SEGURANÇA CONTRA INCÊNDIOS - UL · maneiras de tornar o mundo um lugar mais seguro. ... A...

UL.COM/NEWSCIENCE-BRAZIL

NEW SCIENCE

SEGURANÇA CONTRA INCÊNDIOSREVISTA

1EDIÇÃO

ul.com/newscience

NOVOS DESAFIOS BUSQUE A NEW SCIENCE

O progresso é uma força transformadora que não pode ser contida. As novas tecnologias, os avanços de produtos e a globalização estão chegando ao mesmo tempo e em um ritmo acelerado. A inovação nos torna mais eficientes, mais produtivos e mais conectados. Porém, existe um custo, e esse custo é o risco. Para ajudar a reduzir os riscos emergentes, a UL está desenvolvendo a New Science. Através de descobertas, metodologias e equipamentos de teste, procedimentos, software e normas fundamentais, a UL está criando novas e importantes maneiras de tornar o mundo um lugar mais seguro.

REVISTA SEGURANÇA CONTRA INCÊNDIO 3

A pesquisa de segurança contra incêndio da UL está na vanguarda criando a New Science para ajudar os fabricantes a fazerem produtos mais seguros e proteger consumidores, bombeiros, casas, edifícios e veículos dos perigos relacionados a incêndios. Buscando entender melhor o quanto as casas modernas mudaram, realizamos experiências inovadoras para quantificar a forma como os incêndios em ambientes construídos se tornaram muito mais perigosos, ao mesmo tempo que apontamos as áreas nas quais são necessárias novas estratégias de contenção e supressão de incêndio. Desenvolvemos a New Science sobre a fumaça para melhor identificar sua composição e seus níveis mais elevados de toxicidade. Estamos também avançando na compreensão do impacto da fumaça de hoje sobre a saúde dos bombeiros ao longo do tempo. A UL inovou a maneira de investigar os novos painéis fotovoltaicos de energia mais elevada e os riscos que eles representam em situações de incêndio. Em relação ao armazenamento de energia, a UL criou uma maneira de testar as baterias de íon-lítio de hoje para determinar o risco de curto-circuito induzido por incêndios e explosões. Olhando para o futuro, estamos desenvolvendo maneiras de aproveitar nosso banco de dados para permitir melhores técnicas de previsão e prevenção de incêndios.

SEGURANÇA CONTRA INCÊNDIOPANORAMA

INCÊNDIOS RESIDENCIAIS MODERNOS

REDEFININDO A FUMAÇA

PAINÉIS FOTOVOLTAICOS

BATERIAS DE ÍON-LÍTIO

RESIDENTIAL FIRES REVISTA SEGURANÇA CONTRA INCÊNDIO / INCÊNDIOS RESIDENCIAIS MODERNOS 5

A UL realizou centenas de estudos analíticos para compreender os aspectos individuais de incêndios domésticos ao longo dos anos. Em 2012, a UL trouxe seus conhecimentos compactados em uma série de testes exclusivos para o avanço da ciência de incêndios residenciais. A fim de entender as implicações dos incêndios domésticos modernos, os cientistas da UL conduziram uma série de experimentos que levou em conta as mudanças importantes nas residências modernas. Essas mudanças incluem as diferenças no tamanho e na geometria das casas modernas, bem como os móveis e os materiais de construção utilizados.

Nos experimentos, três configurações de residências modernas foram testadas contra três configurações antigas, definidas como as que têm móveis de meados do século 20 e de materiais de construção de 1950 a 1970. Os testes mostraram uma consistência de resultados entre as três habitações modernas e as três habitações antigas que examinamos. Todas as habitações modernas chegaram à faísca – que ocorre quando a maioria das superfícies expostas em um espaço é aquecida à temperatura de autoignição e emite gases inflamáveis – em menos de cinco minutos, enquanto que, entre as residências antigas, a que levou menos tempo para chegar à faísca fez isso em pouco mais de 29 minutos. Nos três conjuntos de experimentos, as residências mobiliadas antigas levaram pelo menos 700% a mais de tempo para atingir a faísca.1

