A lítium-ion (Li-Ion) akkumulátorok piaca olyan ütemben bővül, amely továbbra is meghaladja az azt szabályozó előírások és szabványok fejlődését. A lakossági elektromos kerékpároktól a közműméretű akkumulátoros energiatároló rendszerekig (BESS) a lítium-ion technológia ma már gyakorlatilag az épített környezet minden szektorába beágyazódott – minden kontinensen és joghatóságban. A tűzvédelmi szakemberek és vállalkozók számára világszerte ez a terjedés gyorsan változó és technikailag igényes tervezési kihívásokat teremtett, amelyek megkövetelik mind az alapul szolgáló veszélytudomány, mind a jelenlegi előíró és teljesítményalapú követelmények alapos ismeretét. Míg a hivatkozott előírások és szabványok az amerikai szabályozási környezetet tükrözik, az alapul szolgáló veszélytudomány, a tervezési elvek és a vizsgálati protokollok globálisan alkalmazhatók, és a világszerte joghatósággal rendelkező hatóságok egyre inkább hivatkoznak rájuk.

A fő veszély: Termikus megfutás

Mielőtt a tervezési kritériumokba belemennénk, fontos megérteni, hogy mi különbözteti alapvetően a lítium-ion akkumulátorokat a hagyományos tűzveszélyektől. Az elsődleges kockázat a hőmegfutás – amelyet az NFPA 855 szabvány úgy határoz meg, mint azt az állapotot, amelyben egy elektrokémiai cella hőmérséklete kontrollálatlan módon megemelkedik az önmelegedés miatt, ami gázképződéshez, tűzhöz vagy robbanáshoz vezethet.

A hagyományos B vagy C osztályú tűzzel ellentétben a termikus megfutás egy belső elektrokémiai esemény. Ha egyszer elkezdődött, egy oltórendszerrel nem lehet megállítani. A tűz tetraéder nem alkalmazható közvetlenül; az oxigén légkörből való eltávolítása nem állítja meg a termikus megfutást – csupán megakadályozza a felszabaduló éghető gázok begyulladását, amelyek ezután deflagrációs koncentrációig felhalmozódhatnak. Ez egy kritikus tervezési szempont, amely azonnal kizár bizonyos oltási technológiákat, különösen azokat, amelyek megvonják egy rekesz oxigénellátását.

A termikus megfutást kiválthatja termikus túlmelegedés (túlmelegedés vagy hűtés elvesztése), elektromos túlterhelés (túltöltés vagy túlkisütés), vagy a cella fizikai károsodása. Amint egyetlen cella termikus megfutásba kerül, a zavar átterjedése a szomszédos cellákra nagy valószínűséggel megfelelő elválasztás vagy aktív hűtés hiányában lehetséges.

A sprinklerrendszerek tervezésének gyakorlati vonatkozása: a lítium-ion akkumulátorokat védő tűzoltó sprinklerrendszer célja nem maga a hőmegfutás eloltása, hanem annak elszigetelése. A rendszernek megfelelően le kell hűtenie a szomszédos cellákat, hogy korlátozza a terjedést arra az állványra, polcra vagy járműre, ahol az esemény keletkezett. Ez az elv attól függetlenül érvényes, hogy melyik nemzeti vagy regionális szabályozási keretrendszer szabályozza az adott projektet.

Akkumulátor kémiája és töltésállapota

Nem minden lítium-ion akkumulátor jelent ugyanolyan veszélyességi profilt. A katód anyagának kémiai összetétele jelentősen befolyásolja mind az energiasűrűséget, mind a hőmegfutás súlyosságát. A gyakori kémiai vegyületek közé tartozik többek között a lítium-nikkel-mangán-kobalt-oxid (NMC), a lítium-vas-foszfát (LFP), a lítium-nikkel-kobalt-alumínium-oxid (NCA) és a lítium-kobalt-oxid (LCO).

A Sandia National Laboratories kutatása azt mutatja, hogy míg a nagyobb tárolt energia nagyobb teljes hőmegfutási entalpiával korrelál, a nagyobb fajlagos energiájú akkumulátorok gyorsabban és nagyobb csúcshő-felszabadulási sebességgel szabadítják fel az energiát. Az NMC és NCA kémiai anyagok nagyobb energiasűrűséggel rendelkeznek, mint az LFP, de súlyosabb hőmegfutási eseményeket okoznak. Az adott telepítésben jelen lévő akkumulátorkémia közvetlenül befolyásolja a megfelelő védelmi kritériumokat – a szakembereknek nem szabad univerzális megközelítést alkalmazniuk, függetlenül a joghatóságtól. A töltöttségi szint (SOC) ugyanilyen fontos. Egy 100%-os SOC-jú cella lényegesen erőszakosabb hőmegfutáson megy keresztül, mint egy azonos, 30%-os SOC-jú cella, mérhetően magasabb csúcshőmérsékletekkel, csúcsfűtési sebességekkel és megfutási entalpiával. A SOC küszöbértékeket – jellemzően 60%-ot – számos keretrendszerben, beleértve az FM Global adatlapjait is, használják a tárolási árucikkek osztályozására és az alkalmazandó tervezési kritériumok meghatározására. Egy adott létesítmény működési SOC-jának megértése ezért anyagtervezési bemenet, nem másodlagos szempont.

