Рынок литий-ионных (Li-Ion) батарей расширяется темпами, которые продолжают опережать разработку норм и стандартов, регулирующих этот рынок. От бытовых электровелосипедов до крупномасштабных систем хранения энергии (BESS) — технология Li-Ion теперь внедрена практически во все секторы строительной отрасли — на всех континентах и во всех юрисдикциях. Для специалистов и подрядчиков по противопожарной защите во всем мире это распространение создало быстро меняющийся и технически сложный набор проектных задач, требующих твердого понимания как основополагающей науки об опасности, так и текущего состояния предписывающих и основанных на эксплуатационных характеристиках требований. Хотя упомянутые нормы и стандарты отражают нормативно-правовую среду США, лежащие в их основе научные принципы опасности, принципы проектирования и протоколы испытаний применимы во всем мире и все чаще используются органами власти, обладающими юрисдикцией по всему миру.

Основная опасность: тепловой разгон

Прежде чем рассматривать критерии проектирования, важно понять, что принципиально отличает литий-ионные батареи от обычных источников пожарной опасности. Основной риск — это тепловой разгон, определяемый стандартом NFPA 855 как состояние, при котором электрохимическая ячейка повышает свою температуру за счет самонагрева неконтролируемым образом, что потенциально может привести к выделению газов, пожару или взрыву.

В отличие от традиционных пожаров класса B или C, тепловой разгон — это внутреннее электрохимическое явление. После начала он не может быть остановлен системой пожаротушения. Тетраэдр пожара здесь неприменим; удаление кислорода из атмосферы не останавливает тепловой разгон — он лишь предотвращает воспламенение выделяющихся горючих газов, которые затем могут накапливаться до концентраций, вызывающих дефлаграцию. Это критически важный конструктивный момент, который сразу же исключает некоторые технологии пожаротушения, особенно те, которые лишают отсек кислорода.

Тепловой разгон может быть вызван неправильным использованием тепла (перегрев или потеря охлаждения), неправильным использованием электричества (перезарядка или переразрядка) или физическим повреждением элемента. Как только один элемент переходит в состояние теплового разгона, распространение на соседние элементы весьма вероятно, если не обеспечено надлежащее разделение или активное охлаждение.

Практическое значение для проектирования спринклерных систем: цель системы пожаротушения, защищающей литий-ионные батареи, заключается не в тушении самого теплового разгона, а в локализации возгорания. Система должна достаточно охлаждать соседние элементы, чтобы ограничить распространение огня на стеллаж, полку или транспортное средство, где возникло возгорание. Этот принцип справедлив независимо от того, какие национальные или региональные нормативные документы регулируют конкретный проект.

Химия батареи и состояние заряда имеют значение.

Не все литий-ионные батареи имеют одинаковый профиль опасности. Химический состав катодного материала существенно влияет как на плотность энергии, так и на тяжесть теплового разгона. К распространенным химическим составам относятся оксид лития-никеля-марганца-кобальта (NMC), фосфат лития-железа (LFP), оксид лития-никеля-кобальта-алюминия (NCA) и оксид лития-кобальта (LCO), а также другие.

Исследования, проведенные в Национальных лабораториях Сандиа, показывают, что, хотя большая накопленная энергия коррелирует с большей общей энтальпией теплового разгона, батареи с более высокой удельной энергией высвобождают эту энергию быстрее и с большей пиковой скоростью выделения тепла. Химический состав NMC и NCA обладает более высокой плотностью энергии, чем LFP, но вызывает более серьезные случаи теплового разгона. Химический состав батареи, используемый в конкретной установке, напрямую влияет на соответствующие критерии защиты — специалистам не следует придерживаться универсального подхода, независимо от юрисдикции. Уровень заряда (SOC) также имеет важное значение. Ячейка со 100% SOC будет подвергаться значительно более сильному тепловому разгону, чем идентичная ячейка с 30% SOC, с заметно более высокими пиковыми температурами, пиковыми скоростями нагрева и энтальпией разгона. Пороговые значения SOC — обычно 60% — используются в нескольких системах, включая технические характеристики FM Global, для определения классификации типов накопителей энергии и определения применимых критериев проектирования. Таким образом, понимание рабочего уровня заряда конкретной установки является важным фактором проектирования, а не второстепенным соображением.