Os experimentos revelaram que os materiais naturais das residências antigas liberaram energia mais lentamente do que as residências com mobília moderna, sintética e de queima mais rápida, o que deixa muito menos tempo para os ocupantes escaparem do incêndio. Os experimentos também demonstraram aos bombeiros que, na maioria dos casos, o incêndio chegou à faísca antes de sua chegada ou teve sua ventilação limitada, esperando por uma abertura de ventilação para aumentar sua velocidade de combustão. Essa diferença tem um impacto substancial na segurança dos ocupantes e na segurança dos bombeiros, levando a propagação mais rápida do incêndio, menor tempo até a faísca, mudanças rápidas na dinâmica do incêndio e tempos de escape mais curtos.2

Nosso teste avançado também analisou quatro tipos de novos materiais de construção: revestimentos de parede, componentes estruturais, janelas e portas internas. A mudança de revestimentos modernos de paredes agora permite que os incêndios que atingiam essencialmente a mobília se tornem incêndios estruturais, penetrando os

CONTEXTO

O QUE FEZ A UL?

HOJE

TAXA ATÉ A FAÍSCA PARA RESIDÊNCIAS MODERNAS3

50 ANOS ATRÁS

OITO VEZES MAIS RÁPIDO

CONTEXTOOs cientistas e engenheiros de pesquisa da UL têm realizado uma série de testes inovadores e avaliado seus resultados. Eles identificaram que os incêndios em residências modernas são uma “combinação perfeita de agravantes” de condições e resultados: casas maiores + geometria de casas abertas + aumento das cargas de combustível + novos materiais de construção = propagação de incêndios mais rápida, menor tempo até a faísca, mudanças rápidas na dinâmica de incêndio, tempos mais curtos de fuga e de colapso estrutural do prédio.

revestimentos das paredes e envolvendo os espaços vazios. Essa mudança causa uma propagação mais rápida do incêndio e um menor tempo até o colapso estrutural. Os componentes estruturais, em geral, tornaram-se mais leves através da remoção de massa, o que faz com que o colapso seja significativamente mais rápido.4

Nessas experiências, um sistema projetado de piso de viga de perfil estrutural em I entra em colapso em menos de 1/3 do tempo com relação ao sistema de piso de madeira serrada de estrutura dimensional. Janelas e portas interiores modernas caem mais rapidamente do que suas equivalentes antigas. As janelas cederam em metade do tempo, e as portas, em cerca de cinco minutos. Se um incêndio em um ambiente fechado é capaz de subir ao ar para queimar a partir de uma janela com falha, então ele pode queimar através de uma porta e se estender ao resto da casa. Tal como aconteceu com as experiências anteriores, foi descoberto que o uso de novos materiais de construção também leva a propagação do incêndio mais rapidamente, mudanças rápidas na dinâmica do incêndio e tempos de fuga menores para ocupantes e bombeiros.5

Os testes originais da UL também identificaram implicações para o colapso. Especificamente em ambientes modernos de incêndio, se os bombeiros chegam em oito minutos ao local, o colapso pode acontecer em até 90 segundos após sua chegada. Os bombeiros podem não estar na residência ainda ou podem estar entrando na residência para procurar ocupantes. Por outro lado, nossa pesquisa mostrou que o desmoronamento por incêndio nas residências antigas começa 40 minutos após a chegada dos bombeiros. Em uma residência antiga, o tempo adicional antes do colapso permitiria que várias operações de combate ao incêndio ocorressem enquanto os bombeiros estivessem analisando a segurança da estrutura.6 A UL está trabalhando hoje para fazer melhorias nesses sistemas, trabalhando em estreita colaboração com os fabricantes e as outras importantes partes interessadas.

As descobertas sobre incêndios domésticos modernos apontam que as condições que os bombeiros enfrentam hoje e que enfrentarão no futuro são muito diferentes das enfrentadas pelas gerações anteriores.

POR QUE É IMPORTANTE?

IMPACTO

A conclusão geral do teste de incêndios da UL é de que as mudanças nas residências modernas geram incêndios que atingem a faísca oito vezes mais rápido do que nas residências construídas há 50 anos. Essa progressão muito mais rápida até a faísca dá a moradores, bombeiros e outros socorristas muito menos tempo para reagir, gerando riscos significativos à saúde e à propriedade.7

As descobertas sobre incêndios domésticos modernos apontam que as condições que os bombeiros enfrentam hoje e que enfrentarão no futuro são muito diferentes das enfrentadas pelas gerações anteriores. Devido a essas alterações, as táticas de combate a incêndios precisam mudar ou ser reavaliadas para ajudar a garantir que elas sejam eficazes. A UL está trabalhando em estreita colaboração com a comunidade de combate a incêndios para continuar a analisar e considerar os novos métodos e as novas práticas operacionais ao avanço da segurança.