A szabályozási környezet: Honnan származnak a követelmények?

A legtöbb árucikkekkel kapcsolatos veszéllyel ellentétben nincs egyetlen globális, előíró dokumentum, amely a lítium-ion akkumulátorokat minden alkalmazásban lefedi. Még az amerikai keretrendszeren belül is a tervezési kritériumokat több, egymást átfedő forrásból kell levonni az adott felhasználási esettől függően. Nemzetközi szinten a kép még változatosabb, bár az alapul szolgáló vizsgálati protokollokra – különösen az UL 9540A-ra – egyre inkább hivatkoznak az Észak-Amerikán túl is joghatósággal rendelkező szabályozó hatóságok és hatóságok. Az NFPA 13 kifejezetten kizárja a lítium-ion akkumulátorokat a sprinklerrendszerek tervezési céljából. A telepítési követelmények továbbra is érvényesek, de a tervezési sűrűséget és területeket máshol kell biztosítani. Az NFPA 855 az elsődleges amerikai szabvány a helyhez kötött energiatároló rendszerekre vonatkozóan. A megfelelő beltéri kereskedelmi telepítések esetében – ahol az ESS csoportok teljesítménye nem haladja meg az 50 kWh-t egyenként, és legalább 90 cm távolságra vannak egymástól – az előírt sprinkler sűrűség 0,3 gpm/négyzetláb 2500 négyzetláb felett. A nem kijelölt rendeltetésű épületek esetében a maximális energiafogyasztás tűzvédelmi területenként 600 kWh-ban van korlátozva; a kijelölt rendeltetésű épületekre nincs ilyen energiakorlát, feltéve, hogy a megfelelő tűzálló elválasztásokat és a használati korlátozásokat betartják. Amennyiben egy elrendezés nem felel meg az NFPA 855 előírásainak, az UL 9540A szabvány szerinti nagyszabású tesztelésre van szükség.

Az FM Global 5-33-as adatlapja a 20 kWh-nál nagyobb teljesítményű lítiumionos BESS telepítéseket szabályozza, és helyalapú kritériumokat határoz meg, amelyek a tűzveszélyességi területekhez való közelség, a hozzáférhető külső falak száma és az akkumulátor kémiai összetétele alapján változnak. Az NMC telepítések nagyobb folyosóelválasztást igényelnek, mint az LFP telepítések. Ha a helymeghatározási követelmények teljesülnek, a sprinkler sűrűsége a teljes tűzterületen 0,3 gpm/ft², minden szomszédos, leválasztatlan akkumulátorállvány 45 perces vízellátási időtartamával.

Az FM Global 7-112-es adatlapja az elsődleges referencia a nagy tételben tárolt akkumulátorok esetében, amely a raktérhő (SOC), a belmagasság, a tárolási magasság és a csomagolás alapján tartalmazza az árucikk-besorolásokat, amelyeket az FM 8-9-es adatlapja tartalmaz az alkalmazandó sprinklerrendszer-tervezési kritériumok tekintetében.

Ezeket az amerikai eredetű dokumentumokat széles körben használják a globális piacokon – különösen a multinacionális gyártási, logisztikai és energiatárolási projektek esetében –, így az ismereteik szakmailag Észak-Amerikán túl is relevánsak.

UL 9540A: A teljesítményalapú út

A legtöbb nagyméretű ESS-létesítmény esetében az előírt eljárás gazdaságilag nem életképes – az energiasűrűség korlátai miatt a négyzetméterenkénti költség tiltóan magas. Ennek eredményeként a kereskedelmi projektek többsége teljesítményalapú tervezést foglal magában, amelyet UL 9540A teszteléssel validáltak, amely protokoll jelentős nemzetközi elismerést szerzett, mint az akkumulátoros energiatároló rendszerekben a hő okozta megfutás okozta tűzterjedés értékelésének referencia módszertana.

