การจัดการอันตรายจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนด้วยระบบสปริงเกลอร์อัตโนมัติ

ตลาดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (Li-Ion) กำลังขยายตัวอย่างรวดเร็ว ซึ่งเร็วกว่าการพัฒนาของรหัสและมาตรฐานที่ออกแบบมาเพื่อควบคุมตลาดนี้ ตั้งแต่จักรยานไฟฟ้าสำหรับใช้ในบ้านไปจนถึงระบบจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) ขนาดใหญ่ เทคโนโลยี Li-Ion ได้ถูกนำไปใช้ในแทบทุกภาคส่วนของสิ่งก่อสร้างทั่วโลก ไม่ว่าจะเป็นทวีปหรือเขตอำนาจศาล สำหรับผู้เชี่ยวชาญด้านการป้องกันอัคคีภัยและผู้รับเหมาทั่วโลก การแพร่หลายนี้ได้สร้างความท้าทายด้านการออกแบบที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วและมีความต้องการทางเทคนิคสูง ซึ่งต้องอาศัยความเข้าใจอย่างถ่องแท้ทั้งในด้านวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับอันตรายและข้อกำหนดเชิงบังคับและเชิงประสิทธิภาพในปัจจุบัน แม้ว่ารหัสและมาตรฐานที่อ้างถึงจะสะท้อนถึงสภาพแวดล้อมด้านกฎระเบียบของสหรัฐอเมริกา แต่หลักวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับอันตราย หลักการออกแบบ และโปรโตคอลการทดสอบนั้นสามารถนำไปใช้ได้ทั่วโลก และหน่วยงานที่มีอำนาจทั่วโลกต่างก็อ้างอิงถึงมากขึ้นเรื่อยๆ

อันตรายหลัก: การเกิดภาวะความร้อนสูงเกินควบคุม

ก่อนที่จะกล่าวถึงเกณฑ์การออกแบบ จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องเข้าใจสิ่งที่แตกต่างอย่างพื้นฐานระหว่างแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนกับอันตรายจากไฟไหม้แบบดั้งเดิม ความเสี่ยงหลักคือการเกิดภาวะความร้อนสูงเกินควบคุม (thermal runaway) ซึ่งนิยามโดย NFPA 855 ว่าเป็นสภาวะที่เซลล์ไฟฟ้าเคมีมีอุณหภูมิสูงขึ้นเองโดยควบคุมไม่ได้ ซึ่งอาจนำไปสู่การปล่อยก๊าซ ไฟไหม้ หรือการระเบิดได้

แตกต่างจากไฟไหม้ประเภท B หรือ C ทั่วไป การเกิดภาวะความร้อนสูงเกินควบคุม (thermal runaway) เป็นเหตุการณ์ทางเคมีไฟฟ้าภายใน เมื่อเกิดขึ้นแล้ว ระบบดับเพลิงไม่สามารถหยุดได้ หลักการรูปทรงสี่เหลี่ยมพีระมิดของไฟ (fire tetrahedron) ไม่ได้นำมาใช้โดยตรง การกำจัดออกซิเจนออกจากบรรยากาศไม่ได้หยุดการเกิดภาวะความร้อนสูงเกินควบคุม แต่เป็นการป้องกันการติดไฟของก๊าซที่ติดไฟได้ซึ่งถูกปล่อยออกมา ซึ่งอาจสะสมจนถึงระดับความเข้มข้นที่ทำให้เกิดการลุกไหม้ได้ นี่เป็นข้อพิจารณาที่สำคัญในการออกแบบ ซึ่งทำให้เทคโนโลยีการดับเพลิงบางอย่างไม่เหมาะสม โดยเฉพาะอย่างยิ่งเทคโนโลยีที่ทำให้ห้องขาดออกซิเจน

ปรากฏการณ์ความร้อนสูงเกินควบคุม (Thermal runaway) สามารถเกิดขึ้นได้จากการใช้งานที่ไม่เหมาะสมทางความร้อน (เช่น ความร้อนสูงเกินไปหรือการขาดการระบายความร้อน) การใช้งานที่ไม่เหมาะสมทางไฟฟ้า (เช่น การชาร์จมากเกินไปหรือการคายประจุมากเกินไป) หรือความเสียหายทางกายภาพต่อเซลล์ เมื่อเซลล์ใดเซลล์หนึ่งเข้าสู่ภาวะความร้อนสูงเกินควบคุมแล้ว โอกาสที่จะลุกลามไปยังเซลล์ข้างเคียงมีสูงมาก เว้นแต่จะมีการแยกเซลล์ออกจากกันอย่างเหมาะสมหรือมีการระบายความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ