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HOJE

OS INCÊNDIOS HOJE PODEM AUMENTAR A TEMPERATURA DE 120

A 800 GRAUS CELSIUS8

EM ANOS ANTERIORES

EM 10 SEGUNDOS

Os pesquisadores da UL têm participado ativamente nas investigações em curso sobre a natureza mutável dos incêndios modernos, a eficácia das tecnologias de detecção de fumaça atuais e as implicações da fumaça de hoje sobre a segurança dos bombeiros.

A mudança dos materiais naturais para os sintéticos em casas modernas criou um ambiente onde os incêndios se desenvolvem e se movem muito mais rapidamente a condições insustentáveis. Assim sendo, a quantidade de tempo disponível para escapar com segurança de um incêndio é muito menor do que era no passado, colocando uma carga maior sobre alarmes de fumaça para que respondam nas primeiras fases de um incêndio. Na verdade, um percentual de alarmes de fumaça reage mais rapidamente ao tipo de fumaça liberada pelos novos materiais modernos, a qual é diferente em sua composição da fumaça gerada por materiais naturais.9

Em resposta aos dados relativos a características da fumaça de materiais modernos, a UL está trabalhando com outros profissionais de segurança e fabricantes para desenvolver novos métodos e dados para promover ainda mais a inovação de novas tecnologias de detecção de fumaça.10

Além dos novos desafios de detecção causados pela química dos novos materiais, o tipo e a quantidade de partículas da fumaça gerada quando os materiais sintéticos incendeiam são também caracteristicamente diferentes dos encontrados nos materiais naturais. Uma das principais observações apontadas no Projeto de caracterização da fumaça UL-FPRF foi a da predominância de partículas de fumaça de tamanho submicrométrico geradas pela combustão. Trabalhando com a Fundação de pesquisa de proteção contra incêndios (FPRF) NFPA e com o setor de produção de detectores de fumaça, a complexa investigação de pesquisa procurou responder à pergunta básica: o que é a fumaça? Além dessa pesquisa fundamental, a UL investigou a relação causal entre as partículas de fumaça submicrométricas e o risco de problemas cardiovasculares. A UL, em parceria com os bombeiros de Chicago e com a University of Cincinnati College of Medicine, ambos nos EUA, coletou dados sobre a fumaça e os gases efluentes aos quais os bombeiros estão expostos durante as operações de combate a incêndios de rotina, bem como sobre a exposição de contato ao equipamento de proteção individual contaminado. A pesquisa foi financiada por um subsídio substancial do Departamento de Segurança Interna dos EUA.11

Os novos materiais sintéticos frequentemente utilizados em edifícios residenciais, móveis, aparelhos eletrônicos e até mesmo em brinquedos mudaram a natureza dos incêndios, bem como a da fumaça. A UL vem estudando como os materiais têm evoluído ao longo dos últimos 30 anos e como a química da fumaça tem sido afetada pelas mudanças nas propriedades do material. A New Science da UL demonstra os efeitos potenciais das mudanças na química da fumaça na ciência dos materiais, no comportamento do fogo, na tecnologia de detecção da fumaça e na segurança dos bombeiros.

CONTEXTO

O QUE FEZ A UL?

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A pesquisa da UL descobriu que os materiais sintéticos produzem mais fumaça do que os naturais e que a combustão dos materiais sintéticos gera subprodutos asfixiantes que causam irritações e cancerígenos aéreos.

Como um componente deste estudo, as características de combustibilidade, da fumaça e dos gases de 42 materiais de construção e de mobiliário residencial diferentes foram classificadas utilizando a metodologia desenvolvida no Projeto de caracterização da fumaça UL-FPRF. Isso aumentou o número de identificações de fumaça medidas de 18 materiais, originalmente concluídas no Projeto de caracterização da fumaça UL-FPRF, para 60 identificações de fumaça atualmente reconhecidas.12

A pesquisa inédita da UL descobriu definitivamente que os materiais sintéticos produzem mais fumaça do que os naturais, que a combustão dos materiais gera asfixiantes, substâncias que causam irritação e subprodutos cancerígenos aéreos que podem ser potencialmente debilitantes; as substâncias químicas cancerígenas podem atuar topicamente após a inalação ou absorção cutânea, inclusive de equipamentos contaminados. Além disso, em longo prazo, a exposição repetida pode acelerar a mortalidade cardiovascular e a iniciação e/ou progressão da arteriosclerose.13

