Ринок літій-іонних (Li-Ion) акумуляторів розширюється темпами, які продовжують випереджати розвиток кодексів та стандартів, призначених для його регулювання. Від житлових електровелосипедів до систем накопичення енергії акумуляторами (BESS) комунального масштабу, літій-іонна технологія зараз вбудована практично в кожен сектор забудованого середовища — на кожному континенті та в усіх юрисдикціях. Для фахівців з пожежної безпеки та підрядників у всьому світі це поширення створило швидкозмінний та технічно складний набір проектних завдань, який вимагає чіткого розуміння як базової науки про небезпеки, так і поточного стану нормативних та експлуатаційних вимог. Хоча згадані кодекси та стандарти відображають нормативне середовище США, базова наука про небезпеки, принципи проектування та протоколи випробувань застосовуються в усьому світі та все частіше використовуються органами влади, що мають юрисдикцію в усьому світі.

Основна небезпека: Тепловий втеча

Перш ніж розглядати критерії проектування, важливо зрозуміти, що принципово відрізняє літій-іонні акумулятори від звичайних пожежонебезпечних факторів. Основною небезпекою є теплове перегрівання, яке визначається NFPA 855 як стан, за якого електрохімічний елемент неконтрольовано підвищує свою температуру внаслідок самонагрівання, що потенційно може призвести до виділення газів, пожежі або вибуху.

На відміну від традиційної пожежі класу B або C, теплове витокування є внутрішньою електрохімічною подією. Після виникнення його неможливо зупинити системою пожежогасіння. Тетраедр вогню безпосередньо не застосовується; видалення кисню з атмосфери не зупиняє теплове витокування — воно лише запобігає займанню горючих газів, що виділяються, які потім можуть накопичуватися до концентрацій дефлаграції. Це критичний конструктивний аспект, який негайно дискваліфікує певні технології пожежогасіння, особливо ті, що позбавляють певний відсік кисню.

Тепловий втеча може бути спричинена тепловим навантаженням (перегрів або втрата охолодження), електричним навантаженням (перезаряд або перерозряд) або фізичним пошкодженням елемента. Після того, як один елемент починає тепловий втеча, поширення на сусідні елементи є дуже ймовірним, якщо не забезпечено належне розділення або активне охолодження.

Практичне значення для проектування спринклерних систем: метою протипожежної спринклерної системи, що захищає літій-іонні акумулятори, є не гасіння самої події теплового вибуху, а її стримування. Система повинна достатньо охолоджувати сусідні елементи, щоб обмежити поширення на стелаж, полицю або транспортний засіб, звідки виникла подія. Цей принцип діє незалежно від того, яка національна чи регіональна нормативна база регулює даний проект.

Хімічний склад акумулятора та стан заряду мають значення

Не всі літій-іонні акумулятори мають однаковий профіль небезпеки. Хімічний склад катодного матеріалу суттєво впливає як на щільність енергії, так і на ступінь теплового вибуху. Поширені хімічні речовини включають літій-нікель-марганець-кобальтовий оксид (NMC), літій-залізофосфат (LFP), літій-нікель-кобальт-алюміній-оксид (NCA) та літій-кобальтовий оксид (LCO), серед інших.

Дослідження, проведені в Національних лабораторіях Сандії, показують, що хоча більша накопичена енергія корелює з більшою загальною ентальпією теплового вибуху, батареї з вищою питомою енергією вивільняють цю енергію швидше та з більшою піковою швидкістю виділення тепла. Хімічні склади NMC та NCA мають вищу щільність енергії, ніж LFP, але призводять до серйозніших теплових вибухів. Хімічний склад батареї, присутній у певній установці, безпосередньо впливає на відповідні критерії захисту — фахівці не повинні використовувати універсальний підхід, незалежно від юрисдикції. Стан заряду (SOC) також є важливим. Елемент зі 100% SOC зазнає значно більшого теплового вибуху, ніж ідентичний елемент з 30% SOC, з помітно вищими піковими температурами, піковими швидкостями нагрівання та ентальпією вибуху. Порогові значення SOC — зазвичай 60% — використовуються в кількох структурах, включаючи технічні характеристики FM Global, для визначення класифікації товарів для зберігання та визначення застосовних критеріїв проектування. Тому розуміння робочого SOC даної установки є вхідним фактором для проектування матеріалів, а не другорядним фактором.

