Skladování Li-ion baterií a požární ochrana
Požární ochrana Li-ion baterií se konečně dočkala prakticky využitelných návrhových dokumentů vycházejících z požárních zkoušek ve skutečném měřítku. Článek shrnuje poznatky z nových dokumentů organizací FM, NFPA a VdS a přibližuje jejich využitelnost při projektování sprinklerové ochrany skladů s Li-ion bateriemi. Upozorňuje i na rozdíly mezi typy baterií a význam přesně definovaných skladovacích podmínek.
Požární nebezpečí
Obr. 1 Li-ion baterie mobilního telefonu a její umístění v prodejních obalech
Li-ion baterie obsahují látky s vysokým podílem chemicky vázaného kyslíku, tudíž látky podporující hoření. Materiály záporných elektrod jsou samy o sobě hořlavé. K zapálení Li-ion článku s následnou tepelnou řetězovou reakcí může dojít mechanickým poškozením, tepelným zdrojem, vysokou okolní teplotou, přehřátím při nabití nad 100 %, rychlým nabíjením nebo nabíjením s vysokým napětím stejně jako příliš rychlým vybíjením. Příčinou může být i nadměrná vlhkost, která způsobí degradaci materiálů, ze kterých je zhotoven článek.
Při zkratu článku se v důsledku vysokých proudů během milisekund přemění elektrická energie na teplo, dojde ke vznícení elektrolytu, prudkému nárůstu tlaku plynů a prasknutí obalu článku. Další kyslík akceleruje tento proces až do stavu výbuchu nebo požáru. Tím je zjednodušeně vysvětleno, proč požáry některých druhů Li-ion baterií vykazují extrémně rychlý nárůst teploty doprovázený gejzírem hořících úlomků, které mohou způsobit rozšíření požáru na sousední hořlavé látky. Nezřídka dochází po uhašení k opakovanému vzplanutí požáru. Byly zaznamenány případy, kdy k tomu došlo po několika hodinách, dnech nebo týdnech. Příčinou je zbytková elektrická energie, jelikož baterii nelze úplně vybít. Vzniklý požár baterie má skryté ohnisko, což je způsobeno tím, že vlastní Li-ion článek je uvnitř mnohdy několika obalů. To znemožňuje účinné ochlazování ohniska požáru. Intenzita požáru závisí na stavu nabití baterie, množství elektrolytu a požárně technických vlastnostech Li-ion článků. Ty se liší v závislosti na materiálovém provedení Li-ion článků.
V případě skladování Li-ion baterií má vliv na rozvoj požáru nejen provedení Li-ion článků, ale i plastové pouzdro, ve kterém jsou články uloženy, prodejní a přepravní obal se separačními přepážkami a v případě paletového regálu paleta a smršťovací polyethylenová fólie, kterou jsou na paletě obaleny kartonové přepravní obaly. Dynamiku požáru výrazně ovlivňují především plasty a stav nabití. Například u Li-ion baterií pro ruční nářadí nebo notebooků je to rozměrný plastový korpus. Se stupněm nabití se pravděpodobnost vzniku tepelné řetězové reakce s následným požárem nebo výbuchem zvyšuje. V návaznosti na přepravní předpisy se baterie nabíjejí na 30–60 %. Při nabití na méně než 30 % dojde k řetězové tepelné reakci jenom obtížně.
Nezanedbatelnou roli na rozvoj požáru má druh skladu (otevřený, uzavřený), způsob skladování, výška skladování a stropu, jakož i šířka uliček z hlediska možného rozšíření požáru na sousední hořlavé látky. U skladů s Li-ion bateriemi nebo moduly je třeba brát v úvahu nejen vznik požáru z vnějšího zdroje, ale i možnost vzniku požáru přímo ve skladovaných bateriích nebo modulech. V tomto případě je krajně obtížné zajistit dostačené chlazení skrytého ohniska požáru. Nejen pro sprinklerovou ochranu, ale i hasiče. To představuje podstatný rozdíl od tzv. pasivních komodit, kde není nebezpečí samovznícení.
