El desarrollo de directivas para la protección de ESS con rociadores

Por: Tom Long

En los Estados Unidos, se espera que la utilización de las baterías de ion de litio se convierta en un mercado de más de 90 mil millones de dólares anuales para 2025. Desde 2004, las baterías de ion de litio se utilizaron principalmente en los aparatos electrónicos hasta aproximadamente el año 2015, cuando se las empezó a utilizar en los autos y autobuses electrónicos. En ese momento, los sistemas de almacenamiento de energía (ESS, por sus siglas en inglés) recién estaban apareciendo en el mercado. Hoy, las instalaciones de ESS están creciendo pero todavía se considera que no aportan mucho al uso de la tecnología de ion de litio, aunque las proyecciones muestran que el número crece exponencialmente. Para el año 2025, se proyecta que el segundo mayor uso que tendrán las baterías de ion de litio, después de los autos eléctricos, será en los ESS.

Las autoridades competentes locales y demás partes interesadas han padecido la falta de información sobre la supresión de incendios en estas instalaciones.

Relación entre los ESS y la protección contra incendios

Las baterías de ion de litio y los ESS están siendo temas muy tratados entre la comunidad de la protección contra incendios por su potencial volatilidad y el potencial peligro de incendio. El crecimiento proyectado aumenta aún más la necesidad y la importancia de contar con directivas para la protección contra incendios. Los proyectos de investigación realizados por la Fundación para la Investigación de la Protección contra Incendios (FPRF) realizaron pruebas en baterías de ion de litio individuales y módulos de electrodomésticos en diferentes configuraciones, pero el último proyecto multifacético se enfocó en los sistemas de almacenamiento de energía (ESS) con batería de ion de litio. Otro trabajo realizado por la FPRF en 2016, la “Evaluación de Peligro de Incendio de los Sistemas de Almacenamiento de Energía con Batería de Ion de Litio”, dejó en claro la necesidad de continuar investigando sobre los ESS. El proyecto de la segunda fase de la FPRF, respaldado por Property Insurance Research Group (PIRG), tuvo la finalidad de establecer directivas sobre el uso de rociadores contra incendio para los ESS con batería de ion de litio instalados en los edificios comerciales. Como parte de este proyecto, FM Global realizó pruebas a pequeña, mediana y gran escala para desarrollar recomendaciones sobre los rociadores. En junio de 2019, se publicaron dos informes: el informe de la prueba de FM Global “Desarrollo de directivas sobre el uso de rociadores contra incendio para los sistemas de almacenamiento de energía con batería de ion de litio” y el resumen del informe de la FPRF “Directivas sobre el uso de rociadores contra incendio para los sistemas de almacenamiento de energía con batería de ion de litio”.

Fase II – Información general y pruebas

El objetivo general de las pruebas fue determinar el rendimiento de los sistemas de protección contra incendios a base de agua en los ESS. Todas las pruebas se realizaron con módulos de baterías donadas compuestas por dos químicas diferentes: de litio hierro fosfato (LFP) y de níquel- manganeso-cobalto (NMC). La diferencia predominante entre los peligros fue la química de los electrolitos y la densidad de la energía total. Las primeras tres pruebas realizadas fueron pruebas de combustión libre (free-burn) a pequeña, mediana y gran escala, y la última fue una prueba con rociadores a gran escala. En base al estudio previo realizado por DNV-GL “Consideraciones sobre la Seguridad contra Incendios en ESS” , se utilizó agua en todas las pruebas de supresión. Estas pruebas con rociadores se realizaron con el fin de obtener datos en escala real que apoyen el uso de sistemas de rociadores como parte de la estrategia de protección.

Las pruebas a pequeña escala se realizaron para saber si se podía inducir el embalamiento térmico. Las pruebas a mediana escala se realizaron para determinar el efecto de la capacidad del sistema y la exposición térmica. Las pruebas a gran escala consistieron en dos racks de 16 módulos cada uno y se realizaron para establecer la peligrosidad general del ESS. Las pruebas de protección con rociadores a gran escala se realizaron para determinar el rendimiento de un sistema de rociadores contra incendios típico de un centro comercial donde se podría instalar un ESS.

Las pruebas con rociadores tuvieron una configuración similar a la de las pruebas de combustión libre a gran escala e incluyeron 16 módulos de baterías además de un rack con 16 módulos colocado a la izquierda del rack principal para medir la propagación del fuego. Los rociadores utilizados fueron rociadores K81 L/min/bar1/2 (K5,6 gpm/psi1/2), QR, temperatura nominal de 74°C (165°F). Utilizando un diseño que representaba el peor de los escenarios, los rociadores se instalaron con una separación de 3m x 3m (10 pies x 10 pies) y el elemento termosensible se colocó 0,3 m (1 pie) por debajo del cielorraso. El área tenía 49 rociadores, cuatro de los cuales estaban activos y podían descargar agua si se activaban, y los 45 restantes se utilizaron para indicar su funcionamiento pero sin descargar agua. En el informe de FM Global se pueden encontrar más detalles de la configuración de la prueba.

Cada nivel de prueba demostró para ambas composiciones químicas de las baterías que el incendio de un solo módulo fue suficiente para involucrar a todos los módulos del rack testeado. Comparando los dos tipos de baterías, todos los niveles de prueba demostraron que los módulos de baterías de LFP presentaron un riesgo de incendio menor que los módulos de NMC. Durante la prueba de LFP, con la activación de un solo rociador se pudo controlar el fuego propagado al rack de origen. En la prueba de NMC, se activaron varios rociadores, lo que dio como resultado una superficie de demanda de más de 230 m2 (2.500 pies2) y la propagación del fuego desde el rack de origen hacia el rack de destino.