ผลกระทบในทางปฏิบัติสำหรับการออกแบบระบบหัวฉีดดับเพลิง: เป้าหมายของระบบหัวฉีดดับเพลิงที่ปกป้องแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนไม่ใช่การดับไฟที่เกิดจากความร้อนสูงเกินไปโดยตรง แต่เป็นการควบคุมการลุกลาม ระบบต้องทำให้เซลล์ที่อยู่ใกล้เคียงเย็นลงอย่างเพียงพอเพื่อจำกัดการลุกลามไปยังชั้นวาง แผง หรือยานพาหนะที่เกิดเหตุการณ์ขึ้น หลักการนี้ใช้ได้ไม่ว่าโครงการนั้นจะอยู่ภายใต้กรอบกฎหมายระดับชาติหรือระดับภูมิภาคใดก็ตาม

องค์ประกอบทางเคมีของแบตเตอรี่และสถานะการชาร์จมีความสำคัญ

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนไม่ได้มีลักษณะอันตรายเหมือนกันทั้งหมด องค์ประกอบทางเคมีของวัสดุขั้วแคโทดมีผลอย่างมากต่อทั้งความหนาแน่นของพลังงานและความรุนแรงของการเกิดปฏิกิริยาความร้อนสูงเกินไป ส่วนประกอบทางเคมีที่พบได้ทั่วไป ได้แก่ ลิเธียม นิกเกิล แมงกานีส โคบอลต์ ออกไซด์ (NMC), ลิเธียม เหล็ก ฟอสเฟต (LFP), ลิเธียม นิกเกิล โคบอลต์ อะลูมิเนียม ออกไซด์ (NCA) และลิเธียม โคบอลต์ ออกไซด์ (LCO) เป็นต้น

งานวิจัยจากห้องปฏิบัติการแห่งชาติแซนเดียแสดงให้เห็นว่า ในขณะที่พลังงานสะสมที่มากขึ้นมีความสัมพันธ์กับเอนทาลปีความร้อนรวมที่มากขึ้น แบตเตอรี่ที่มีพลังงานจำเพาะสูงกว่าจะปล่อยพลังงานนั้นได้เร็วกว่าและมีอัตราการปล่อยความร้อนสูงสุดที่สูงกว่า เคมีของแบตเตอรี่ชนิด NMC และ NCA มีความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่า LFP แต่ทำให้เกิดเหตุการณ์ความร้อนสูงเกินควบคุมที่รุนแรงกว่า เคมีของแบตเตอรี่ที่มีอยู่ในระบบติดตั้งนั้นส่งผลโดยตรงต่อเกณฑ์การป้องกันที่เหมาะสม — ผู้เชี่ยวชาญไม่ควรใช้แนวทางเดียวที่ใช้ได้กับทุกกรณีโดยไม่คำนึงถึงเขตอำนาจศาล สถานะการชาร์จ (SOC) ก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน เซลล์ที่มี SOC 100% จะเกิดการลัดวงจรความร้อนรุนแรงกว่าเซลล์ชนิดเดียวกันที่มี SOC 30% อย่างเห็นได้ชัด โดยจะมีอุณหภูมิสูงสุด อัตราการเกิดความร้อนสูงสุด และเอนทาลปีของการลัดวงจรที่สูงกว่าอย่างเห็นได้ชัด เกณฑ์ SOC — โดยทั่วไปคือ 60% — ถูกนำมาใช้ในหลายๆ กรอบการทำงาน รวมถึงเอกสารข้อมูลของ FM Global เพื่อกำหนดประเภทของสินค้าจัดเก็บและกำหนดเกณฑ์การออกแบบที่เหมาะสม ดังนั้น การทำความเข้าใจ SOC ในการใช้งานของระบบจัดเก็บจึงเป็นข้อมูลสำคัญในการออกแบบ ไม่ใช่สิ่งที่ต้องพิจารณาเป็นลำดับรอง

ภาพรวมด้านกฎระเบียบ: ข้อกำหนดต่างๆ มาจากไหน?