Podle technických podmínek VdS 3856:2019 je požární nebezpečí v závislosti na energetickém obsahu (kWh) připadajícím na skladovací jednotku (paletu) malé, střední (1–50 kWh/skladovací jednotku) nebo vysoké.
Sprinklerová ochrana
Obecně platí, že sprinklerová ochrana patří kromě komodit označovaných jako „challenge“ k nejúčinnějším opatřením k omezení materiálních škod způsobených požárem. Nicméně v případě skladů s Li-ion bateriemi se jenom obtížně hledá optimální provedení sprinklerové ochrany, aby vykazovala prokazatelný přínos. Ten lze ověřit jenom požárními ohňovými zkouškami ve skutečném měřítku. Požární zkoušky se provádí pro dva scénáře. Podle prvního je místo zapálení zkušebního ohně vně skladované komodity a podle druhého uvnitř skladované komodity, tj. v Li-ion článku. Z uvedeného je patrné, kolik faktorů ovlivňuje rozvoj požáru ve skladové dispozici a jak obtížné a nákladné je stanovení objektivních návrhových požadavků na sprinklerovou ochranu různých druhů skladů a Li-ion baterií.
Za leadera v provádění požárních zkoušek ve skutečném měřítku lze považovat americkou zkušební laboratoř Factory Mutual (FM). V roce 2013 bylo zahájeno řešení jednoho ze dvou projektů zaměřených na stanovení požárně technických charakteristik Li-ion baterií v regálovém skladu s výškou skladování 4,6 m, ve zkušebním objektu s výškou stropu 9,1 m. Předmětem zkoušek byly Li-ion válcové baterie formátu 18650, polymerové sáčkové a baterie pro nářadí. Jedním z výstupů bylo stanovení relevantních standardizovaných komodit. Pro válcové Li-ion baterie a polymerové sáčkové baterie Li-ion s malým množstvím plastů byla jako relevantní stanovena standardní komodita třídy 2 a pro Li-ion baterie pro nářadí, kde je větší množství plastů, standardní komodita CUP (nenapěněné plasty v kartonovém obalu). Kromě jiného byly stanoveny pro jednotlivé druhy posuzovaných Li-ion baterií odstupové vzdálenosti mezi regály, aby nedošlo k rozšíření požáru na sousední hořlavé látky. Jak se ukázalo, provedené dvě požární zkoušky ve skutečném měřítku nebyly dostatečně průkazné, aby se mohl objektivně vyhodnotit přínos stropní sprinklerové ochrany.
Navazující projekt Factory Mutual (FM) se realizoval v roce 2016. Ten se zaměřil na přínos sprinklerové stropní ochrany při skladování větších Li-ion baterií s kapacitou 20 Ah typu LFP (lithium, železo, fosfát) a baterií NMC (nikl, mangan, kobalt). Prokázalo se, že Li-ion baterie NMC představují větší požární nebezpečí než baterie LFP. Kritériem pro vyhodnocení požárních zkoušek bylo nerozšíření požáru na sousední detekční regál, nepřekročení teploty stropní ocelové konstrukce 538 °C, stanoveného počtu otevřených sprinklerů a počtu shořelých palet. Na základě získaných poznatků byla navržena doporučení k bezpečnému skladování posuzovaných Li-ion baterií. V případě polymerových sáčkových baterií 20 Ah a válcových baterií s kapacitou 2,6 Ah se připouští skladování na paletě maximálně do výšky 1,5 m. Odstupová vzdálenost od sousedních hořlavých látek musí být minimálně 3 m. Při blokovém skladování nebo skladování v regálovém paletovém skladu může být výška skladování maximálně 4,6 m, pokud má sklad stropní ochranu sprinklery s K 320 (průtok 320 l/min při tlaku 1 bar) nebo K 360 s rychlou tepelnou odezvou. Pro jiné podmínky, například vyšší skladovací výšku, je třeba přijmout podstatně přísnější návrhové požadavky a opatření. Obdobná, jaká jsou stanovena pro ochranu aerosolů.
