Thị trường pin lithium-ion (Li-Ion) đang mở rộng với tốc độ vượt xa sự phát triển của các quy chuẩn và tiêu chuẩn được thiết kế để quản lý nó. Từ xe đạp điện gia dụng đến các hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) quy mô lớn, công nghệ Li-Ion hiện đã được ứng dụng trong hầu hết mọi lĩnh vực của môi trường xây dựng — trên mọi lục địa và khu vực pháp lý. Đối với các chuyên gia và nhà thầu phòng cháy chữa cháy trên toàn thế giới, sự phổ biến này đã tạo ra một loạt thách thức thiết kế năng động và đòi hỏi kỹ thuật cao, cần phải nắm vững cả khoa học về nguy cơ cháy nổ và các yêu cầu hiện hành về quy định và hiệu suất. Mặc dù các quy chuẩn và tiêu chuẩn được tham chiếu phản ánh môi trường pháp lý của Hoa Kỳ, nhưng khoa học về nguy cơ cháy nổ, nguyên tắc thiết kế và quy trình thử nghiệm cơ bản có thể áp dụng trên toàn cầu và ngày càng được các cơ quan có thẩm quyền trên toàn thế giới tham khảo.

Mối nguy hiểm cốt lõi: Hiện tượng quá nhiệt

Trước khi xem xét các tiêu chí thiết kế, điều cần thiết là phải hiểu điều gì phân biệt pin Li-Ion với các nguy cơ cháy nổ thông thường. Nguy cơ chính là hiện tượng quá nhiệt – được định nghĩa bởi NFPA 855 là tình trạng trong đó một tế bào điện hóa tăng nhiệt độ do tự tỏa nhiệt một cách không kiểm soát, có khả năng dẫn đến phát thải khí, cháy hoặc nổ.

Không giống như đám cháy loại B hoặc loại C truyền thống, hiện tượng quá nhiệt là một sự kiện điện hóa bên trong. Một khi đã bắt đầu, nó không thể được ngăn chặn bởi hệ thống dập lửa. Mô hình tứ diện lửa không áp dụng trực tiếp; việc loại bỏ oxy khỏi không khí không ngăn chặn được hiện tượng quá nhiệt — nó chỉ ngăn chặn sự bắt lửa của các khí dễ cháy được giải phóng, sau đó có thể tích tụ đến nồng độ gây cháy lan. Đây là một yếu tố thiết kế quan trọng giúp loại bỏ ngay lập tức một số công nghệ dập lửa nhất định, đặc biệt là những công nghệ làm thiếu oxy trong một không gian nhất định.

Hiện tượng quá nhiệt có thể xảy ra do lạm dụng nhiệt (quá nhiệt hoặc mất khả năng làm mát), lạm dụng điện (sạc quá mức hoặc xả quá mức) hoặc hư hỏng vật lý đối với pin. Khi một pin bị quá nhiệt, khả năng lan sang các pin liền kề là rất cao trừ khi có sự tách biệt đầy đủ hoặc hệ thống làm mát chủ động.

Ý nghĩa thực tiễn đối với thiết kế hệ thống phun nước chữa cháy: mục tiêu của hệ thống phun nước chữa cháy bảo vệ pin Li-Ion không phải là dập tắt sự cố quá nhiệt mà là ngăn chặn sự lan rộng. Hệ thống phải làm mát các cell pin liền kề đủ để hạn chế sự lan rộng đến giá đỡ, kệ hoặc phương tiện nơi sự cố bắt nguồn. Nguyên tắc này vẫn đúng bất kể khung quy định quốc gia hoặc khu vực nào chi phối dự án cụ thể.

Hóa học pin và trạng thái tích điện là vấn đề quan trọng.

Không phải tất cả các loại pin Li-Ion đều có cùng mức độ nguy hiểm. Thành phần hóa học của vật liệu catốt ảnh hưởng đáng kể đến cả mật độ năng lượng và mức độ nghiêm trọng của hiện tượng quá nhiệt. Các thành phần hóa học phổ biến bao gồm Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (NMC), Lithium Iron Phosphate (LFP), Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide (NCA) và Lithium Cobalt Oxide (LCO), cùng nhiều loại khác.

Nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia chỉ ra rằng, trong khi năng lượng lưu trữ lớn hơn tương quan với enthalpy quá nhiệt tổng thể lớn hơn, thì các loại pin có năng lượng riêng cao hơn sẽ giải phóng năng lượng nhanh hơn và với tốc độ giải phóng nhiệt cực đại lớn hơn. Các loại pin NMC và NCA có mật độ năng lượng cao hơn so với LFP nhưng lại gây ra các sự cố quá nhiệt nghiêm trọng hơn. Thành phần hóa học của pin trong một hệ thống lắp đặt cụ thể ảnh hưởng trực tiếp đến các tiêu chí bảo vệ phù hợp — các chuyên gia không nên áp dụng một phương pháp chung cho tất cả, bất kể khu vực pháp lý nào. Trạng thái sạc (SOC) cũng quan trọng không kém. Một cell pin ở mức SOC 100% sẽ trải qua hiện tượng quá nhiệt mạnh hơn đáng kể so với một cell pin tương tự ở mức SOC 30%, với nhiệt độ đỉnh, tốc độ gia nhiệt đỉnh và enthalpy quá nhiệt cao hơn có thể đo được. Ngưỡng SOC — thường là 60% — được sử dụng trong một số khuôn khổ, bao gồm cả bảng dữ liệu của FM Global, để xác định phân loại hàng hóa lưu trữ và xác định các tiêu chí thiết kế áp dụng. Do đó, hiểu rõ SOC hoạt động của một hệ thống cụ thể là một yếu tố đầu vào thiết kế quan trọng, chứ không phải là yếu tố thứ yếu.

Khung pháp lý: Các yêu cầu bắt nguồn từ đâu?

Không giống như hầu hết các mối nguy hiểm về hàng hóa, không có một tài liệu quy định toàn cầu duy nhất nào bao quát tất cả các ứng dụng của pin Li-Ion. Ngay cả trong khuôn khổ của Hoa Kỳ, các tiêu chí thiết kế cũng phải được rút ra từ nhiều nguồn khác nhau tùy thuộc vào trường hợp sử dụng cụ thể. Trên phạm vi quốc tế, tình hình thậm chí còn đa dạng hơn, mặc dù các giao thức thử nghiệm cơ bản — đặc biệt là UL 9540A — ngày càng được các cơ quan quản lý và chính quyền có thẩm quyền ngoài Bắc Mỹ tham khảo. Tiêu chuẩn NFPA 13 loại trừ rõ ràng pin Li-Ion khỏi phạm vi áp dụng cho mục đích thiết kế hệ thống phun nước chữa cháy. Các yêu cầu lắp đặt vẫn được áp dụng, nhưng mật độ và diện tích thiết kế phải được lấy từ nguồn khác. NFPA 855 là tiêu chuẩn chính của Hoa Kỳ dành cho các hệ thống lưu trữ năng lượng cố định. Đối với các công trình thương mại trong nhà tuân thủ tiêu chuẩn này — nơi các nhóm hệ thống lưu trữ năng lượng không vượt quá 50 kWh mỗi nhóm, được đặt cách nhau ít nhất 3 feet — mật độ phun nước chữa cháy quy định là 0,3 gpm/sqft trên diện tích 2.500 feet vuông. Các tòa nhà không chuyên dụng cho mục đích chữa cháy được giới hạn ở mức 600 kWh cho mỗi khu vực chống cháy; các tòa nhà chuyên dụng cho mục đích chữa cháy không có giới hạn năng lượng như vậy, miễn là duy trì các vách ngăn chống cháy phù hợp và các hạn chế về số người sử dụng. Trường hợp bố trí không đáp ứng các ngưỡng quy định của NFPA 855, cần phải tiến hành thử nghiệm quy mô lớn theo tiêu chuẩn UL 9540A.

