ניהול סכנות של סוללות ליתיום-יון בעזרת מערכות מתזים אוטומטיות

שוק סוללות הליתיום-יון (Li-Ion) מתרחב בקצב שממשיך לעקוף את התפתחות הקודים והתקנים שנועדו לנהל אותו. מאופניים חשמליים למגורים ועד מערכות אחסון אנרגיה בסוללות (BESS) בקנה מידה רב, טכנולוגיית ליתיום-יון משולבת כיום כמעט בכל מגזר של הסביבה הבנויה - בכל יבשת ותחום שיפוט. עבור אנשי מקצוע וקבלנים בתחום כיבוי אש ברחבי העולם, התפשטות זו יצרה מערכת אתגרי תכנון מהירים ותובעניים מבחינה טכנית, הדורשים הבנה איתנה הן של מדע הסיכונים הבסיסי והן של המצב הנוכחי של דרישות מרשם וביצועים. בעוד שהקודים והתקנים המוזכרים משקפים את הסביבה הרגולטורית של ארה"ב, מדע הסיכונים הבסיסי, עקרונות התכנון ופרוטוקולי הבדיקה ניתנים ליישום גלובלי וזוכים להתייחסות גוברת על ידי רשויות בעלות סמכות שיפוט ברחבי העולם.

סכנת הליבה: בריחה תרמית

לפני שנתמודד עם קריטריוני התכנון, חיוני להבין מה מבדיל באופן מהותי בין סוללות ליתיום-יון לבין סכנות אש קונבנציונליות. הסיכון העיקרי הוא בריחה תרמית - המוגדר על ידי NFPA 855 כמצב שבו תא אלקטרוכימי מעלה את הטמפרטורה שלו באמצעות חימום עצמי באופן בלתי נשלט, מה שעלול להוביל לפליטת גזים, שריפה או פיצוץ.

בשונה משריפה מסורתית מסוג B או C, בריחה תרמית היא אירוע אלקטרוכימי פנימי. לאחר שהחל, לא ניתן לעצור אותו על ידי מערכת כיבוי. טטרהדרון האש אינו מופעל ישירות; הוצאת חמצן מהאטמוספרה אינה עוצרת את הבריחה התרמית - היא רק מונעת הצתה של גזים דליקים המשתחררים, אשר לאחר מכן יכולים להצטבר לריכוזי שריפה. זהו שיקול תכנוני קריטי שפוסל באופן מיידי טכנולוגיות דיכוי מסוימות, במיוחד אלו שמונעות חמצן מתא.

בריחה תרמית יכולה להיגרם כתוצאה מפגיעה תרמית (התחממות יתר או אובדן קירור), פגיעה חשמלית (טעינה יתר או פריקה יתר), או נזק פיזי לתא. ברגע שתא בודד נכנס לבריחה תרמית, התפשטות לתאים סמוכים סבירה מאוד אלא אם כן מתבצעת הפרדה מספקת או קירור פעיל.

ההשלכה המעשית על תכנון מתזים: המטרה של מערכת מתזים לכיבוי אש המגנה על סוללות ליתיום-יון אינה כיבוי אירוע הדליפה התרמית עצמו - אלא בלימה. המערכת חייבת לקרר תאים סמוכים מספיק כדי להגביל את התפשטותם למדף, לארון או לרכב מהם נוצר האירוע. עיקרון זה תקף ללא קשר למסגרת הקוד הלאומית או האזורית השולטת בפרויקט נתון.

כימיה של סוללה ומצב טעינה

לא כל סוללות הליתיום-יון מציגות את אותו פרופיל סיכונים. ההרכב הכימי של חומר הקתודה משפיע באופן משמעותי הן על צפיפות האנרגיה והן על חומרת הפריצה התרמית. רכיבים כימיים נפוצים כוללים ליתיום ניקל מנגן קובלט אוקסיד (NMC), ליתיום ברזל פוספט (LFP), ליתיום ניקל קובלט אלומיניום אוקסיד (NCA) וליתיום קובלט אוקסיד (LCO), בין היתר.

מחקר של המעבדות הלאומיות של סנדיה מדגים כי בעוד שאנרגיה מאוחסנת גדולה יותר מתואמת עם אנתלפיה גדולה יותר של בריחה תרמית כוללת, סוללות עם שחרור אנרגיה ספציפי גבוה יותר מייצרות אנרגיה מהר יותר ובקצבי שחרור חום שיא גבוהים יותר. הכימיה של NMC ו-NCA נושאת צפיפות אנרגיה גבוהה יותר מאשר LFP אך מייצרת אירועי בריחה תרמית חמורים יותר. הכימיה של הסוללה הקיימת בהתקנה נתונה משפיעה ישירות על קריטריוני ההגנה המתאימים - אנשי מקצוע לא צריכים להניח גישה אחת שמתאימה לכולם, ללא קשר לתחום השיפוט. מצב הטעינה (SOC) רלוונטי באותה מידה. תא ב-100% SOC יעבור בריחה תרמית אלימה משמעותית יותר מתא זהה ב-30% SOC, עם טמפרטורות שיא גבוהות יותר באופן מדיד, קצב חימום שיא ואנתלפיה של בריחה. ספי SOC - בדרך כלל 60% - משמשים במספר מסגרות, כולל גיליונות נתונים של FM Global, כדי להגדיר סיווגי מוצרי אחסון ולקבוע קריטריוני תכנון רלוונטיים. הבנת ה-SOC התפעולי של התקנה נתונה היא לכן קלט תכנון חומרים, ולא שיקול משני.