Os cientistas e engenheiros da UL também determinaram que a espuma de poliuretano, inflamável ou não, produz fumaça com características que são diferentes daquelas usadas para avaliar alarmes de fumaça de acordo com a UL 217. Assim, a UL formou um grupo de trabalho sob o painel de normas técnicas (STP, Standard Technical Panel) UL 217 para desenvolver testes para a espuma de poliuretano inflamável ou não inflamável. O objetivo do grupo de trabalho foi ampliar o número de identificações de fumaça para que os alarmes de fumaça sejam avaliados sob essa norma. Até o momento, o grupo de trabalho estabeleceu os critérios alvo de desempenho para os novos testes de incêndio que não causarão inadvertidamente um aumento na frequência de alarmes falsos. A UL também investigou a fumaça produzida por amostras de espumas disponíveis comercialmente utilizadas em colchões e móveis estofados, cobrindo uma gama de densidades.14

Além disso, o grupo de trabalho investigou como o tamanho da amostra, a geometria, a densidade, o modo de combustão e o modo de aquecimento causam impacto no tamanho das partículas de fumaça, na contagem de distribuição e nas taxas de acúmulo de concentração de fumaça. Na fase final de seu trabalho, o grupo tem usado seus resultados para selecionar o material de espuma de teste e os protocolos de teste para inflamáveis e produtores de fumaça não inflamáveis a serem propostos ao STP UL 217. As especificações de materiais de teste e os limites de consistência dos testes já estão sendo formulados para os protocolos de teste selecionados gerados pelo grupo de trabalho.15

Um problema inesperado do desenvolvimento de especificações de materiais e dos limites de consistência dos testes foi a descoberta de que o tamanho das células de espuma de poliuretano (independentemente da densidade da espuma) tem um impacto significativo na taxa de formação de fumaça, particularmente para o protocolo de teste de incêndios mais lento dos produtores de fumaça não inflamáveis. Para investigar mais profundamente esse problema, o grupo de trabalho segue atualmente duas abordagens: o desenvolvimento de especificações de materiais de teste e os limites de


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A UL buscará a análise em profundidade dos estudos existentes sobre as epidemiologias de câncer e a caracterização da exposição potencial na cena de incêndios tanto para produtos químicos tóxicos quanto para contaminantes acumulados em equipamentos de proteção de bombeiros.

A natureza mutável da fumaça gera riscos significativos à saúde tanto para os ocupantes da residência quanto para os bombeiros. Para os ocupantes das residências, é imperativo que as tecnologias de detecção de fumaça sejam eficazes a fim de que eles tenham tempo suficiente para escapar de uma casa em chamas. Para os bombeiros, a detecção precoce lhes dá mais tempo para lutar com mais eficácia contra os incêndios o mais rápido possível. A compreensão dos riscos à saúde para os bombeiros devido à exposição em longo prazo às partículas de fumaça mais tóxicas de hoje também é importante a fim de que contramedidas eficazes possam ser desenvolvidas.

À medida que a pesquisa contínua da UL vai sendo disponibilizada, os resultados podem levar a avanços em produtos, normas de segurança de produtos, códigos modelo e regulamentações. O objetivo final da pesquisa de alarme de fumaça da UL é fornecer os dados tecnológicos que possam ajudar a reduzir e/ou eliminar as mortes por incêndio.17

A UL está buscando pesquisas adicionais que se baseiam na investigação sobre a exposição dos bombeiros às partículas de fumaça para avançar nas descobertas únicas até o momento. A UL buscará a análise em profundidade dos estudos existentes sobre as epidemiologias de câncer e a caracterização da exposição potencial na cena de incêndios tanto para produtos químicos tóxicos quanto para contaminantes acumulados em equipamentos de proteção de bombeiros. Trabalharemos em conjunto com as principais organizações e universidades para desenvolver uma melhor definição do potencial de impactos respiratórios, relativos ao câncer e à saúde cardiovascular em longo prazo, e para determinar a contribuição relativa das vias de exposição respiratórias e de absorção cutânea. Por último, nossa pesquisa, em um trabalho cooperativo com os principais parceiros e as principais associações, examinará o uso de práticas de higiene e industriais relacionadas aos equipamentos de proteção dos bombeiros.