Az UL 9540A egy többszintű tesztprotokoll, amely négy szinttel rendelkezik: cella, modul, egység és telepítés. Minden szint kényszerített hőmegfutásnak teszi ki az akkumulátorrendszert, és értékeli, hogy a terjedés a tervezési határokon belül marad-e. Ha egy adott szint megfelel a kritériumoknak, további vizsgálatokra nincs szükség. A telepítési szintű teszt – a tűzvédelmi rendszer tervezése szempontjából legfontosabb – a tervezett oltórendszer hatékonyságát értékeli, akár 0,3 gpm/négyzetlábra tervezett sprinklerrendszereken (1. módszer), akár egy alternatív tűzvédelmi terven (2. módszer) keresztül. Az ESS projektekben részt vevő vállalkozóknak és tervezőknek a világ bármely pontján ismerniük kell az UL 9540A eredményeket, mivel a gyártók vizsgálati jelentései gyakran előírják az adott telepítési konfigurációhoz szükséges sprinkler tervezési kritériumokat, fúvókák elhelyezését és rendszertípust.

Alkalmazásspecifikus szempontok

Elektromos járművek és parkolóépületek: Az elektromos járművek elterjedése világszerte gyorsul, és ezzel együtt jár a nagyméretű lítium-ion akkumulátorcsomagokkal felszerelt járműveknek helyet adó parkolóépületek védelmének kihívása is. A kutatási adatok következetesen azt mutatják, hogy a sprinklerrel védett parkolóépületek sikeresen megfékezték az elektromos járművek tüzét a közvetlen tűzterületen. Az Egyesült Államokban az NFPA 13 a parkolóházak ajánlott kihasználtsági besorolását a 2. rendes veszélyességi csoportba emelte, az NFPA 88A pedig mostantól minden parkolóépületben előírja a sprinklerberendezések használatát, beleértve a korábban mentesített nyitott garázsokat is. A parkolóépületek védelmi kritériumainak hasonló újraértékelése folyamatban van több nemzetközi piacon is.

Mikromobilitási Eszközök: Az elektromos kerékpárok, rollerek, légdeszkák és hasonló eszközök világszerte gyorsan növekvő lakossági igényt képviselnek. Ezeket az eszközöket gyakran menekülőutakon és lakóterekben töltik, gyakran sérült vagy nem tanúsított akkumulátorokkal. Az incidensek mintázata nem egyedülálló az Egyesült Államokban; az európai, ázsiai és ausztrálázsiai tűzoltóságok hasonló trendekről számoltak be, mivel a mikromobilitás elterjedése felgyorsult, ami több joghatóságban is szabályozói figyelmet váltott ki.

Tömeges akkumulátortárolás: Mivel az olyan telepítési szabványokból, mint az NFPA 13, nagyrészt hiányoznak az előíró jellegű útmutatások, az FM 7-112 adatlap a legrészletesebb elérhető referencia. A raktári vagy elosztóközponti munkákkal foglalkozó szakembereknek, akik szórakoztatóelektronikai eszközöket, akkumulátormodulokat vagy kész akkumulátoros termékeket érintenek, fel kell készülniük az FM követelményeinek teljesítésére, vagy teljesítményalapú tervet kell kidolgozniuk teljes körű tesztelési támogatással.

A lényeg a gyakorló szakemberek számára

A lítium-ion akkumulátorok védelme nem réspiaci specialitás – gyorsan a tűzvédelmi szakemberek alapvető kompetenciájává válik gyakorlatilag minden piaci szegmensben és a világ minden régiójában. A szabványok és előírások folyamatosan fejlődnek, és továbbra is jelentős a szakadék a technológiai igények és a jelenlegi előírások között. A szakembereknek tisztában kell lenniük azzal, hogy egy adott konfigurációhoz nem feltétlenül állnak rendelkezésre előíró jellegű megoldások, hogy a kémiai összetétel és a szerves oldószerek (SOC) az anyagtervezés bemenetei, és hogy a nagyméretű tesztelési adatok – legyenek azok UL 9540A jelentésekből vagy azzal egyenértékű módszerekből – gyakran meghatározó tényezők az elfogadható rendszerterv kialakításában. A több joghatóságban dolgozó szakemberek számára elengedhetetlen az amerikai eredetű keretrendszerek és a saját piacaikon megjelenő szabványosítási tevékenység ismerete. Az IFSA célja, hogy határokon átnyúlóan összekapcsolja a tűzoltó sprinklerekkel foglalkozó szakembereket, és globálisan előmozdítsa a tűzoltó sprinklerekkel való védelem tudományát és gyakorlatát. Mivel a lítium-ion akkumulátortechnológia folyamatosan átalakítja a kockázati környezetet minden általunk kiszolgált piacon, közös küldetésünk része, hogy megelőzzük ezt a veszélyességi osztályt.