แตกต่างจากอันตรายจากสินค้าโภคภัณฑ์ส่วนใหญ่ ไม่มีเอกสารกำหนดมาตรฐานสากลฉบับเดียวที่ครอบคลุมแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในทุกการใช้งาน แม้แต่ภายในกรอบการทำงานของสหรัฐอเมริกา เกณฑ์การออกแบบก็ต้องดึงมาจากแหล่งข้อมูลที่ซ้ำซ้อนกันหลายแหล่ง ขึ้นอยู่กับกรณีการใช้งานเฉพาะ ในระดับสากล ภาพรวมยิ่งมีความหลากหลายมากขึ้น แม้ว่าโปรโตคอลการทดสอบพื้นฐาน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง UL 9540A จะถูกอ้างอิงมากขึ้นเรื่อยๆ โดยหน่วยงานกำกับดูแลและหน่วยงานที่มีอำนาจเหนือทวีปอเมริกาเหนือ มาตรฐาน NFPA 13 ระบุไว้อย่างชัดเจนว่าไม่รวมแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนไว้ในขอบเขตของการออกแบบระบบสปริงเกลอร์ ข้อกำหนดในการติดตั้งยังคงใช้ได้ แต่ความหนาแน่นและพื้นที่ในการออกแบบจะต้องหามาจากแหล่งอื่น NFPA 855 เป็นมาตรฐานหลักของสหรัฐอเมริกาสำหรับระบบกักเก็บพลังงานแบบอยู่กับที่ สำหรับการติดตั้งในอาคารพาณิชย์ภายในอาคารที่สอดคล้องกับมาตรฐาน — โดยที่กลุ่ม ESS แต่ละกลุ่มไม่เกิน 50 kWh และเว้นระยะห่างอย่างน้อย 3 ฟุต — ความหนาแน่นของหัวฉีดน้ำดับเพลิงที่กำหนดไว้คือ 0.3 แกลลอนต่อนาทีต่อตารางฟุต ในพื้นที่ 2,500 ตารางฟุต อาคารที่ไม่ได้ใช้งานเฉพาะด้านจะถูกจำกัดพลังงานไว้ที่ 600 kWh ต่อพื้นที่ป้องกันอัคคีภัย อาคารที่ใช้งานเฉพาะด้านไม่มีข้อจำกัดด้านพลังงานดังกล่าว ตราบใดที่มีการแบ่งพื้นที่ป้องกันอัคคีภัยที่เหมาะสมและข้อจำกัดด้านการใช้งาน หากการจัดวางไม่เป็นไปตามเกณฑ์ที่กำหนดของ NFPA 855 จะต้องทำการทดสอบขนาดใหญ่ตามมาตรฐาน UL 9540A

เอกสารข้อมูล FM Global Data Sheet 5-33 ควบคุมการติดตั้งระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ลิเอนไอออน (Li-Ion BESS) ที่มีความจุมากกว่า 20 kWh และระบุเกณฑ์ตามสถานที่ตั้งซึ่งแตกต่างกันไปตามความใกล้ชิดกับแหล่งความร้อน จำนวนผนังภายนอกที่เข้าถึงได้ และชนิดของแบตเตอรี่ การติดตั้งแบบ NMC ต้องการระยะห่างระหว่างทางเดินมากกว่าการติดตั้งแบบ LFP เมื่อตรงตามข้อกำหนดด้านสถานที่ตั้ง ความหนาแน่นของหัวฉีดน้ำดับเพลิงจะอยู่ที่ 0.3 gpm/ft² ทั่วพื้นที่เกิดเพลิงไหม้ โดยมีระยะเวลาการจ่ายน้ำ 45 นาทีสำหรับชั้นวางแบตเตอรี่ที่อยู่ติดกันแต่ละชั้นที่ไม่มีช่องว่างกั้น

เอกสารข้อมูล FM Global Data Sheet 7-112 เป็นเอกสารอ้างอิงหลักสำหรับการจัดเก็บแบตเตอรี่จำนวนมาก โดยให้การจำแนกประเภทสินค้าตามสถานะการชาร์จ (SOC) ความสูงของเพดาน ความสูงในการจัดเก็บ และบรรจุภัณฑ์ ซึ่งนำไปสู่เอกสารข้อมูล FM Data Sheet 8-9 สำหรับเกณฑ์การออกแบบระบบสปริงเกลอร์ที่เกี่ยวข้อง

