Rynek akumulatorów litowo-jonowych (Li-Ion) rozwija się w tempie, które wciąż wyprzedza rozwój przepisów i norm mających go regulować. Od domowych rowerów elektrycznych po przemysłowe systemy magazynowania energii (BESS), technologia litowo-jonowa jest obecnie obecna w praktycznie każdym sektorze budownictwa – na każdym kontynencie i w każdej jurysdykcji. Dla specjalistów i wykonawców zajmujących się ochroną przeciwpożarową na całym świecie, ta proliferacja stworzyła dynamicznie rozwijający się i wymagający technicznie zestaw wyzwań projektowych, które wymagają dogłębnej znajomości zarówno podstawowych zagadnień naukowych dotyczących zagrożeń, jak i aktualnego stanu wymagań normatywnych i opartych na wydajności. Chociaż przywołane przepisy i normy odzwierciedlają amerykańskie regulacje prawne, to podstawowe zagadnienia naukowe dotyczące zagrożeń, zasady projektowania i protokoły testowe mają zastosowanie globalne i są coraz częściej stosowane przez organy o jurysdykcji na całym świecie.

Główne zagrożenie: Ucieczka termiczna

Przed przystąpieniem do analizy kryteriów projektowych, konieczne jest zrozumienie, co zasadniczo odróżnia akumulatory litowo-jonowe od konwencjonalnych zagrożeń pożarowych. Głównym zagrożeniem jest niekontrolowany wzrost temperatury – zdefiniowany w normie NFPA 855 jako stan, w którym ogniwo elektrochemiczne podnosi swoją temperaturę poprzez samonagrzewanie w sposób niekontrolowany, co może prowadzić do wydzielania gazów, pożaru lub wybuchu.

W przeciwieństwie do tradycyjnego pożaru klasy B lub C, niekontrolowany wzrost temperatury jest wewnętrznym zjawiskiem elektrochemicznym. Po zainicjowaniu, nie można go zatrzymać za pomocą systemu tłumienia. Czworościan pożaru nie działa bezpośrednio; usunięcie tlenu z atmosfery nie zatrzymuje niekontrolowanego wzrostu temperatury — zapobiega jedynie zapłonowi uwalnianych gazów palnych, które mogą następnie kumulować się do stężeń deflagracyjnych. Jest to kluczowy czynnik projektowy, który natychmiast dyskwalifikuje niektóre technologie tłumienia, zwłaszcza te, które pozbawiają komorę spalania tlenu.

Ucieczka termiczna może zostać wywołana przez przeciążenie termiczne (przegrzanie lub utratę chłodzenia), przeciążenie elektryczne (przeładowanie lub nadmierne rozładowanie) lub fizyczne uszkodzenie ogniwa. Gdy pojedyncze ogniwo wejdzie w stan ucieczki termicznej, rozprzestrzenianie się na sąsiednie ogniwa jest wysoce prawdopodobne, chyba że zastosowano odpowiednią separację lub aktywne chłodzenie.

Praktyczne implikacje dla projektowania tryskaczy: celem systemu tryskaczowego chroniącego akumulatory litowo-jonowe nie jest samo ugaszenie zjawiska niekontrolowanego wzrostu temperatury, lecz jego powstrzymanie. System musi wystarczająco chłodzić sąsiednie ogniwa, aby ograniczyć rozprzestrzenianie się na regał, półkę lub pojazd, w którym nastąpiło zdarzenie. Zasada ta obowiązuje niezależnie od tego, jakie krajowe lub regionalne przepisy regulują dany projekt.

Chemia baterii i stan naładowania mają znaczenie

Nie wszystkie akumulatory litowo-jonowe charakteryzują się tym samym profilem zagrożenia. Skład chemiczny materiału katody znacząco wpływa zarówno na gęstość energii, jak i na stopień niekontrolowanego wzrostu temperatury. Do popularnych związków chemicznych należą m.in. litowo-niklowo-manganowo-kobaltowy tlenek (NMC), litowo-żelazowo-fosforan (LFP), litowo-niklowo-kobaltowo-glinowy tlenek (NCA) oraz litowo-kobaltowy tlenek (LCO).