Předcházející systematicky prováděný výzkum vedl FM v roce 2023 k rozhodnutí uvést Li-ion baterie na seznamu skladovaných komodit, který je součástí dokumentu FM Global 8-1 Commodity classification. Obsahoval i podmínky pro návrh sprinklerové ochrany při jejich skladováni v otevřeném regálovém paletovém skladu nebo v bloku. V roce 2024 byly tyto požadavky převedeny do nového dokumentu FM 7-112 Lithium-Ion battery manufacturing and storage. Pro představu jsou uvedeny některé z nich s tím, že uvedený dokument je potřeba při projektování aplikovat doslovně beze změn a vlastních interpretací.
FM 7-112:2024
Tento dokument patří v současné době k nejkomplexnějším. O jeho kreditu svědčí skutečnost, že návrhové požadavky a další podmínky jsou v různém rozsahu implementované např. v dokumentech NFPA a VdS. Kromě jiného jsou v dokumentu FM 7-112 uvedeny podmínky skladování Li-ion článků, baterií a modulů ve skladech:
- formátování a stárnutí Li-ion baterií,
- hotových článků, baterií a modulů,
- spotřebičů s Li-ion články, bateriemi a moduly,
- nových nebo renovovaných článků, baterií a modulů,
- vrácených, závadových nebo poškozených článků, baterií a modulů,
- zakladačových a automatických.
Formátování a stárnutí
Jedná se o dvě z pěti závěrečných dokončovacích operací Li-ion článků baterií nebo modulů. Formátování trvá podle typu baterie až 15 dnů. Dochází při něm k dobíjení a vybíjení baterií. Po formátování následuje stárnutí, při kterém se články stabilizují. Baterie jsou umístěné v regálovém skladu nabité na 80–100 %. Obě operace mají vysoké riziko požárního nebezpečí. Může při nich dojít k více tepelným řetězovým reakcím. Pokud je navržen ke skladování otevřený regálový sklad (platí i pro automatické sklady), musí být opatřen vodorovnými zábranami a regálovými sprinklery. Zábrany jsou z plechu nebo překližky. Vzdálenost mezi vodorovnými zábranami je minimálně 1,8 m. Zásobování vodou se navrhuje na dobu 120 min pro 6 nebo 8 sprinklerů s tlakem. min. 0,7 bar nebo 0,5 bar v závislosti na počtu úrovní opatřených vodorovnými zábranami a počtu regálů (jednořadový, víceřadový).
Sklady hotových článků, baterií a modulů
Obr. 2 Možná provedení bateriového úložiště
V případě skladů hotových baterií nejrůznějšího provedení a velikosti jsou baterie uloženy v různých obalech, jako jsou kartonové krabice, kovové nebo plastové boxy, případně dřevěné přepravky. Za optimální se považuje stropní a regálová ochrana skladu opatřeného vodorovnými zábranami. Pokud se uvedené komodity skladují na paletách, jsou stanoveny další omezující podmínky týkající se maximální skladovací plochy, výšky skladování, stavu nabití baterií a druhu obalu.
Obr. 3 Modelový návrh velkokapacitního bateriového úložiště
Při blokovém skladování se navrhuje sprinklerové zařízení, jako by se jednalo o komoditu UUP (nenapěněný plast přímo vystavený požáru). Skladovací plocha je maximálně 20 m2, výška skladováni 1,8 m a nabití na max. 60 %. Baterie musí být uloženy v kontejnerech z nenapěněného plastu. Mezi jednotlivými bloky musí být mezery minimálně 3 m. V závislosti na výšce stropu skladu lze použít nejrůznější druhy stojatých nebo závěsných sprinklerů s K 160 (průtok 160 l/min při 1 bar) se standardní nebo rychlou tepelnou odezvou. Například pro výšku stropu 9 m lze použít závěsný sprinkler s K 360 a standardní tepelnou odezvou. Hydraulický výpočet se v tomto případě provede pro 25 sprinklerů a tlak na sprinkleru 0,7 bar. Pokud by měl tento sprinkler tepelnou pojistku s rychlou tepelnou odezvou, stanoví se zásoba vody pro 14 sprinklerů a tlak na sprinkleru 1,3 bar. Pro představu, v prvním případě má sprinkler průtok 302 l/min a celková zásoba vody pro stanovenou dobu činnosti 120 min je 906 m3 plus 228 m3 pro zásobování hydrantového systému.