De acuerdo con los resultados experimentales, se obtuvieron las siguientes conclusiones:

1. El ESS compuesto por baterías de LFP bajo un cielorraso de 4,6 m (15 pies) estuvo correctamente protegido por el rociador de destino. El suministro de agua debería basarse en una superficie de demanda de 230 m2 (2.500 pies2) como mínimo, con una duración de al menos 90 minutos. Las conclusiones se basan en la activación de un solo rociador que controló el fuego del rack de origen, sin involucrar al rack de destino.
2. El ESS compuesto por baterías de NMC bajo un cielorraso de 4,6 m (15 pies) puede estar correctamente protegido por el rociador de destino. Sin embargo, se activaron demasiados rociadores durante la prueba, lo que representó conservadoramente una superficie de demanda superior a 230 m2 (2.500 pies2). Además, el fuego se propagó del rack de origen al rack de destino adyacente, lo que indica que los racks de ESS instalados en fila uno al lado del otro podrían quedar involucrados en el incendio.
3. Las pruebas de combustión libre a gran escala descriptas en la Sección 6.1 del informe de FM Global son las recomendadas para determinar la distancia de separación adecuada para evitar la propagación del fuego a los objetos combustibles cercanos o el daño de los objetos no combustibles ante la falta de la protección de los rociadores. Estas pruebas también son necesarias cuando se tengan dudas sobre el impacto que pueda tener el cambio del diseño de un ESS sobre la peligrosidad del sistema.
4. Las pruebas de protección con rociadores a gran escala descriptas en la Sección 6.2 del informe de FM Global son las recomendadas para determinar la distancia de separación adecuada para evitar la propagación del fuego a los objetos combustibles cercanos o el daño de los objetos no combustibles, así como el diseño de protección del rociador, como la densidad/área de descarga y la duración del suministro de agua.

Para complementar las conclusiones, se crearon recomendaciones de protección general para los ESS con baterías de ion de litio instalados en establecimientos comerciales. Las siguientes recomendaciones se crearon a partir de los resultados de las pruebas específicas:

Para el Sistema de LFP sometido a las pruebas:

1. Sin protección contra incendios, el ESS debe estar a una distancia mínima de 1,2 m (4 pies) de los objetos no combustibles y a 1,8 m (6 pies) de los objetos combustibles.
2. Con protección contra incendios, el ESS debe estar a una distancia mínima de 0,9 m (3 pies) de los objetos no combustibles y a 1,5 m (5 pies) de los objetos combustibles. El suministro de agua del sistema de rociadores debe estar diseñado para una superficie de demanda de 230 m2 (2.500 pies2) como mínimo y debe durar al menos 90 minutos.

Para el Sistema de NMC sometido a las pruebas:

1. Sin protección contra incendios, el ESS debe estar a una distancia mínima de 2,4 m (8 pies) de los objetos no combustibles y a 4 m (13 pies) de los objetos combustibles.
2. Con protección contra incendios, el ESS debe estar a una distancia mínima de 1,8 m (6 pies) de los objetos no combustibles y a 2,7 m (9 pies) de los objetos combustibles. El suministro de agua del sistema de rociadores debe estar diseñado para cubrir toda la superficie de la habitación en la que se encuentre el ESS y el cálculo de la duración debe ser de 45 minutos multiplicado por la cantidad de racks adyacentes.

Próximos pasos

La siguiente lista sugiere los trabajos futuros que deben realizarse para comprender mejor cuáles son los requisitos de protección general para los ESS:

• Determinar los criterios de peligro de incendio y protección con rociadores para las instalaciones de varios racks de ESS
• Probar los efectos de diferentes barreras térmicas instaladas entre los racks de ESS adyacentes
• Probar los efectos del diseño y el material de construcción de los racks sobre el desarrollo del incendio
• Evaluar la relación entre el peligro de incendio y las diferentes propiedades de las baterías/módulos
• Probar los efectos de la protección de los rociadores “en racks” sobre los módulos con una configuración de almacenamiento en racks
• Realizar pruebas variando la superficie de demanda del rociador, la duración del agua y las distancias de separación
• Realizar pruebas variando el caudal y la duración de la manguera
• Evaluar los potenciales riesgos que corre el personal de bomberos que utiliza mangueras manuales
• Evaluar los posibles problemas ambientales asociados con la evacuación del agua

En la edición del 4to trimestre de 2019 de la revista Fire Protection Engineering se brindarán más detalles sobre las pruebas de incendio descriptas en este artículo.

Tom Long trabaja para Exponent

Referencias

1. Baes, K., Kolk, M., Carlot, F., Merhaba, A., Ito, Y., El futuro de las baterías, ¿el ganador se lleva todo? Arthur D. Little, (Mayo 2018)
2. Merlin, H. E., El mercado de las baterías de ion de litio usadas-un estudio de fondo, Global Battery Alliance, (2018)
3. Benjamin Ditch y Dong Zeng, “Desarrollo de directivas sobre el uso de rociadores contra incendio para los sistemas de almacenamiento de energía con batería de ion de litio”, FM Global, Junio 2019
4. R. Thomas Long, Jr. y Amy M. Misera, “Directivas sobre el uso de rociadores contra incendio para los sistemas de almacenamiento de energía con batería de ion de litio”, Fire Protection Research Foundation, Junio 2019
5. DNV-GL, " Consideraciones sobre la protección contra incendios de los ESS”, Consolidated Edison New York, NY, Informe Final OAPUS301WIKO(PP151895), Rev. 4, 2017