareils sont fréquemment rechargés dans les voies d’évacuation et les espaces de vie, souvent avec des batteries défectueuses ou non certifiées. Ce type d’incidents n’est pas propre aux États-Unis ; les services d’incendie d’Europe, d’Asie et d’Australasie ont constaté des tendances similaires à mesure que l’adoption de la micromobilité s’est accélérée, ce qui a incité de nombreuses juridictions à s’intéresser de près à la réglementation.
Stockage de batteries en vrac : En l’absence de directives prescriptives dans les normes d’installation telles que la NFPA 13, la fiche technique FM 7-112 constitue la référence la plus détaillée disponible. Les professionnels travaillant dans des entrepôts ou des centres de distribution pour des produits électroniques grand public, des modules de batteries ou des produits finis alimentés par batterie doivent être prêts à appliquer les exigences FM ou à concevoir une solution basée sur la performance, étayée par des essais à grande échelle.
Conclusion pour les praticiens
La protection des batteries lithium-ion n'est pas un domaine de niche : elle devient rapidement une compétence essentielle pour les professionnels de la protection incendie dans pratiquement tous les segments de marché et toutes les régions du monde. Les normes et réglementations évoluent constamment, et l'écart entre les exigences technologiques et les critères prescriptifs actuels demeure important. Les professionnels doivent aborder ces projets en gardant à l'esprit que des solutions standardisées peuvent ne pas être disponibles pour une configuration donnée, que la chimie et l'état de charge (SOC) sont des paramètres de conception des matériaux et que les données d'essais à grande échelle — qu'elles proviennent de rapports UL 9540A ou de méthodologies équivalentes — seront souvent déterminantes pour l'établissement d'une conception système acceptable. Pour les professionnels travaillant dans plusieurs juridictions, il sera essentiel de maîtriser à la fois les référentiels américains et les normes émergentes sur leurs propres marchés. L'IFSA a pour mission de fédérer les professionnels des systèmes d'extinction automatique à eau au-delà des frontières et de faire progresser la science et la pratique de la protection contre l'incendie par sprinklers à l'échelle mondiale. Face à l'évolution constante des technologies de batteries lithium-ion et à l'impact croissant qu'elles ont sur les risques dans tous les marchés où nous sommes présents, anticiper ces dangers est au cœur de notre mission collective.