Нормативно-правовая база: откуда берутся требования?

В отличие от большинства рисков, связанных с производством товаров массового потребления, не существует единого глобального нормативного документа, охватывающего все области применения литий-ионных батарей. Даже в рамках американской системы критерии проектирования должны основываться на множестве пересекающихся источников в зависимости от конкретного случая использования. На международном уровне ситуация еще более разнообразна, хотя базовые протоколы тестирования — в частности, UL 9540A — все чаще используются регулирующими органами и ведомствами, имеющими юрисдикцию за пределами Северной Америки. Стандарт NFPA 13 прямо исключает литий-ионные батареи из сферы своего применения при проектировании спринклерных систем. Требования к установке остаются в силе, но плотность и площадь размещения батарей должны обеспечиваться за счет других источников. NFPA 855 — это основной американский стандарт для стационарных систем хранения энергии. Для соответствующих требованиям коммерческих помещений, где группы систем хранения энергии не превышают 50 кВт·ч каждая и расположены на расстоянии не менее 3 футов друг от друга, предписанная плотность спринклерного пожаротушения составляет 0,3 галлона в минуту на квадратный фут на площади 2500 квадратных футов. Для зданий, не предназначенных для конкретного назначения, ограничение составляет 600 кВт·ч на пожарную зону; для зданий, предназначенных для конкретного назначения, такое ограничение по энергии отсутствует при условии соблюдения соответствующих противопожарных перегородок и ограничений по количеству людей в помещении. В случаях, когда система не соответствует предписанным NFPA 855 пороговым значениям, требуется проведение крупномасштабных испытаний в соответствии со стандартом UL 9540A.

В руководстве FM Global Data Sheet 5-33 описаны требования к установкам литий-ионных систем хранения энергии (BESS) мощностью более 20 кВт·ч, а также указаны критерии, зависящие от местоположения, количества доступных наружных стен и химического состава батареи. Для установок с NMC-смесью требуется большее расстояние между проходами, чем для установок с LFP-смесью. При соблюдении требований к местоположению плотность спринклерного пожаротушения также составляет 0,3 галлона в минуту на квадратный фут по всей площади пожара, а время подачи воды для каждой прилегающей неразделенной батареи составляет 45 минут.

Технический паспорт FM Global 7-112 является основным справочным материалом по системам хранения энергии в аккумуляторных батареях, содержащим классификацию товаров на основе уровня заряда батареи (SOC), высоты потолка, высоты хранилища и упаковки, которые используются в техническом паспорте FM 8-9 для определения критериев проектирования спринклерных систем.

Эти документы американского происхождения широко используются на мировых рынках, особенно в рамках многонациональных проектов в области производства, логистики и хранения энергии, поэтому знакомство с ними имеет профессиональное значение далеко за пределами Северной Америки.

UL 9540A: Путь, основанный на производительности

Для большинства крупномасштабных установок систем хранения энергии предписанный подход экономически нецелесообразен — ограничения по плотности энергии делают стоимость за квадратный фут непомерно высокой. В результате большинство коммерческих проектов включают в себя проектирование на основе показателей производительности, подтвержденное испытаниями по стандарту UL 9540A, протоколу, получившему значительное международное признание в качестве эталонной методологии для оценки распространения пожара в результате теплового разгона в системах хранения энергии на основе батарей.