הנוף הרגולטורי: מהיכן מגיעות הדרישות?

שלא כמו רוב הסכנות של סחורות, אין מסמך מרשם גלובלי אחד המכסה סוללות ליתיום-יון בכל היישומים. אפילו במסגרת האמריקאית, קריטריוני תכנון חייבים להילקח ממקורות חופפים מרובים בהתאם למקרה השימוש הספציפי. מבחינה בינלאומית, התמונה מגוונת אף יותר, אם כי פרוטוקולי הבדיקה הבסיסיים - ובמיוחד UL 9540A - זוכים להתייחסות גוברת על ידי רגולטורים ורשויות בעלות סמכות שיפוט מחוץ לצפון אמריקה. NFPA 13 אינו כולל במפורש סוללות ליתיום-יון מתחום תכנון מתזים. דרישות ההתקנה עדיין חלות, אך צפיפות התכנון והשטחים חייבים להגיע ממקור אחר. NFPA 855 הוא התקן העיקרי בארה"ב למערכות אגירת אנרגיה נייחות. עבור התקנות מסחריות פנימיות תואמות - כאשר קבוצות ESS אינן עולות על 50 קוט"ש כל אחת, במרחק של לפחות 3 רגל (3 רגל) - צפיפות הממטרים שנקבעה היא 0.3 גלון לדקה/רגל מרובע (gpm/right four) על פני 2,500 רגל מרובע (2,500 רגל מרובע). מבנים שאינם לשימוש ייעודי מוגבלים ל-600 קוט"ש לכל אזור אש; מבנים לשימוש ייעודי אינם נושאים מגבלת אנרגיה כזו, בתנאי שנשמרות הפרדות אש מתאימות ומגבלות תפוסה. כאשר הסדר אינו עומד בספי ה-NFPA 855, נדרשת בדיקה בקנה מידה גדול לפי UL 9540A.

גיליון נתונים גלובלי 5-33 של FM מסדיר התקנות סוללות BESS ליתיום-יון בהספק של יותר מ-20 קוט"ש ומפרט קריטריונים מבוססי מיקום המשתנים בהתאם לקרבה לחשיפות, מספר הקירות החיצוניים הנגישים וכימיה של הסוללה. התקנות NMC דורשות הפרדות גדולות יותר בין מעברים בהשוואה להתקנות LFP. כאשר דרישות המיקום מתקיימות, צפיפות הממטרות היא גם 0.3 gpm/ft² על פני כל אזור האש, עם משך אספקת מים של 45 דקות לכל מדף סוללות סמוך שאינו מופרד.

גיליון נתונים 7-112 של FM Global הוא מדריך העזר העיקרי לאחסון סוללות בכמות גדולה, ומספק סיווגי סחורות המבוססים על SOC, גובה תקרה, גובה אחסון ואריזה, אשר נכללים בגיליון נתונים 8-9 של FM עבור קריטריונים רלוונטיים לתכנון מתזים.

מסמכים אלה, שמקורם בארה"ב, זוכים להתייעצות נרחבת בשווקים הגלובליים - במיוחד עבור פרויקטים רב-לאומיים של ייצור, לוגיסטיקה ואחסון אנרגיה - מה שהופך את ההיכרות איתם לרלוונטית מבחינה מקצועית הרבה מעבר לצפון אמריקה.

UL 9540A: הנתיב מבוסס הביצועים

עבור רוב התקנות ESS בקנה מידה גדול, המסלול המרשם אינו בר-קיימא מבחינה כלכלית - מגבלות צפיפות האנרגיה הופכות את העלות למטר מרובע לאיסורית. כתוצאה מכך, רוב הפרויקטים המסחריים כוללים תכנון מבוסס ביצועים שאושר באמצעות בדיקות UL 9540A, פרוטוקול שצבר תאוצה בינלאומית משמעותית כמתודולוגיית אמת מידה להערכת התפשטות שריפות תרמיות במערכות אחסון אנרגיה בסוללות.