Sklady spotřebičů s Li-ion bateriemi a moduly
Jde např. o elektrické nářadí, sekačky na trávu, notebooky, počítače nebo domácí spotřebiče. Výjimku představují elektromobily. Návrh sprinklerové ochrany se provádí podle dokumentu FM 8-9, jako by šlo o standardní komoditu třídy 1, 2, 3, 4 a plasty.
Sklady nových nebo renovovaných baterií a modulů
Skladování uvedených komodit může být v otevřeném regálovém skladu na paletách nebo v bloku. V prvním případě návrh stropní ochrany a regálové ochrany zohledňuje druh obalu, s tím, že maximální výška stropu je 12 m a maximální výška skladování je 4,5 m (3 úrovně). Vzdálenost skladu od hořlavých látek je minimálně 3 m. U několikařadových skladů jsou stanoveny další podmínky, např. instalace vertikálních zábran k zamezení rozšíření požáru do stran. Při blokovém skladování se provádí návrh podle dokumentu FM 8-9 s tím, že maximální výška stropu je 12 m a výška skladování 4,5 m.
Sklady vrácených defektních, poškozených článků, baterií a modulů
V tomto případě má být ke skladování použít venkovní sklad nebo samostatný objekt vzdálený od hořlavých konstrukcí okolních budov 6 m a od nehořlavých konstrukcí 3 m. Plocha skladu může být maximálně 83,6 m2 a výška skladování dvě palety. Musí být zajištěn volný přístup jednotek PO a snadná dosažitelnost hydrantů.
Systém Reliable
Obr. 4 Provedení skladu Reliable se svislými a vodorovnými zábranami
Shora uvedené podmínky nevylučují jiné odlišné (alternativní) řešení, pokud má požárními zkouškami prokázanou vyšší bezpečnost než standardní řešení podle návrhového dokumentu NFPA (National Fire Protection Association). To umožnuje dodavatelům sprinklerových zařízení uvádět na trh nová řešení, která reflektují technický pokrok v daném oboru. Jako příklad alternativního řešení je uveden systém Reliable LB11 HSW. Ten vychází z použití vodorovných a svislých zábran vzdálených od sebe 1,8 m. Tím se vytváří polouzavřené skladovací sekce pro 4 skladovací buňky s komoditou o rozměrech 760 mm × 760 mm × 760 mm. Šířka regálu může být maximálně 0,9 m. Ověřovanou komoditou bylo v tomto případě 8 000 válcových Li-ion článků velikosti 18650 (NCA) s kapacitou 3 500 mAh. Články byly uloženy na vyztužených plastových přepravkách po 160 kusech. K ochraně byly navrženy sprinklery s horizontálním výstřikem typu LB 111 HSW s K 160 a rychlou tepelnou odezvou. Každá skladovací buňka je chráněna jedním sprinklerem umístěným na čelní straně buňky pod horizontální zábranou. Zásoba vody se navrhuje na dobu činnosti sprinklerového zařízení 60 min pro čtyři sprinklery, každý s průtokem 225 l/min. K tomu je potřeba přičíst zásobování hydrantového systému. Při požární zkoušce ve skutečném měřítku se otevřely dva sprinklery. První za dobu 2:12 min a druhý za 2:20 min po zapálení. Sprinklery zamezily rozšíření ohně na sousední detekční regál ve vzdálenosti 1,2 m.
Na základě provedených požárních zkoušek byl sprinkler LB 11 HSW schválen zkušební laboratoří UL. Za stanovených podmínek se připouští k ochraně skladů se standardní komoditou třídy 1–4 a napěněné a nenapěněné plasty v kartonových obalech nebo bez nich. Bez omezení skladovací výšky a výšky stropu. Li-ion baterie lze skladovat v plastových fóliích nabité na 100 %.