Badania przeprowadzone przez Sandia National Laboratories pokazują, że o ile większa zmagazynowana energia koreluje z wyższą całkowitą entalpią niekontrolowanego przepływu ciepła, o tyle akumulatory o wyższej energii właściwej uwalniają tę energię szybciej i z większą maksymalną szybkością uwalniania ciepła. Chemia akumulatorów NMC i NCA charakteryzuje się wyższą gęstością energii niż LFP, ale powoduje poważniejsze zjawiska niekontrolowanego przepływu ciepła. Skład chemiczny akumulatora w danej instalacji ma bezpośredni wpływ na odpowiednie kryteria ochrony — specjaliści nie powinni zakładać uniwersalnego podejścia, niezależnie od jurysdykcji. Równie istotny jest stan naładowania (SOC). Ogniwo o 100% SOC ulegnie znacznie gwałtowniejszemu rozchwianiu termicznemu niż identyczne ogniwo o 30% SOC, z mierzalnie wyższymi temperaturami szczytowymi, szybkościami nagrzewania szczytowego i entalpią rozchwiania. Progi SOC – zazwyczaj 60% – są stosowane w kilku systemach, w tym w arkuszach danych FM Global, do definiowania klasyfikacji materiałów magazynowych i określania odpowiednich kryteriów projektowych. Zrozumienie operacyjnego SOC danej instalacji jest zatem czynnikiem wpływającym na projekt materiałowy, a nie kwestią drugorzędną.

Krajobraz regulacyjny: skąd biorą się wymagania?

W przeciwieństwie do większości zagrożeń związanych z towarami, nie istnieje jeden globalny dokument normatywny obejmujący akumulatory litowo-jonowe we wszystkich zastosowaniach. Nawet w ramach systemu amerykańskiego kryteria projektowe muszą pochodzić z wielu pokrywających się źródeł, w zależności od konkretnego przypadku użycia. Na arenie międzynarodowej sytuacja jest jeszcze bardziej zróżnicowana, choć organy regulacyjne i organy mające jurysdykcję poza Ameryką Północną coraz częściej powołują się na podstawowe protokoły testowe – zwłaszcza UL 9540A. Norma NFPA 13 wyraźnie wyklucza akumulatory litowo-jonowe ze swojego zakresu w projektowaniu systemów zraszaczy. Wymagania dotyczące instalacji nadal obowiązują, ale gęstość i powierzchnia projektowa muszą zostać pozyskane z innych źródeł. Norma NFPA 855 to główna norma amerykańska dla stacjonarnych systemów magazynowania energii. W przypadku zgodnych z normą instalacji komercyjnych wewnątrz budynków – gdzie grupy ESS nie przekraczają 50 kWh każda, oddzielone co najmniej 3 stopami – zalecana gęstość tryskaczy wynosi 0,3 galona na minutę na stopę kwadratową (gpm) na powierzchni 2500 stóp kwadratowych (237 m²). Budynki nieprzeznaczone do użytku specjalnego mają limit 600 kWh na strefę pożarową; budynki przeznaczone do użytku specjalnego nie mają takiego limitu energetycznego, pod warunkiem zachowania odpowiednich zabezpieczeń przeciwpożarowych i ograniczeń dotyczących liczby osób przebywających w pomieszczeniu. W przypadku gdy układ nie spełnia wymaganych progów normy NFPA 855, wymagane są testy na dużą skalę zgodnie z normą UL 9540A.

Karta danych FM Global 5-33 reguluje instalacje litowo-jonowych systemów BESS o mocy powyżej 20 kWh i określa kryteria lokalizacyjne, które różnią się w zależności od bliskości ekspozycji, liczby dostępnych ścian zewnętrznych oraz składu chemicznego baterii. Instalacje NMC wymagają większych odstępów między przejściami niż instalacje LFP. Po spełnieniu wymagań lokalizacyjnych, gęstość tryskaczy wynosi również 0,3 gal/min/ft² na całym obszarze objętym pożarem, z 45-minutowym czasem dostawy wody dla każdego sąsiedniego, nieoddzielonego stojaka na baterie.

Podstawowym dokumentem referencyjnym dotyczącym magazynowania akumulatorów luzem jest karta danych FM Global 7-112. Zawiera ona klasyfikację towarów na podstawie stanu magazynowego (SOC), wysokości sufitu, wysokości składowania i opakowania. Dane te są następnie uwzględniane w karcie danych FM 8-9 w celu określenia stosownych kryteriów projektowania zraszaczy.

Te pochodzące ze Stanów Zjednoczonych dokumenty są szeroko wykorzystywane na rynkach globalnych — zwłaszcza w przypadku międzynarodowych projektów produkcyjnych, logistycznych i związanych z magazynowaniem energii — co sprawia, że znajomość ich jest istotna również poza Ameryką Północną.

UL 9540A: Ścieżka oparta na wydajności

W przypadku większości instalacji ESS na dużą skalę, metoda preskryptywna nie jest ekonomicznie opłacalna – ograniczenia gęstości energii sprawiają, że koszt w przeliczeniu na metr kwadratowy jest zaporowy. W rezultacie większość projektów komercyjnych opiera się na projektach opartych na wydajności, zweryfikowanych w testach UL 9540A, które zyskały znaczną popularność na arenie międzynarodowej jako wzorcowa metodologia oceny rozprzestrzeniania się pożaru w systemach magazynowania energii w akumulatorach.