UL 9540A הוא פרוטוקול בדיקה מדורג עם ארבע רמות: תא, מודול, יחידה והתקנה. כל רמה חושפת את מערכת הסוללות לאירוע בריחה תרמית כפויה ומעריכה האם ההתפשטות נמצאת בתוך גבולות התכנון. אם רמה נתונה עוברת, אין צורך בבדיקות נוספות. הבדיקה ברמת ההתקנה - הרלוונטית ביותר לתכנון מערכת כיבוי אש - מעריכה את יעילות סידור הכיבוי המיועד, באמצעות מערכות ספרינקלרים שתוכננו ב-0.3 גלונים לדקה/רגל מרובע (שיטה 1) או באמצעות תוכנית כיבוי אש חלופית (שיטה 2). קבלנים ומעצבים המעורבים בפרויקטים של ESS בכל מקום בעולם צריכים להיות בקיאים בתוצאות UL 9540A, מכיוון שדוחות הבדיקה של היצרן יכתיבו לעתים קרובות את קריטריוני תכנון הממטרות הרלוונטיים, מיקום הזרבובית וסוג המערכת הנדרש עבור תצורת התקנה נתונה.

שיקולים ספציפיים ליישום

כלי רכב חשמליים ומבני חניה: אימוץ כלי רכב חשמליים מואץ ברחבי העולם, ועמו מגיע האתגר של הגנה על מבני חניה המכילים כלי רכב עם סוללות ליתיום-יון גדולות. נתוני מחקר מראים באופן עקבי כי מבני חניה המוגנים על ידי מתזים הצליחו להכיל שריפות של כלי רכב חשמליים לאזור השריפה המיידי. בארה"ב, NFPA 13 העלה את סיווג התפוסה המומלץ לחניונים לקבוצת סיכון רגילה 2, ו-NFPA 88A דורש כעת מתזים בכל מבני החניה, כולל חניונים פתוחים שהיו פטורים בעבר. הערכות מחודשות דומות של קריטריוני ההגנה על מבני חניה נמצאות בעיצומן בשווקים בינלאומיים רבים.

מכשירי מיקרו-ניידות: אופניים חשמליים, קורקינטים, הוברבורדים ומכשירים דומים מייצגים חשיפה מגורים הולכת וגדלה במהירות ברחבי העולם. מכשירים אלה נטענים לעתים קרובות ביציאות ובחללי מגורים, לעתים קרובות עם סוללות פגומות או לא מאושרות. דפוס התקריות אינו ייחודי לארה"ב; שירותי כיבוי אש ברחבי אירופה, אסיה ואוסטרליה דיווחו על מגמות דומות ככל שאימוץ הניידות המיקרו הואץ, מה שהוביל לתשומת לב רגולטורית במספר תחומי שיפוט.

אחסון סוללות בכמות גדולה: בהיעדר הנחיות מרשם מתקני התקנה כמו NFPA 13, גיליון נתונים 7-112 של FM הוא ההפניה המפורטת ביותר שקיים. אנשי מקצוע העוסקים בעבודות מחסן או מרכז הפצה הכוללות מוצרי אלקטרוניקה צרכניים, מודולי סוללות או מוצרים מוגמרים המופעלים על ידי סוללות חייבים להיות מוכנים להתמודד עם דרישות FM או לפתח עיצוב מבוסס ביצועים עם תמיכה בבדיקות בקנה מידה מלא.

השורה התחתונה עבור מתרגלים

הגנה על סוללות ליתיום-יון אינה התמחות נישתית - היא הופכת במהירות ליכולת ליבה עבור אנשי מקצוע בתחום כיבוי אש כמעט בכל פלח שוק ובכל אזור בעולם. התקנים והתקנים מתפתחים באופן פעיל, והפער בין מה שהטכנולוגיה דורשת לבין מה שמספקים הקריטריונים כיום נותר משמעותי. על אנשי מקצוע לגשת לפרויקטים אלה מתוך הבנה שייתכן שפתרונות מרשם אינם זמינים עבור תצורה נתונה, שכימיה ו-SOC הם תשומות לתכנון חומרים, וכי נתוני בדיקה בקנה מידה גדול - בין אם מדוחות UL 9540A או ממתודולוגיות מקבילות - יהיו לעתים קרובות הגורם המכריע ביצירת תכנון מערכת מקובל. עבור אנשי מקצוע העובדים במספר תחומי שיפוט, בניית שליטה הן במסגרות שמקורן בארה"ב והן בפעילות התקנים המתפתחת בשווקים שלהם תהיה חיונית. ארגון IFSA קיים כדי לחבר אנשי מקצוע בתחום מתזים לכיבוי אש מעבר לגבולות ולקדם את המדע והפרקטיקה של הגנה מפני מתזים לכיבוי אש ברחבי העולם. ככל שטכנולוגיית סוללות ליתיום-יון ממשיכה לעצב מחדש את נוף הסיכונים בכל שוק שאנו משרתים, שמירה על צעד אחד קדימה בקטגוריית סיכונים זו היא חלק בלתי נפרד מהמשימה המשותפת שלנו.