Návrhové požadavky VdS
Za pozornost stojí dva dokumenty vydané zkušební laboratoří VdS. V roce 2019 to byly technické podmínky VdS 3856 a v roce 2024 technické podmínky VdS CEA 4001, jejichž součástí je technický návod TB 003 Lithium ionen Batterien vydaný v roce 2022.
Obr. 5 Regálový sklad pro Li-ion baterie bez kartonových obalů podle VdS se sprinklery v šachtách a sprinklery pod vodorovnými zábranami
V dokumentu VdS 3856 jsou uvedeny návrhové požadavky na sprinklerovou ochranu skladů spotřebičů s Li-ion bateriemi s menším energetickým obsahem než 50 kWh. Podle stejných požadavků je možné navrhovat sprinklerovou ochranu pro sklady se smíšenými komoditami, které se nacházejí například v prodejních skladech typu OBI. Pokud jde o sklady s Li-ion bateriemi, požaduje se, obdobně jako v případě požadavků FM, instalace vodorovných zábran nad každou regálovou úrovní. Rozmístění sprinklerů pod zábranami a v příčných šachtách je patrné z obrázku. Návrh sprinklerové ochrany se provádí pro nebezpečí HHS 4. Při blokovém skladování je omezena skladovací plocha na 20 m2 a mezi jednotlivými bloky musí být mezera široká nejméně 3 m. Výška skladování je maximálně 1,5 m, výška stropu 12 m a intenzita dodávky vody 17,5 mm/min. Dokument zmiňuje i ochranu garáží s elektromobily. Ta se navrhuje pro třídu nebezpečí OH 2 a dobu činnosti 60 min. Uvádí se, že toto sprinklerové zařízení nemůže požár elektromobilu uhasit z důvodu omezené možnosti ochlazování baterie, ale může zamezit jeho rozšíření na sousední automobily. Odpověď na tento předpoklad dají požární zkoušky, které doposud nebyly v dostatečném rozsahu provedeny.
V návodě TB 003 jsou uvedeny podmínky pro skladování Li-ion baterií ve skladech:
- spotřebičů s Li-ion bateriemi se stupněm nabití max. 60 % a maximálním energetickým obsahem 1 kWh,
- poškozených baterií s větším objemem než 0,5 m3,
- ve výrobních objektech s objemem baterií menším než 2 m3,
- ve skladech s objemem baterií větším než 2 m3.
Opatření ke snížení požárního rizika
Dokumenty uvedené v tomto článku obsahují rozsáhlý výčet nejrůznějších technicko-organizačních opatření. Jejich cílem je v maximální možné míře snížit možnost vzniku požáru, omezit jeho rozvoj a zamezit rozšíření požáru na sousední hořlavé látky. Podcenění, i na první pohled nepodstatných opatření, může v daném případě vygenerovat vysokou požární majetkovou škodu s možným ohrožením osob toxickými plyny nebo explozí. To se týká nejen míst s velkou kumulací Li-ion baterií jako jsou sklady, bateriová úložiště, podzemní garáže s elektromobily nebo prodejní sklady. I v malé Li-ion baterii v mobilním telefonu může po celonočním nabíjení s vysokým příkonem dojít k tepelné řetězové reakci s následným požárem nebo výbuchem a jeho rozšíření na okolní hořlavé látky. V této souvislosti je třeba upozornit na podcenění možných dopadů z důvodu formálního přístupu např. k provádění školení zaměstnanců, kontrol hadicových systémů, dodržování zákazu kouření a podmínek svařování, dodržování stanovených skladovacích výšek, skladovaného sortimentu nebo odstupových vzdáleností. Zásadní význam pro účinné uhašení požáru skladů Li-ion baterií mají prověřovací cvičení jednotek PO na lokalitách s vysokým potenciálem požárního nebezpečí.