IMPACTO

consistência de teste para uma série de espumas comercialmente disponíveis que atendam às metas de propriedade do material de teste e o desenvolvimento de uma norma de referência para a espuma de poliuretano.16

Assim que as propriedades do material (químicas, de densidade, de densidade de carga de indentação, do tamanho da célula etc.) forem determinadas, os protocolos dos testes propostos serão estatisticamente repetíveis para estabelecer os limites de consistência dos testes, e o grupo de trabalho apresentará os protocolos de teste desenvolvidos (incluindo especificações de amostra de teste) em relação ao STP UL 217 para análise e consideração.


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A UL está capacitando bombeiros experientes durante momentos críticos de tomada de decisão sobre como reagir quando se deparam com novas situações causadas por tecnologias de painéis fotovoltaicos.

A UL está capacitando bombeiros experientes durante momentos críticos de tomada de decisão sobre como reagir quando se deparam com novas situações e novos riscos potenciais causados por tecnologias de painéis fotovoltaicos.

Nos últimos anos, os sistemas fotovoltaicos têm avançado, produzindo mais energia e tornando-se mais acessíveis para o proprietário médio. Há apenas oito anos, painéis fotovoltaicos convertiam somente 6% da energia solar absorvida em energia reutilizável. Hoje, eles convertem 25% da energia. Além disso, o aumento na absorção e a conversão resultaram em painéis que são muito mais eficientes, mas também muito mais quentes do que antes. O aumento das temperaturas de operação significa que os painéis fotovoltaicos já não podem ser colocados próximos a um telhado, mas 10 a 18 centímetros acima, em uma plataforma no telhado. Esse intervalo de passagem de ar pode fazer com que os incêndios entre o painel fotovoltaico e o telhado sejam muito mais intensos do que os em um telhado tradicional. Os pesquisadores da UL lideraram a descoberta em torno de riscos de incêndio associados aos painéis fotovoltaicos, desenvolvendo um padrão para proteção contra falha de arco para sistemas fotovoltaicos e estando entre os primeiros a abordar especificamente os riscos operacionais às equipes de bombeiros.19

Em 2011, nossos cientistas construíram um arranjo fotovoltaico funcional para servir como um dispositivo de teste através da bolsa de assistência ao combate a incêndios do Departamento de Segurança Interna dos EUA, por meio do Programa de Pesquisa em Segurança e Prevenção de Incêndios. Dispositivos existentes de teste de incêndio, localizados no Centro de treinamento para serviços de emergência do Condado de Delaware (Delaware County Emergency Services Training Center), EUA, foram modificados para construir representações em escala real de sistemas fotovoltaicos montados em telhados. O arranjo de teste principal consistiu de 26 módulos fotovoltaicos em um quadro, classificados como sendo de 230 W cada (potência nominal total de 5.980 W). Vários experimentos foram realizados para investigar a eficácia das técnicas de isolamento da energia e os riscos potenciais do contato de ferramentas típicas dos bombeiros com componentes elétricos fotovoltaicos energizados.20

O uso de sistemas fotovoltaicos (PV) como fonte de geração de energia está crescendo a uma taxa de 30% ao ano devido aos incentivos governamentais e ao aumento dos custos de energia tradicionais.15 Como resultado da maior utilização, táticas tradicionais dos bombeiros quanto à supressão, à ventilação e à revisão ficaram complicadas, deixando os bombeiros vulneráveis a exposições potencialmente não reconhecidas (especialmente devido ao risco de choque elétrico). Embora os riscos elétricos e de incêndio associados aos sistemas de geração e distribuição elétrica sejam bem conhecidos, os sistemas fotovoltaicos apresentam considerações únicas de segurança.18

O QUE FEZ A UL?

CONTEXTO

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O estudo abordou o perigo de choque devido à presença de água e energia fotovoltaica durante as atividades de supressão, o risco de choque devido ao contato direto com componentes energizados durante as operações de combate a incêndios, as técnicas de desconexão e interrupção de emergência e o risco de choque devido ao rompimento de condutores, avaliou a energia fotovoltaica com pouca iluminação ambiente, iluminação artificial e iluminação causada por incêndio, além de avaliar o risco de choque elétrico a partir de módulos e sistemas fotovoltaicos danificados.