Bảng dữ liệu FM Global 5-33 quy định việc lắp đặt hệ thống lưu trữ năng lượng pin Li-Ion (BESS) có công suất lớn hơn 20 kWh và nêu rõ các tiêu chí dựa trên vị trí lắp đặt, tùy thuộc vào khoảng cách đến các khu vực dễ bị ảnh hưởng, số lượng tường ngoài có thể tiếp cận và loại hóa chất pin. Việc lắp đặt hệ thống NMC yêu cầu khoảng cách giữa các lối đi lớn hơn so với việc lắp đặt hệ thống LFP. Khi đáp ứng các yêu cầu về vị trí, mật độ vòi phun nước cũng là 0,3 gpm/ft² trên toàn bộ khu vực cháy, với thời gian cung cấp nước 45 phút cho mỗi giá đỡ pin liền kề không được tách biệt.

Bảng dữ liệu FM Global 7-112 là tài liệu tham khảo chính cho việc lưu trữ pin số lượng lớn, cung cấp phân loại hàng hóa dựa trên trạng thái sạc (SOC), chiều cao trần, chiều cao lưu trữ và bao bì, từ đó dẫn đến Bảng dữ liệu FM 8-9 về các tiêu chí thiết kế hệ thống phun nước chữa cháy áp dụng.

Các tài liệu có nguồn gốc từ Hoa Kỳ này được tham khảo rộng rãi trên thị trường toàn cầu — đặc biệt là trong các dự án sản xuất, hậu cần và lưu trữ năng lượng đa quốc gia — do đó, việc nắm vững chúng có ý nghĩa chuyên môn quan trọng không chỉ ở Bắc Mỹ mà còn trên phạm vi rộng hơn.

UL 9540A: Con đường dựa trên hiệu suất

Đối với hầu hết các hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) quy mô lớn, phương pháp thiết kế truyền thống không khả thi về mặt kinh tế — những hạn chế về mật độ năng lượng khiến chi phí trên mỗi mét vuông trở nên quá cao. Do đó, phần lớn các dự án thương mại đều sử dụng thiết kế dựa trên hiệu suất được kiểm chứng thông qua thử nghiệm UL 9540A, một giao thức đã được quốc tế công nhận rộng rãi như là phương pháp chuẩn mực để đánh giá sự lan truyền đám cháy do quá nhiệt trong hệ thống lưu trữ năng lượng pin.

Tiêu chuẩn UL 9540A là một quy trình thử nghiệm phân cấp với bốn cấp độ: Pin, Mô-đun, Bộ pin và Hệ thống lắp đặt. Mỗi cấp độ đều đưa hệ thống pin vào điều kiện quá nhiệt cưỡng bức và đánh giá xem sự lan truyền có nằm trong giới hạn thiết kế hay không. Nếu một cấp độ nhất định đạt yêu cầu, không cần thử nghiệm thêm. Thử nghiệm ở cấp độ lắp đặt — quan trọng nhất đối với thiết kế hệ thống phòng cháy chữa cháy — đánh giá hiệu quả của phương án dập lửa dự kiến, thông qua hệ thống phun nước được thiết kế ở mức 0,3 gpm/sqft (Phương pháp 1) hoặc thông qua một kế hoạch phòng cháy chữa cháy thay thế (Phương pháp 2). Các nhà thầu và nhà thiết kế tham gia vào các dự án ESS ở bất kỳ đâu trên thế giới đều nên nắm vững kết quả thử nghiệm UL 9540A, vì báo cáo thử nghiệm của nhà sản xuất thường sẽ quyết định các tiêu chí thiết kế vòi phun, vị trí đặt vòi phun và loại hệ thống cần thiết cho cấu hình lắp đặt cụ thể.