Нормативно-правовий ландшафт: звідки беруться вимоги?

На відміну від більшості небезпек, пов'язаних з сировинними товарами, не існує єдиного глобального нормативного документа, який би охоплював літій-іонні акумулятори для всіх застосувань. Навіть у рамках США критерії проектування повинні бути взяті з кількох дублюючих джерел залежно від конкретного випадку використання. На міжнародному рівні картина ще більш різноманітна, хоча на основні протоколи випробувань, зокрема UL 9540A, все частіше посилаються регуляторні органи та органи, що мають юрисдикцію за межами Північної Америки. NFPA 13 чітко виключає літій-іонні акумулятори зі сфери застосування для цілей проектування спринклерних систем. Вимоги до встановлення все ще застосовуються, але проектні щільності та площі необхідно визначати з інших джерел. NFPA 855 є основним стандартом США для стаціонарних систем накопичення енергії. Для відповідних внутрішніх комерційних установок, де групи систем накопичення енергії не перевищують 50 кВт⋅год кожна, розділені відстанню щонайменше 3 фути, рекомендована щільність спринклерів становить 0,3 галона за хвилину/кв. фут на площі 2500 квадратних футів. Будівлі неспеціалізованого використання обмежені 600 кВт⋅год на одну зону пожежі; будівлі спеціалізованого використання не мають такого обмеження енергії за умови дотримання відповідних вогнестійких інтервалів та обмежень щодо кількості людей. Якщо система не відповідає встановленим пороговим значенням NFPA 855, необхідні масштабні випробування відповідно до UL 9540A.

Глобальний інформаційний лист FM 5-33 регулює установки літій-іонних акумуляторів BESS потужністю понад 20 кВт·год та визначає критерії на основі місцезнаходження, які залежать від близькості до джерел випромінювання, кількості доступних зовнішніх стін та хімічного складу акумуляторів. Установки NMC вимагають більшої відстані між проходами, ніж установки LFP. Коли вимоги до місця розташування виконуються, щільність спринклерів також становить 0,3 галона за хвилину/фут² по всій площі пожежі, з тривалістю подачі води 45 хвилин для кожної сусідньої нерозділеної стійки акумуляторів.

Глобальний інформаційний лист FM 7-112 є основним довідником щодо зберігання великогабаритних акумуляторів, що містить класифікацію товарів на основі зарядного стану, висоти стелі, висоти зберігання та упаковки, що враховується в інформаційному листі FM 8-9 для визначення відповідних критеріїв проектування спринклерів.

Ці документи американського походження широко використовуються на світових ринках, особливо для багатонаціональних виробничих, логістичних та енергоємних проектів, що робить ознайомлення з ними професійно актуальним далеко за межами Північної Америки.

UL 9540A: Шлях, заснований на продуктивності

Для більшості великомасштабних установок ESS, призначений шлях є економічно невигідним — обмеження щільності енергії роблять вартість квадратного фута непомірно високою. Як результат, більшість комерційних проектів передбачають конструкцію, засновану на продуктивності, перевірену за допомогою випробувань UL 9540A, протоколу, який отримав значну міжнародну популярність як еталонна методологія для оцінки поширення теплового вогню в системах акумуляторного накопичення енергії.

