Il mercato delle batterie agli ioni di litio (Li-Ion) si sta espandendo a un ritmo che continua a superare lo sviluppo dei codici e degli standard progettati per regolarlo. Dalle e-bike residenziali ai sistemi di accumulo di energia a batteria (BESS) su larga scala, la tecnologia agli ioni di litio è ormai integrata praticamente in ogni settore dell'ambiente costruito, in ogni continente e giurisdizione. Per i professionisti e gli appaltatori della protezione antincendio in tutto il mondo, questa proliferazione ha creato una serie di sfide progettuali in rapida evoluzione e tecnicamente impegnative, che richiedono una solida comprensione sia della scienza del rischio alla base di tale sviluppo sia dello stato attuale dei requisiti prescrittivi e basati sulle prestazioni. Mentre i codici e gli standard di riferimento riflettono il contesto normativo statunitense, la scienza del rischio alla base di tale sviluppo, i principi di progettazione e i protocolli di prova sono applicabili a livello globale e vengono sempre più spesso citati dalle autorità competenti in tutto il mondo.

Il pericolo principale: l'instabilità termica

Prima di affrontare i criteri di progettazione, è fondamentale comprendere cosa distingue fondamentalmente le batterie agli ioni di litio dai rischi di incendio convenzionali. Il rischio principale è la fuga termica, definita dalla norma NFPA 855 come la condizione in cui una cella elettrochimica aumenta la propria temperatura per autoriscaldamento in modo incontrollabile, con conseguente potenziale rilascio di gas, incendio o esplosione.

A differenza di un incendio tradizionale di classe B o C, la fuga termica è un evento elettrochimico interno. Una volta innescata, non può essere arrestata da un sistema di soppressione. Il tetraedro del fuoco non si applica direttamente; la rimozione dell'ossigeno dall'atmosfera non arresta la fuga termica, ma impedisce semplicemente l'accensione dei gas combustibili rilasciati, che possono poi accumularsi fino a raggiungere concentrazioni di deflagrazione. Questa è una considerazione progettuale critica che esclude immediatamente alcune tecnologie di soppressione, in particolare quelle che privano un compartimento di ossigeno.

L'instabilità termica può essere innescata da un uso improprio del sistema termico (surriscaldamento o mancanza di raffreddamento), da un uso improprio del sistema elettrico (sovraccarico o scarica eccessiva) o da danni fisici alla cella. Una volta che una singola cella entra in instabilità termica, la propagazione alle celle adiacenti è altamente probabile, a meno che non vi sia un'adeguata separazione o un sistema di raffreddamento attivo.

L'implicazione pratica per la progettazione degli sprinkler: l'obiettivo di un sistema antincendio a sprinkler per la protezione delle batterie agli ioni di litio non è l'estinzione dell'evento di fuga termica in sé, bensì il suo contenimento. Il sistema deve raffreddare le celle adiacenti a sufficienza per limitare la propagazione dell'incendio al rack, allo scaffale o al veicolo in cui si è originato. Questo principio rimane valido indipendentemente dal quadro normativo nazionale o regionale che disciplina il progetto.

La chimica della batteria e lo stato di carica sono importanti

Non tutte le batterie agli ioni di litio presentano lo stesso profilo di rischio. La composizione chimica del materiale del catodo influisce significativamente sia sulla densità energetica che sulla gravità dell'instabilità termica incontrollata. Tra le composizioni chimiche più comuni si annoverano l'ossido di litio nichel manganese cobalto (NMC), il fosfato di litio ferro (LFP), l'ossido di litio nichel cobalto alluminio (NCA) e l'ossido di litio cobalto (LCO), tra gli altri.

Una ricerca dei Sandia National Laboratories dimostra che, sebbene una maggiore energia immagazzinata sia correlata a una maggiore entalpia totale di fuga termica, le batterie con una maggiore energia specifica rilasciano tale energia più rapidamente e a velocità di picco di rilascio di calore più elevate. Le chimiche NMC e NCA presentano una densità energetica superiore rispetto alle LFP, ma producono eventi di fuga termica più gravi. La chimica della batteria presente in un determinato impianto influenza direttamente i criteri di protezione appropriati: i professionisti non dovrebbero adottare un approccio standardizzato, indipendentemente dalla giurisdizione. Lo stato di carica (SOC) è altrettanto rilevante. Una cella al 100% di SOC subirà una reazione termica incontrollata significativamente più violenta rispetto a una cella identica al 30% di SOC, con temperature di picco, velocità di riscaldamento di picco ed entalpia di reazione termica notevolmente superiori. Le soglie di SOC, tipicamente pari al 60%, vengono utilizzate in diversi contesti, tra cui le schede tecniche di FM Global, per definire le classificazioni dei prodotti di accumulo e determinare i criteri di progettazione applicabili. Comprendere lo stato di carica operativo di un determinato impianto è quindi un elemento fondamentale per la progettazione, non una considerazione secondaria.