Các yếu tố cần xem xét cụ thể theo ứng dụng

Xe điện và các công trình đỗ xe: Việc sử dụng xe điện đang tăng tốc trên toàn cầu, và cùng với đó là thách thức trong việc bảo vệ các công trình đỗ xe chứa những chiếc xe có bộ pin Li-Ion cỡ lớn. Dữ liệu nghiên cứu liên tục chứng minh rằng các công trình đỗ xe được trang bị hệ thống phun nước chữa cháy đã thành công trong việc ngăn chặn đám cháy xe điện chỉ giới hạn trong khu vực bị ảnh hưởng. Tại Mỹ, tiêu chuẩn NFPA 13 đã nâng cấp phân loại mức độ an toàn khuyến nghị cho các nhà để xe lên Nhóm Nguy hiểm Thông thường 2, và NFPA 88A hiện yêu cầu lắp đặt hệ thống phun nước chữa cháy trong tất cả các công trình đỗ xe, bao gồm cả các nhà để xe ngoài trời trước đây được miễn trừ. Các đánh giá lại tương tự về tiêu chí bảo vệ công trình đỗ xe đang được tiến hành tại nhiều thị trường quốc tế.

Các thiết bị di chuyển siêu nhỏ: Xe đạp điện, xe tay ga, ván trượt điện và các thiết bị tương tự đang trở thành mối nguy hiểm ngày càng gia tăng trong khu dân cư trên toàn cầu. Những thiết bị này thường được sạc ở lối thoát hiểm và không gian sinh hoạt, thường với bộ pin bị lỗi hoặc không được chứng nhận. Mô hình sự cố này không chỉ xảy ra ở Mỹ; các sở cứu hỏa trên khắp châu Âu, châu Á và châu Úc đã báo cáo những xu hướng tương tự khi việc sử dụng các thiết bị di chuyển siêu nhỏ tăng tốc, thu hút sự chú ý của các cơ quan quản lý ở nhiều khu vực pháp lý.

Lưu trữ pin số lượng lớn: Do các tiêu chuẩn lắp đặt như NFPA 13 hầu như không có hướng dẫn cụ thể, nên Bảng dữ liệu FM 7-112 là tài liệu tham khảo chi tiết nhất hiện có. Các chuyên gia làm việc trong kho hoặc trung tâm phân phối liên quan đến thiết bị điện tử tiêu dùng, mô-đun pin hoặc các sản phẩm hoàn chỉnh chạy bằng pin cần phải chuẩn bị đáp ứng các yêu cầu của FM hoặc phát triển thiết kế dựa trên hiệu suất với sự hỗ trợ thử nghiệm toàn diện.

Tóm lại, dành cho các chuyên gia

Bảo vệ pin Li-Ion không phải là một chuyên ngành hẹp — nó đang nhanh chóng trở thành một năng lực cốt lõi đối với các chuyên gia phòng cháy chữa cháy trong hầu hết mọi phân khúc thị trường và mọi khu vực trên thế giới. Các quy định và tiêu chuẩn đang liên tục được cập nhật, và khoảng cách giữa những gì công nghệ yêu cầu và những gì các tiêu chí quy định hiện hành cung cấp vẫn còn đáng kể. Các chuyên gia cần tiếp cận các dự án này với sự hiểu biết rằng các giải pháp cụ thể có thể không có sẵn cho một cấu hình nhất định, rằng hóa học và SOC là các yếu tố đầu vào thiết kế vật liệu, và dữ liệu thử nghiệm quy mô lớn — dù từ báo cáo UL 9540A hay các phương pháp tương đương — thường sẽ là yếu tố quyết định trong việc thiết lập một thiết kế hệ thống chấp nhận được. Đối với các chuyên gia làm việc trên nhiều khu vực pháp lý, việc nắm vững cả các khung pháp lý có nguồn gốc từ Hoa Kỳ và các hoạt động tiêu chuẩn mới nổi ở thị trường của chính họ sẽ rất cần thiết. IFSA ra đời nhằm kết nối các chuyên gia về hệ thống phun nước chữa cháy xuyên biên giới và thúc đẩy khoa học cũng như thực tiễn bảo vệ bằng hệ thống phun nước chữa cháy trên toàn cầu. Khi công nghệ pin Li-Ion tiếp tục định hình lại bối cảnh rủi ro ở mọi thị trường mà chúng tôi phục vụ, việc luôn đi trước đón đầu loại nguy hiểm này nằm trong sứ mệnh chung của chúng ta.