เอกสารเหล่านี้ซึ่งมีต้นกำเนิดในสหรัฐอเมริกา ได้รับการอ้างอิงอย่างกว้างขวางในตลาดโลก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในโครงการการผลิต การขนส่ง และการจัดเก็บพลังงานข้ามชาติ ทำให้การทำความคุ้นเคยกับเอกสารเหล่านี้มีความสำคัญในเชิงวิชาชีพไปไกลกว่าทวีปอเมริกาเหนือ

UL 9540A: เส้นทางที่เน้นประสิทธิภาพ

สำหรับโครงการติดตั้งระบบกักเก็บพลังงานขนาดใหญ่ส่วนใหญ่ การกำหนดแนวทางตายตัวนั้นไม่คุ้มค่าทางเศรษฐกิจ เนื่องจากข้อจำกัดด้านความหนาแน่นของพลังงานทำให้ต้นทุนต่อตารางฟุตสูงเกินไป ดังนั้น โครงการเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่จึงใช้การออกแบบตามประสิทธิภาพที่ได้รับการตรวจสอบโดยผ่านการทดสอบตามมาตรฐาน UL 9540A ซึ่งเป็นมาตรฐานที่ได้รับการยอมรับในระดับสากลสำหรับการประเมินการลุกลามของไฟจากการเกิดภาวะความร้อนสูงเกินในระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่

UL 9540A เป็นโปรโตคอลการทดสอบแบบแบ่งระดับ 4 ระดับ ได้แก่ ระดับเซลล์ ระดับโมดูล ระดับยูนิต และระดับการติดตั้ง แต่ละระดับจะทดสอบระบบแบตเตอรี่ด้วยเหตุการณ์ความร้อนสูงเกินควบคุม และประเมินว่าการลุกลามของความร้อนนั้นอยู่ภายในขอบเขตที่ออกแบบไว้หรือไม่ หากผ่านการทดสอบในระดับใดระดับหนึ่งแล้ว ก็ไม่จำเป็นต้องมีการทดสอบเพิ่มเติม การทดสอบระดับการติดตั้ง ซึ่งมีความเกี่ยวข้องมากที่สุดกับการออกแบบระบบป้องกันอัคคีภัย จะประเมินประสิทธิภาพของระบบดับเพลิงที่วางแผนไว้ ไม่ว่าจะเป็นระบบสปริงเกลอร์ที่ออกแบบไว้ที่ 0.3 แกลลอนต่อนาทีต่อตารางฟุต (วิธีที่ 1) หรือแผนป้องกันอัคคีภัยทางเลือกอื่น (วิธีที่ 2) ผู้รับเหมาและนักออกแบบที่เกี่ยวข้องกับโครงการ ESS ในทุกที่ทั่วโลกควรมีความคุ้นเคยกับผลการทดสอบ UL 9540A เนื่องจากรายงานการทดสอบของผู้ผลิตมักจะกำหนดเกณฑ์การออกแบบหัวฉีดน้ำดับเพลิง ตำแหน่งการติดตั้งหัวฉีด และประเภทของระบบที่จำเป็นสำหรับการกำหนดค่าการติดตั้งที่กำหนด

ข้อควรพิจารณาเฉพาะสำหรับการใช้งานแต่ละประเภท

รถยนต์ไฟฟ้าและอาคารจอดรถ: การใช้งานรถยนต์ไฟฟ้ากำลังเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วทั่วโลก และมาพร้อมกับความท้าทายในการปกป้องอาคารจอดรถที่จอดรถยนต์ที่มีแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนขนาดใหญ่ ข้อมูลจากการวิจัยแสดงให้เห็นอย่างสม่ำเสมอว่าอาคารจอดรถที่มีระบบดับเพลิงอัตโนมัติสามารถควบคุมเพลิงไหม้รถยนต์ไฟฟ้าให้อยู่ในบริเวณที่เกิดเพลิงไหม้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในสหรัฐอเมริกา มาตรฐาน NFPA 13 ได้ยกระดับการจำแนกประเภทการใช้งานที่แนะนำสำหรับอาคารจอดรถเป็นกลุ่มอันตรายระดับ 2 (Ordinary Hazard Group 2) และมาตรฐาน NFPA 88A กำหนดให้ต้องติดตั้งระบบดับเพลิงอัตโนมัติในอาคารจอดรถทุกแห่ง รวมถึงอาคารจอดรถแบบเปิดโล่งที่เคยได้รับการยกเว้นก่อนหน้านี้ การประเมินเกณฑ์การป้องกันอาคารจอดรถใหม่ในลักษณะเดียวกันกำลังดำเนินการอยู่ในหลายตลาดต่างประเทศ