Il panorama normativo: da dove provengono i requisiti?

A differenza della maggior parte dei rischi legati alle materie prime, non esiste un unico documento normativo globale che disciplini le batterie agli ioni di litio in tutte le applicazioni. Persino all'interno del quadro normativo statunitense, i criteri di progettazione devono essere ricavati da molteplici fonti sovrapposte a seconda del caso d'uso specifico. A livello internazionale, il quadro è ancora più variegato, sebbene i protocolli di test di base, in particolare lo standard UL 9540A, siano sempre più spesso citati dagli enti regolatori e dalle autorità con giurisdizione al di fuori del Nord America. La norma NFPA 13 esclude esplicitamente le batterie agli ioni di litio dal suo ambito di applicazione ai fini della progettazione degli impianti sprinkler. I requisiti di installazione rimangono validi, ma le densità e le aree di progetto devono essere determinate altrove. La norma NFPA 855 è lo standard principale statunitense per i sistemi di accumulo di energia stazionari. Per le installazioni commerciali interne conformi, in cui i gruppi di accumulo di energia non superano i 50 kWh ciascuno, con una distanza di almeno 90 cm tra di loro, la densità di sprinkler prescritta è di 0,3 gpm/sqft su 2.500 piedi quadrati. Gli edifici non adibiti a uso specifico hanno un limite massimo di 600 kWh per area antincendio; gli edifici adibiti a uso specifico non hanno tale limite energetico, a condizione che vengano mantenute adeguate distanze di sicurezza antincendio e restrizioni di occupazione. Qualora un sistema non soddisfi le soglie prescritte dalla norma NFPA 855, sono necessari test su larga scala secondo la norma UL 9540A.

La scheda tecnica FM Global 5-33 disciplina gli impianti BESS agli ioni di litio superiori a 20 kWh e specifica criteri basati sulla posizione che variano in base alla vicinanza a fonti di rischio, al numero di pareti esterne accessibili e alla composizione chimica delle batterie. Gli impianti NMC richiedono una maggiore separazione tra i corridoi rispetto agli impianti LFP. Quando i requisiti di posizione sono soddisfatti, la densità degli sprinkler è di 0,3 gpm/ft² sull'intera area interessata dall'incendio, con una durata di erogazione dell'acqua di 45 minuti per ogni rack di batterie adiacente non separato.

La scheda tecnica FM Global 7-112 è il riferimento principale per lo stoccaggio di batterie sfuse, fornendo classificazioni delle merci in base allo stato di carica (SOC), all'altezza del soffitto, all'altezza di stoccaggio e all'imballaggio, che confluiscono nella scheda tecnica FM 8-9 per i criteri di progettazione degli impianti antincendio a sprinkler applicabili.

Questi documenti di origine statunitense sono ampiamente consultati nei mercati globali, in particolare per progetti multinazionali di produzione, logistica e stoccaggio energetico, rendendo la loro conoscenza professionalmente rilevante ben oltre il Nord America.

UL 9540A: Il percorso basato sulle prestazioni

Per la maggior parte degli impianti ESS su larga scala, il percorso prescrittivo non è economicamente sostenibile: i limiti di densità energetica rendono il costo per metro quadro proibitivo. Di conseguenza, la maggior parte dei progetti commerciali prevede una progettazione basata sulle prestazioni, convalidata tramite test UL 9540A, un protocollo che ha acquisito notevole rilevanza internazionale come metodologia di riferimento per la valutazione della propagazione di incendi per effetto Joule termico nei sistemi di accumulo di energia a batteria.