| Typ baterií/kapacita [kWh] | Hořlavost objektu (sousední materiály) | Odstupová vzdálenost [m] | |
|---|---|---|---|
| sprinklerová ochrana | bez sprinklerové ochrany | ||
| LFP 31 | nehořlavé hořlavé | – | 0,9 1,2 |
| LFP 83 | nehořlavé hořlavé | 0,9 | 1,2 1,8 |
| LNO/LMO 47 | nehořlavé hořlavé | – | 1,2 1,8 |
| LNO/LMO 125 | nehořlavé hořlavé | 1,8 | 2,4 4,0 |
| Zdroj: 1) Energy Storage Systems Safety Fact Sheet,2024 | |||
Součástí souboru navrhovaných opatření jsou kromě jiných následnicí podmínky:
- implementovat systém kvality zaměřený na projektování, instalaci a provoz sprinklerových zařízení, zařízení odvětrání kouře a tepla a elektrické požární signalizace,
- zavést systém řízení rizika se zaměřením na vyhodnocování reálného stavu plnění stanovených podmínek a opatření,
- přijmout opatření při opakovaném porušování stanovených podmínek,
- analyzovat příčiny požárů, výbuchů a živelních událostí a navrhovat opatření, aby ze stejné příčiny k těmto událostem nedocházelo,
- zpracovat plán nouzových opatření pro případ požáru, výbuchu nebo živelní události. Včetně podmínek pro vyskladnění poškozených nebo „vyhořelých“ Li-ion baterií a jejich bezpečné likvidace na předem stanoveném místě za přítomnosti požární hlídky,
- zpracovat plán školení zaměstnanců pracujících v prostorech výroby nebo skladování Li-ion baterií a školení nových zaměstnanců,
- kromě elektrické požární signalizace instalovat plynovou signalizaci a průběžně monitorovat teplotu v prostorech skladování a podle potřeby teplotu jednotlivých Li-ion baterií.
Závěr
Z dosavadních poznatků je zřejmé, že přínos sprinklerové ochrany je v případě skladování Li-ion baterií především ve snížení tepelného zatížení stavební konstrukce a zmenšení šířky uličky nebo odstupové vzdálenosti, při které nedojde k rozšíření požáru na sousední hořlavé látky. Za pozornost stojí abnormální požadavky na zásobování vodou. Uvedené poznatky by měly být v maximální možné míře uvedeny do naší projekční praxe bez zbytečného čekání na EN 12845 nebo vymýšlení vymyšleného. K tomu měl přispět i tento článek, který na straně druhé nelze v žádném případě považovat za návrhový dokument.
Obr. 6 Požár elektromobilu
Použitá literatura
- G. Huelsen, Globální aplikace bezpečnosti, inteligentní infrastruktura, Siemens.
- R.T. Long, A.M. Misera, Guidance for Lithium–Ion Based Energy Storage Systems, Sprinkler Protection, Research Foundation, June 2019.
- Development of protection recommodations for Li-ion battery Bulk Storage, Sprinklers fire test, FM Global, 2016.
- NFPA E-Bike and E–scoter, 2022.
- A. Verzoni a Big Apple E–ban, NFPA Journal.
- Reliable Bulletin 084, květen 2023.
- oze.tzb-info.cz/akumulace-elektriny/24535-materialy-pro-li-ion-akumulatory-porovnani.
- R. Bishop, O. Willstrand, F. Amon, M. Rosengren, Fire Safety of Litium Ion Batteries in Road vehicles, RISE 2019.
- T. Kazda, Materiály pro Li-ion akumulátory – porovnání, TZB, 2022.
- FM Global data Sheet 7–112: 2024.
- Technické podmínky VdS CEA 4001:2024.
- Technické podmínky VdS 3856:2019.
Příspěvek poskytuje ucelený přehled současně dosažených poznatků a navrhovaných opatření v oblasti požární ochrany při skladování Li-ion baterií. K velkému posunu v této oblasti došlo zejména v loňském roce, kdy byly vydány některé relevantní veřejně dostupné zahraniční dokumenty, týkající se této závažné problematiky. Článek je zaměřen na seznámení odborné veřejnosti s těmito dokumenty, které jsou využitelné v současné realizační praxi.
Článek je logicky vhodně uspořádán, má velmi dobrý vypovídací charakter i obsah, založený na současných poznatcích.