UL 9540A — это многоуровневый протокол испытаний, состоящий из четырех уровней: ячейка, модуль, блок и установка. На каждом уровне аккумуляторная система подвергается принудительному тепловому разгону, и оценивается, находится ли распространение огня в пределах проектных параметров. Если данный уровень пройден успешно, дальнейшие испытания не требуются. Испытание на уровне установки — наиболее актуальное для проектирования систем противопожарной защиты — оценивает эффективность предполагаемой системы пожаротушения, либо с помощью спринклерных систем, рассчитанных на расход 0,3 галлона в минуту на квадратный фут (Метод 1), либо с помощью альтернативного плана противопожарной защиты (Метод 2). Подрядчики и проектировщики, участвующие в проектах ESS в любой точке мира, должны быть знакомы с результатами испытаний UL 9540A, поскольку протоколы испытаний производителей часто определяют применимые критерии проектирования спринклерных систем, размещение форсунок и тип системы, необходимые для данной конфигурации установки.

Особенности, специфичные для конкретного приложения

Электромобили и многоуровневые парковки: распространение электромобилей ускоряется во всем мире, и вместе с этим возникает проблема защиты многоуровневых парковок, в которых размещаются транспортные средства с крупногабаритными литий-ионными батареями. Данные исследований неизменно показывают, что парковки, защищенные спринклерными системами, успешно локализуют возгорания электромобилей в непосредственной зоне пожара. В США стандарт NFPA 13 повысил рекомендуемый класс опасности для многоуровневых парковок до обычной группы опасности 2, а стандарт NFPA 88A теперь требует установки спринклерных систем во всех многоуровневых парковках, включая ранее освобожденные от этого требования открытые гаражи. Аналогичные пересмотры критериев защиты многоуровневых парковок проводятся на многих международных рынках.

Устройства микромобильности: электровелосипеды, скутеры, ховерборды и аналогичные устройства представляют собой быстрорастущую категорию товаров для жилых помещений во всем мире. Эти устройства часто заряжаются на путях эвакуации и в жилых помещениях, зачастую с использованием неисправных или несертифицированных аккумуляторных батарей. Такая ситуация не является уникальной для США; пожарные службы Европы, Азии и Австралазии сообщают о схожих тенденциях по мере ускорения внедрения микромобильности, что привлекает внимание регулирующих органов во многих юрисдикциях.

Системы хранения энергии в больших объемах: Поскольку в стандартах по установке, таких как NFPA 13, практически отсутствуют четкие указания, технический паспорт FM 7-112 является наиболее подробным доступным справочным материалом. Специалисты, работающие на складах или в распределительных центрах с бытовой электроникой, аккумуляторными модулями или готовой продукцией, работающей от батарей, должны быть готовы учитывать требования FM или разработать проект, основанный на эксплуатационных характеристиках, с поддержкой полномасштабных испытаний.

Итог для практикующих специалистов

Защита литий-ионных батарей — это не узкоспециализированная область, а быстро становящаяся ключевой компетенцией для специалистов по пожарной безопасности практически во всех сегментах рынка и регионах мира. Нормативы и стандарты активно развиваются, и разрыв между требованиями технологий и существующими предписанными критериями остается значительным. Специалистам следует подходить к этим проектам с пониманием того, что для данной конфигурации могут отсутствовать готовые решения, что химический состав и уровень SOC являются исходными данными для проектирования материалов, и что данные крупномасштабных испытаний — будь то из отчетов UL 9540A или эквивалентных методик — часто будут определяющим фактором при разработке приемлемого проекта системы. Для специалистов, работающих в разных юрисдикциях, крайне важно хорошо разбираться как в американских стандартах, так и в новых стандартах, разрабатываемых на их собственных рынках. IFSA существует для того, чтобы объединять специалистов по системам пожаротушения из разных стран и продвигать науку и практику защиты от пожаров с помощью спринклерных систем во всем мире. Поскольку технология литий-ионных батарей продолжает менять ландшафт рисков на каждом рынке, где мы работаем, опережение в борьбе с этим классом опасностей является неотъемлемой частью нашей общей миссии.