UL 9540A è un protocollo di test a più livelli con quattro livelli: Cella, Modulo, Unità e Installazione. Ogni livello sottopone il sistema di batterie a un evento di fuga termica forzata e valuta se la propagazione è contenuta entro i limiti di progetto. Se un determinato livello viene superato, non sono necessari ulteriori test. Il test a livello di installazione, il più rilevante per la progettazione del sistema di protezione antincendio, valuta l'efficacia del sistema di soppressione previsto, sia tramite sistemi sprinkler progettati a 0,3 gpm/sqft (Metodo 1) sia tramite un piano di protezione antincendio alternativo (Metodo 2). Gli appaltatori e i progettisti coinvolti in progetti ESS in qualsiasi parte del mondo dovrebbero avere familiarità con i risultati della norma UL 9540A, poiché i rapporti di prova dei produttori spesso determinano i criteri di progettazione degli sprinkler applicabili, il posizionamento degli ugelli e il tipo di sistema richiesto per una determinata configurazione di installazione.

Considerazioni specifiche dell'applicazione

Veicoli elettrici e parcheggi multipiano: l'adozione dei veicoli elettrici sta accelerando a livello globale e, di conseguenza, si pone la sfida di proteggere le strutture di parcheggio che ospitano veicoli con batterie agli ioni di litio di grandi dimensioni. I dati di ricerca dimostrano costantemente che le strutture di parcheggio protette da impianti sprinkler hanno contenuto con successo gli incendi di veicoli elettrici all'area immediatamente circostante. Negli Stati Uniti, la norma NFPA 13 ha elevato la classificazione di occupazione raccomandata per i parcheggi multipiano al Gruppo di Rischio Ordinario 2, e la norma NFPA 88A ora richiede l'installazione di sprinkler in tutte le strutture di parcheggio, compresi i garage aperti precedentemente esenti. Simili rivalutazioni dei criteri di protezione delle strutture di parcheggio sono in corso in diversi mercati internazionali.

Dispositivi di micromobilità: e-bike, monopattini, hoverboard e dispositivi simili rappresentano un rischio in rapida crescita nelle abitazioni di tutto il mondo. Questi dispositivi vengono spesso caricati nei percorsi di evacuazione e negli spazi abitativi, spesso con batterie danneggiate o non certificate. Il fenomeno non è esclusivo degli Stati Uniti; i vigili del fuoco di tutta Europa, Asia e Australasia hanno segnalato tendenze simili con l'accelerazione dell'adozione della micromobilità, attirando l'attenzione degli enti regolatori in diverse giurisdizioni.

Stoccaggio di batterie in grandi quantità: data la quasi totale assenza di linee guida prescrittive negli standard di installazione come la NFPA 13, la scheda tecnica FM 7-112 rappresenta il riferimento più dettagliato disponibile. I professionisti che operano in magazzini o centri di distribuzione che trattano di elettronica di consumo, moduli batteria o prodotti finiti alimentati a batteria devono essere preparati a rispettare i requisiti FM o a sviluppare una progettazione basata sulle prestazioni con supporto di test su vasta scala.

In sintesi per i professionisti

La protezione delle batterie agli ioni di litio non è una specializzazione di nicchia, ma sta rapidamente diventando una competenza fondamentale per i professionisti della protezione antincendio in praticamente ogni segmento di mercato e in ogni regione del mondo. Le normative e gli standard sono in continua evoluzione e il divario tra le esigenze tecnologiche e i criteri prescrittivi attualmente in vigore rimane significativo. I professionisti dovrebbero affrontare questi progetti con la consapevolezza che per una data configurazione potrebbero non essere disponibili soluzioni prescrittive, che la chimica e lo stato di carica (SOC) sono elementi di input per la progettazione dei materiali e che i dati di test su larga scala, sia derivanti da report UL 9540A che da metodologie equivalenti, saranno spesso il fattore determinante per stabilire una progettazione di sistema accettabile. Per i professionisti che operano in diverse giurisdizioni, sarà essenziale acquisire familiarità sia con i framework di origine statunitense sia con le nuove normative emergenti nei propri mercati. L'IFSA esiste per mettere in contatto i professionisti degli impianti antincendio a sprinkler a livello internazionale e promuovere la scienza e la pratica della protezione antincendio a sprinkler in tutto il mondo. Poiché la tecnologia delle batterie agli ioni di litio continua a ridefinire il panorama dei rischi in ogni mercato in cui operiamo, rimanere all'avanguardia in questo ambito è parte integrante della nostra missione collettiva.