Como resultado, a UL fez novas descobertas que têm um impacto na segurança do bombeiro:

• Desligar um arranjo fotovoltaico não é tão simples como abrir uma chave de desligamento. Dependendo do sistema individual, múltiplos circuitos podem ser ligados em conjunto a um ponto comum, tal como uma caixa de fusíveis. Todos os circuitos de alimentação de energia nesse ponto devem ser interrompidos a fim de desenergizar parcialmente o sistema. Enquanto o arranjo estiver recebendo luz, as partes do sistema permanecerão energizadas. Ao contrário de uma concessionária de energia elétrica ou de gás típica, um arranjo fotovoltaico não tem ponto algum de desconexão.21

• As lonas oferecem diferentes graus de eficácia para interromper a geração de energia a partir de um arranjo fotovoltaico, independentemente do custo. Tecidos de costura de alta densidade e pesados e filmes plásticos escuros reduzem a energia fotovoltaica a, aproximadamente, zero. A UL descobriu que, se a luz pode ser vista através de uma lona, esta não deve ser usada. Devem ser tomadas precauções durante a implantação de lonas em equipamentos danificados, pois uma lona molhada poderá ficar energizada e conduzir correntes perigosas se entrar em contato com equipamentos energizados. Espuma de combate a incêndios não deve ser usada para bloquear a luz.22

• Quando iluminados por fontes de luz artificial, como caminhões leves do corpo de bombeiros ou um incêndio de exposição, os sistemas fotovoltaicos são capazes de produzir energia elétrica suficiente para causar perigo por associação.23


14

Esses estudos desenvolveram os dados empíricos necessários para quantificar os riscos associados a instalações fotovoltaicas. Esses dados fornecem a base para modificar as práticas atuais de combate ao fogo ou desenvolver novas práticas a fim de reduzir as mortes e os ferimentos de bombeiros.

Os resultados desses experimentos fornecem uma base técnica para que o serviço de bombeiros examine seus equipamentos, suas táticas, seus procedimentos operacionais padrão e o conteúdo de seus treinamentos. Várias considerações táticas foram desenvolvidas utilizando os dados das experiências para fornecer exemplos específicos de choque elétrico por instalações fotovoltaicas durante e após um incêndio.


IMPACTO

• Severely damaged PV arrays are capable of producing hazardous conditions including electrocution. Damage to the array may result in the creation of new and unexpected circuit paths. These paths may include both array components (module frame, mounting racks, conduits, etc.) and building components (metal roofs, flashings and gutters). Care must be exercised during all operations, both interior and exterior. Contacting a local professional PV installation company should be considered to mitigate potential hazards.24

• Damage to modules from tools may result in both electrical and fire hazards. The hazards may occur at the point of damage or at other locations, depending on the electrical path. Metal roofs present unique challenges in that the surface is conductive, unlike other roof types such as shingle, ballasted or single-ply designs.25

• As luvas e as botas de bombeiros oferecem uma proteção limitada contra choques elétricos, desde que a superfície de isolamento esteja intacta e seca. Eles não devem ser considerados equivalentes aos equipamentos de proteção individual contra eletricidade.26

• A equipe de resposta deve ficar longe do teto, pois os módulos ou as seções de um arranjo podem deslizar para fora do telhado.27

• Os incêndios sob um arranjo, mas acima do teto, podem penetrar materiais de cobertura e decks, permitindo que o fogo se propague no espaço do sótão.28

Também está sendo realizada uma pesquisa para examinar o impacto de painéis fotovoltaicos – no sentido de verificar questões atuais, como a simulação dos efeitos de incêndios entrando nos painéis fotovoltaicos para verificar os potenciais efeitos futuros, desenvolvendo maneiras de simular 30 anos de envelhecimento em um ano.


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Com alta energia e alta densidade de energia, as células de íon-lítio se tornaram a combinação química preferida para baterias recarregáveis que são cada vez mais usadas em equipamentos eletrônicos portáteis de consumo, ferramentas elétricas, equipamentos médicos, aplicações aeroespaciais, veículos elétricos e híbridos elétricos. O mercado mundial de baterias de lítio deve atingir quase 10 bilhões de dólares em vendas anuais até 2014, com o mercado de baterias de íon-lítio representando quase 86% dessas vendas (8,6 bilhões de dólares).29

Ao mesmo tempo, no entanto, vários incidentes de grande repercussão envolvendo incêndios e uma explosão de dispositivos alimentados por células de íon-lítio têm levantado preocupações sobre a segurança de tais produtos pequenos, mas poderosos. Os relatórios de defeitos da bateria que levam a curtos-circuitos internos e fugas térmicas (onde um forte aumento no calor desencadeia um calor autossustentável e potencialmente intensificador ou uma reação exotérmica) fizeram com que milhares de produtos fossem recolhidos devido a alguma falha específica do produto.30

Algumas das falhas de campo altamente divulgadas das baterias de íon-lítio têm sido associadas a um curto-circuito interno (ISC) dentro da bateria. Notadamente, a maioria das normas de segurança e dos protocolos de testes das baterias de íon-lítio não inclui especificamente testes para ISC.