UL 9540A to wielopoziomowy protokół testowy z czterema poziomami: ogniwo, moduł, jednostka i instalacja. Każdy poziom poddaje system baterii wymuszonemu zjawisku niekontrolowanego wzrostu temperatury i ocenia, czy rozprzestrzenianie się mieści się w granicach projektowych. Jeśli dany poziom zostanie zaliczony, dalsze testy nie są wymagane. Test na poziomie instalacji – najbardziej istotny dla projektowania systemów ochrony przeciwpożarowej – ocenia skuteczność planowanego układu tłumienia, albo poprzez systemy tryskaczowe o wydajności 0,3 galona na minutę/stopę kwadratową (metoda 1), albo poprzez alternatywny plan ochrony przeciwpożarowej (metoda 2). Wykonawcy i projektanci zaangażowani w projekty ESS na całym świecie powinni znać wyniki normy UL 9540A, ponieważ raporty z testów przeprowadzanych przez producentów często określają stosowne kryteria projektowania zraszaczy, rozmieszczenie dysz i typ systemu wymagany dla danej konfiguracji instalacji.

Zagadnienia specyficzne dla aplikacji

Pojazdy elektryczne i parkingi: Popularność pojazdów elektrycznych przyspiesza na całym świecie, a wraz z nią pojawia się wyzwanie ochrony parkingów, w których znajdują się pojazdy z wielkoformatowymi akumulatorami litowo-jonowymi. Dane badawcze konsekwentnie pokazują, że parkingi zabezpieczone tryskaczami skutecznie ograniczają rozprzestrzenianie się pożarów pojazdów elektrycznych do bezpośredniego obszaru pożaru. W Stanach Zjednoczonych norma NFPA 13 podniosła zalecaną klasyfikację zajętości parkingów do grupy 2 zagrożenia zwyczajnego, a norma NFPA 88A wymaga obecnie stosowania tryskaczów we wszystkich parkingach, w tym w garażach otwartych, które wcześniej były zwolnione z tego obowiązku. Podobne ponowne oceny kryteriów ochrony parkingów są prowadzone na wielu rynkach międzynarodowych.

Urządzenia mikromobilności: Rowery elektryczne, hulajnogi, hoverboardy i podobne urządzenia stanowią szybko rosnący problem w domach na całym świecie. Urządzenia te są często ładowane na drogach ewakuacyjnych i w pomieszczeniach mieszkalnych, często z uszkodzonymi lub niecertyfikowanymi akumulatorami. Ten schemat incydentów nie jest wyjątkowy tylko w Stanach Zjednoczonych; straż pożarna w Europie, Azji i Australazji odnotowała podobne trendy wraz z przyspieszeniem wdrażania mikromobilności, co zwróciło uwagę organów regulacyjnych w wielu jurysdykcjach.

Przechowywanie baterii luzem: W związku z brakiem szczegółowych wytycznych w normach instalacyjnych, takich jak NFPA 13, najbardziej szczegółowym dostępnym dokumentem jest karta katalogowa FM 7-112. Specjaliści pracujący w magazynach lub centrach dystrybucyjnych, zajmujący się elektroniką użytkową, modułami akumulatorowymi lub gotowymi produktami zasilanymi akumulatorami, muszą być przygotowani na spełnienie wymagań FM lub opracowanie projektu opartego na wydajności z pełnym wsparciem testowym.

Podsumowanie dla praktyków

Ochrona akumulatorów litowo-jonowych nie jest niszową specjalnością — szybko staje się kluczową kompetencją specjalistów ds. ochrony przeciwpożarowej w praktycznie każdym segmencie rynku i regionie świata. Przepisy i normy dynamicznie ewoluują, a luka między wymaganiami technologii a obecnymi kryteriami normatywnymi pozostaje znacząca. Praktycy powinni podchodzić do tych projektów ze świadomością, że rozwiązania preskryptywne mogą być niedostępne dla danej konfiguracji, że skład chemiczny i stan SOC są danymi wejściowymi do projektu materiałowego, a dane z testów na dużą skalę – pochodzące z raportów UL 9540A lub równoważnych metodologii – często będą czynnikiem decydującym o ustaleniu akceptowalnego projektu systemu. Dla specjalistów pracujących w wielu jurysdykcjach, kluczowe będzie wypracowanie płynnej znajomości zarówno ram obowiązujących w USA, jak i nowych standardów na własnych rynkach. IFSA istnieje po to, by łączyć specjalistów od tryskaczy przeciwpożarowych z różnych krajów i rozwijać naukę oraz praktykę w zakresie ochrony przeciwpożarowej za pomocą tryskaczy na całym świecie. Ponieważ technologia akumulatorów litowo-jonowych nieustannie zmienia krajobraz ryzyka na każdym obsługiwanym przez nas rynku, pozostawanie o krok przed konkurencją w tej klasie zagrożeń jest wpisane w naszą wspólną misję.