UL 9540A – це багаторівневий протокол випробувань з чотирма рівнями: елемент, модуль, блок та установка. Кожен рівень піддає акумуляторну систему вимушеному тепловому вибуху та оцінює, чи поширюється вибух у межах проектних меж. Якщо заданий рівень проходить перевірку, подальші випробування не потрібні. Випробування на рівні установки – найбільш релевантне для проектування системи пожежогасіння – оцінює ефективність передбачуваної системи пожежогасіння, або за допомогою спринклерних систем, розроблених зі швидкістю 0,3 галона за хвилину/кв. фут (Метод 1), або за допомогою альтернативного плану пожежогасіння (Метод 2). Підрядники та проектувальники, що беруть участь у проектах ESS у будь-якій точці світу, повинні бути знайомі з результатами UL 9540A, оскільки звіти виробників про випробування часто диктуватимуть відповідні критерії проектування спринклерів, розміщення форсунок та тип системи, необхідні для заданої конфігурації установки.

Міркування щодо конкретного застосування

Електромобілі та паркувальні споруди: Впровадження електромобілів прискорюється в усьому світі, і разом з цим виникає проблема захисту паркувальних споруд, на яких розміщені транспортні засоби з великоформатними літій-іонними акумуляторними блоками. Дані досліджень постійно демонструють, що паркувальні споруди, захищені спринклерними системами, успішно локалізують пожежі електромобілів у безпосередній зоні пожежі. У США NFPA 13 підвищила рекомендовану класифікацію завантаженості паркувальних гаражів до групи звичайної небезпеки 2, а NFPA 88A тепер вимагає встановлення спринклерів у всіх паркувальних спорудах, включаючи раніше звільнені від цього відкриті гаражі. Подібні переоцінки критеріїв захисту паркувальних споруд проводяться на багатьох міжнародних ринках.

Пристрої мікромобільності: Електровелосипеди, самокати, ховерборди та подібні пристрої представляють собою швидкозростаючий ризик для житлових приміщень у всьому світі. Ці пристрої часто заряджаються на шляхах евакуації та в житлових приміщеннях, часто за допомогою пошкоджених або несертифікованих акумуляторних блоків. Характер інцидентів не є унікальним для США; пожежні служби по всій Європі, Азії та Австралазії повідомляють про подібні тенденції, оскільки впровадження мікромобільності прискорилося, що привернуло увагу регуляторних органів у багатьох юрисдикціях.

Зберігання акумуляторів на великому вантажі: Оскільки в стандартах встановлення, таких як NFPA 13, практично відсутні чіткі рекомендації, найдетальнішим доступним довідником є Технічний лист FM 7-112. Фахівці, що працюють на складах або в розподільчих центрах, пов'язаних зі споживчою електронікою, акумуляторними модулями або готовими виробами на акумуляторах, повинні бути готові дотримуватися вимог FM або розробляти конструкцію, орієнтовану на продуктивність, з повномасштабною тестовою підтримкою.

Підсумок для практиків

Захист літій-іонних акумуляторів не є нішевою спеціалізацією — він швидко стає основною компетенцією для фахівців з пожежної безпеки практично в кожному сегменті ринку та в кожному регіоні світу. Кодекси та стандарти активно розвиваються, і розрив між вимогами технологій та тим, що пропонують поточні нормативні критерії, залишається значним. Практики повинні підходити до цих проектів з розумінням того, що для певної конфігурації можуть бути недоступні стандартні рішення, що хімічний склад та склад матеріалів є вхідними даними для проектування матеріалів, і що дані масштабних випробувань — чи то зі звітів UL 9540A, чи з еквівалентних методологій — часто будуть визначальним фактором у встановленні прийнятного проекту системи. Для фахівців, які працюють у кількох юрисдикціях, вільне володіння як американськими стандартами, так і новими стандартами на власних ринках буде важливим. IFSA існує для того, щоб об'єднувати фахівців з пожежної безпеки через кордони та розвивати науку та практику захисту від пожежних спринклерів у всьому світі. Оскільки технологія літій-іонних акумуляторів продовжує змінювати ландшафт ризиків на кожному ринку, який ми обслуговуємо, випередження цього класу небезпеки є однією з наших спільних місій.