Ao longo dos últimos dois anos, a UL fez uma parceria com instalações importantes de pesquisa com baterias, como a Argonne National Laboratories e a NASA, ambas nos EUA, para entender melhor as causas dos ISCs. O objetivo da pesquisa inovadora da UL é definir e desenvolver testes de segurança que avaliem a propensão de uma bateria a um curto-circuito sob certas condições de abuso.

Embora um ISC possa ter muitas causas, é essencialmente uma via entre o cátodo e o ânodo o que permite o fluxo de carga eficiente, mas não intencional. Esse fluxo de carga altamente localizado resulta em um aquecimento em joules devido à resistência interna, com posterior aquecimento dos materiais ativos dentro da bateria de íon-lítio, tais como os eletrólitos, o separador e os eletrodos. O aumento de calor pode desestabilizar os materiais ativos e, por sua vez, iniciar uma reação exotérmica autossustentável. O calor e a pressão subsequentes se acumulam no interior da célula, podendo conduzir a uma falha estrutural catastrófica do invólucro da bateria e ao risco de combustão adicional como resultado da exposição ao ar exterior.31

CONTEXTO

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As baterias de íon-lítio são projetadas com dispositivos de segurança integrados que interrompem a carga elétrica externa, no caso de uma condição de sobrecorrente, ou aliviam o acúmulo de pressão excessiva na célula. No entanto, esses dispositivos de segurança não são capazes de mitigar todas as situações de falhas internas das células, tais como um ISC. Para produtos como veículos elétricos, a presença de centenas (ou até milhares) dessas células de bateria exige proteções mais sofisticadas, como sistemas de gerenciamento de bateria.

Claramente, o objetivo pretendido é um portfólio de testes (simulando uma ampla variedade de condições de abuso), que possam avaliar a probabilidade de uma bateria de manifestar um curto-circuito. É importante ressaltar que na concepção de um teste para uma falha específica, as causas e os caminhos da falha devem ser conhecidos. Essas causas podem incluir um grande defeito interno ou uma força externa intensa que deforme as camadas interiores da bateria o suficiente para comprometer o separador. Em muitos incidentes de falha, apenas informações parciais sobre a causa raiz e a falha estão disponíveis. Os criadores das baterias de íon-lítio e os pesquisadores estão trabalhando para criar novos modelos de baterias que mitiguem o impacto dessas causas.

A variedade de causas raiz para o ISC torna difícil projetar apenas um teste de segurança que possa avaliar a robustez de uma bateria de íon-lítio. Até o momento, apenas a JIS C8714 especifica um teste para ISC, conhecido como o teste de curto-circuito interno forçado. (Observe que o anexo D da IEEE 1625 faz referência ao teste FISC encontrado em JIS C8714.) Esse teste cria um ISC desmontando cuidadosamente um invólucro de célula carregada de amostra e coloca uma partícula de níquel específica na construção da trama celular para simular um defeito interno. A amostra de célula, sem o invólucro, é então submetida a uma ação de esmagamento especificada a uma temperatura elevada. No entanto, as melhores práticas em criação de testes de segurança impedem a desmontagem de um produto.32

Os pesquisadores da UL desenvolveram um teste original que induz o ISC, sujeitando as células da bateria de íon-lítio intactas a uma indentação localizada sob condições de temperatura elevada. Durante esse teste, a tensão de circuito aberto, a força da temperatura da superfície da célula e a posição da sonda indentadora são medidas em tempo real. O teste está atualmente em desenvolvimento para possível inclusão nas normas UL 1642 e UL Subject 2580. Ao compreender e analisar os tipos de químicas de baterias específicas, os componentes da bateria (separadores, ânodo e cátodo) e projetos de células (cilíndricas, prismáticas e em bolsa), a UL é capaz de entender o comportamento dos projetos de baterias de íon-lítio recentemente comercializadas como um todo. A correlação desses atributos dos projetos com os comportamentos e o desempenho de segurança é um fator importante na abordagem da UL para a New Science.33

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O aumento do uso e da demanda por baterias de íon-lítio têm resultado em algumas condições de uso imprevistas, execuções de projetos ruins e usos não convencionais ou abusos do produto — todos esses criam riscos devido ao potencial das baterias de íon-lítio para as falhas com ISC e fuga térmica, levando a incêndios ou explosões. É importante que a UL ajude a mitigar riscos, inovando testes para manter a segurança dos consumidores e reduzir os recolhimentos de produtos, que são caros para os fabricantes e os vendedores do produto.