อุปกรณ์เคลื่อนที่ขนาดเล็ก: จักรยานไฟฟ้า สกูตเตอร์ โฮเวอร์บอร์ด และอุปกรณ์ที่คล้ายกัน กำลังเป็นที่นิยมมากขึ้นในที่อยู่อาศัยทั่วโลก อุปกรณ์เหล่านี้มักถูกชาร์จในทางออกฉุกเฉินและพื้นที่อยู่อาศัย โดยมักใช้แบตเตอรี่ที่ชำรุดหรือไม่ได้รับการรับรอง รูปแบบของอุบัติเหตุเช่นนี้ไม่ได้เกิดขึ้นเฉพาะในสหรัฐอเมริกาเท่านั้น หน่วยดับเพลิงทั่วทั้งยุโรป เอเชีย และออสเตรเลียได้รายงานแนวโน้มที่คล้ายกัน เนื่องจากความนิยมในการใช้งานอุปกรณ์เคลื่อนที่ขนาดเล็กเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้เกิดความสนใจด้านกฎระเบียบในหลายพื้นที่

การจัดเก็บแบตเตอรี่จำนวนมาก: เนื่องจากมาตรฐานการติดตั้ง เช่น NFPA 13 ขาดคำแนะนำที่ชัดเจน เอกสารข้อมูล FM Data Sheet 7-112 จึงเป็นเอกสารอ้างอิงที่มีรายละเอียดมากที่สุด ผู้เชี่ยวชาญที่ทำงานในคลังสินค้าหรือศูนย์กระจายสินค้าที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค โมดูลแบตเตอรี่ หรือผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ ต้องเตรียมพร้อมที่จะปฏิบัติตามข้อกำหนดของ FM หรือพัฒนารูปแบบการออกแบบตามประสิทธิภาพพร้อมการสนับสนุนการทดสอบอย่างเต็มรูปแบบ

ข้อสรุปสำหรับผู้ปฏิบัติงาน

การป้องกันแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนไม่ใช่เรื่องเฉพาะกลุ่ม แต่กำลังกลายเป็นความสามารถหลักสำหรับผู้เชี่ยวชาญด้านการป้องกันอัคคีภัยในแทบทุกกลุ่มตลาดและทุกภูมิภาคทั่วโลก รหัสและมาตรฐานต่างๆ กำลังพัฒนาอย่างต่อเนื่อง และช่องว่างระหว่างสิ่งที่เทคโนโลยีต้องการกับเกณฑ์ที่กำหนดไว้ในปัจจุบันยังคงมีอยู่มาก ผู้ปฏิบัติงานควรเข้าถึงโครงการเหล่านี้ด้วยความเข้าใจว่าอาจไม่มีวิธีแก้ปัญหาที่กำหนดไว้ตายตัวสำหรับโครงสร้างที่กำหนด เคมีและ SOC เป็นปัจจัยสำคัญในการออกแบบ และข้อมูลการทดสอบขนาดใหญ่ ไม่ว่าจะเป็นจากรายงาน UL 9540A หรือวิธีการที่เทียบเท่า มักจะเป็นปัจจัยกำหนดในการสร้างการออกแบบระบบที่ยอมรับได้ สำหรับผู้เชี่ยวชาญที่ทำงานในหลายเขตอำนาจศาล การสร้างความเชี่ยวชาญทั้งในกรอบการทำงานที่มีต้นกำเนิดจากสหรัฐอเมริกาและกิจกรรมมาตรฐานที่เกิดขึ้นใหม่ในตลาดของคุณเองจะเป็นสิ่งสำคัญ IFSA ก่อตั้งขึ้นเพื่อเชื่อมโยงผู้เชี่ยวชาญด้านระบบดับเพลิงแบบสปริงเกลอร์ข้ามพรมแดน และพัฒนาวิทยาศาสตร์และการปฏิบัติงานด้านการป้องกันอัคคีภัยด้วยระบบสปริงเกลอร์ทั่วโลก ในขณะที่เทคโนโลยีแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนยังคงเปลี่ยนแปลงภูมิทัศน์ความเสี่ยงในทุกตลาดที่เราให้บริการ การก้าวล้ำหน้าในด้านความเสี่ยงประเภทนี้จึงเป็นภารกิจร่วมกันของเรา