Pelo fato do desenvolvimento de baterias de íon-lítio ser uma área ativa de pesquisa e desenvolvimento fundamental para produtos, o conhecimento sobre o uso e o abuso desses produtos e seus possíveis modos de falha ainda está em desenvolvimento. Portanto, é importante que as normas de segurança evoluam para ajudar a conduzir à utilização comercial segura desses dispositivos de armazenamento de energia à medida que eles respondem pela energização de mais e mais produtos. A UL continuará a dedicar recursos significativos para transformar a pesquisa em segurança de baterias em normas de segurança. Esse enfoque cobrirá a vasta gama de estruturas químicas e projetos de bateria. O trabalho abrange a continuidade multiescalar — a partir da caracterização no âmbito dos materiais e componentes em nível celular para sistemas de bateria altamente integrados e além.


IMPACTO

É importante que as normas de segurança evoluam para ajudar a conduzir à utilização comercial no sentido da segurança desses dispositivos de armazenamento de energia à medida que eles respondem pela energização de mais e mais produtos.

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19SEGURANÇA CONTRA INCÊNDIO / FONTES

1 Kerber, S., “Analysis of Changing Residential Fire Dynamics and Its Implications on Firefighter Operational Timeframes”, Fire Technology, novembro de 2011.


3 “Comparison of Modern and Legacy Home Furnishings”, experimento da UL, novembro de 2009. Web: 12 de outubro de 2012. https://www.ul.com/room_fire/room_fire.html.


5 Kerber, S. et al., “Improving Fire Safety by Understanding the Fire Performance of Engineered Floor Systems and Providing the Fire Service with Information for Tactical Decision Making”, 2009, Compilação do relatório NIST AARA da UL, março de 2012.

6 Kerber, S. et al., “Improving Fire Safety by Understanding the Fire Performance of Engineered Floor Systems and Providing the Fire Service with Information for Tactical Decision Making”, 2009, compilação do relatório NIST AARA da UL, março de 2012.

7 Kerber, S. et al., “Improving Fire Safety by Understanding the Fire Performance of Engineered Floor Systems and Providing the Fire Service with Information for Tactical Decision Making”, 2009, compilação do relatório NIST AARA da UL, março de 2012.

8 “FDNY Prepares to Test Fire Science and Firefighter Procedures,” NYC.gov, 2 July 2012. Web: 12 Oct. 2012. http://www.nyc.gov/html/fdny/html/events/2012/070212a.shtml.

9 Fabian, T.Z., J. Borgerson, S.I. Kerber, C.S. Baxter, C.S Ross, J.E. Lockey, and J.M. Dalton, “Firefighter Exposure to Smoke Particulates: Final Report”, UL, Northbrook, Ill., abril de 2010 (disponível em http://www.ul.com/global/documents/offerings/industries/buildingmaterials/fireservice/WEBDOCUMENTS/EMW-2007-FP-02093.pdf).



12 “Smoke Alarms and the Modern Residence Fire”, White Paper da UL, maio de 2011.






FONTES18 “Firefighter Safety and Photovoltaic Installations Research Project”, trabalho

de pesquisa da UL. Web: 12 de outubro de 2012. http://www.ul.com/global/documents/offerings/industries/buildingmaterials/fireservice/PV-FF_Safety_ExecutiveSummary.pdf.

19 “Firefighter Safety and Photovoltaic Installations Research Project”, trabalho de pesquisa da UL. Web: 12 de outubro de 2012. http://www.ul.com/global/documents/offerings/industries/buildingmaterials/fireservice/PV-FF_Safety_ExecutiveSummary.pdf.










29 “Lithium Batteries: Markets and Materials”, relatório FCB02E, outubro de 2009.www.bccresearch.com.

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http://www.ul.com/global/documents/offerings


EMW-2007-FP-02093.pdf



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