Garaże dla samochodów elektrycznych – nowe wyzwania dla ochrony przeciwpożarowej.
- Strona główna
- Wiedza
- Garaże dla samochodów elektrycznych – nowe wyzwania dla ochrony przeciwpożarowej.
WSTĘP
W ciągu ostatniej dekady pojazdy elektryczne znacznie zmieniły przemysł samochodowy na całym świecie. Rozwój elektromobilności związany jest ze świadomością wyczerpywania się zasobów ropy naftowej na świecie, której ok. 87 % globalnego wydobycia zużywa przemysł motoryzacyjny. Nie bez znaczenia są też kwestie globalnego ocieplenia klimatu. Poszukiwania innych źródeł energii sprzyjają szybkiemu rozwojowi technologii jej magazynowania w akumulatorach litowo – jonowych.
Należy pamiętać, że pierwszy samochód elektryczny pojawił się na drogach już w 1888 r. – był to czterokołowy pojazd niemieckiego przedsiębiorcy Andresa Flocken. Jednak ze względu na ograniczenia w pojemności oraz kosztach baterii, konstrukcje te nie przyjęły się, a świat czterech kółek zdominowały samochodowy o napędzie spalinowym.
Mimo 130 lat historii i rozwoju motoryzacji nie udało się wyeliminować kwestii ryzyka związanego z pożarami samochodów na parkingach. W ostatnich latach głośno było między innymi o pożarze z 31 grudnia 2017 roku w Liverpoolu, gdzie ogień strawił wszystkie 1200 auta znajdujące się na parkingu wielopoziomowym, czy też o wydarzeniach z 7 stycznia 2020 r. na lotnisku Stavanger w Norwegii – w wyniku pożaru zniszczeniu uległo ponad 300 aut, a konstrukcja budynku została poważnie uszkodzona. Powyższe wydarzenia, gdzie przyczyną pożaru były samochody, stanowią bezpośrednie zagrożenie dla zdrowia i życia ludzi oraz bezpieczeństwa konstrukcji budynków, a ich następstwem są ogromne starty materialne.
Istnieje obawa, że w najbliższym czasie na parkingach może pojawić się nowe ryzyko związane z rosnącą liczbą samochodów elektrycznych. Szczególnie niebezpieczny wydaje się być czas ładowania baterii, kiedy może wystąpić zwarcie instalacji elektrycznej, prowadzące do pożarów w akumulatorach litowo-jonowych. Sytuacje te będą stanowiły nowe wyzwanie dla strażaków i osób odpowiedzialnych za bezpieczeństwo na parkingach.
RYNEK SAMOCHODÓW ELEKTRYCZNYCH
W ciągu ostatniej dekady obserwujemy szybki wzrost liczby pojazdów elektrycznych. W 2018 r. światowe zasoby elektrycznych samochodów osobowych przekroczyły 5 milionów, co stanowi wzrost o 65% w stosunku do roku poprzedniego. Około 45%, tj. 2,3 mln samochodów elektrycznych na drogach w 2018 r. znajdowało się w Chinach, podczas gdy w 2017r. było to 39 %. Dla porównania pojazdy elektryczne w Europie stanowiły 24% światowej floty, a w Stanach Zjednoczonych 22%. Należy jednak zwrócić uwagę, że zgodnie z szacunkowymi danymi samochody elektryczne stanowią obecnie tylko niecały 1% wszystkich samochodów osobowych na świecie.
Według najbardziej ostrożnych przewidywań opartych o bieżące plany w zakresie rozwoju elektomobilności na świecie, w 2030 roku ma być ponad 125 mln pojazdów elektrycznych, co będzie stanowiło około 12 % wszystkich samochodów. Jak na razie w Polsce rozwój elektromobilności przebiega znacznie wolniej. Według Polskiego Stowarzyszenia Paliw Alternatywnych, na koniec kwietnia 2020 roku po polskich drogach jeździło 11 132 samochodów elektrycznych, co stanowi tylko 0,35% rynku. Przy obecnym wzroście sprzedaży na rynku krajowym nowych samochodów o napędzie elektrycznym, aktualne przewidywania co do ich ilości na poziomie 600 tys. sztuk w 2030 roku wydają się być realne.
Rys. Wzrost liczby samochodów elektrycznych na świecie. Dane wg IEA (w mln szt.)
STATYSTUKI POŻARÓW SAMOCHODÓW ELEKTRYCZNYCH
Ze względu na nieduży odsetek liczby samochodów elektryczna na drogach, dostępne są bardzo ograniczone i ogólne statystyki dotyczące występowania pożarów pojazdów z udziałem tych pojazdów.
Największy udział nowo rejestrowanych samochodów elektrycznych na świecie (46% w 2019r. ) posiada Norwegia i stąd pochodzą dane z zakładów ubezpieczeń, które obejmują zdarzenia pożarowe z roku 2016 i lat wcześniejszych. Na podstawie danych z trzech różnych towarzystw ubezpieczeniowych wynika, że tylko od 2,3% do 4,8% pożarów samochodów dotyczyło pożarów pojazdów o napędzie elektrycznym. Dane te jednak dotyczyły w większości samochodów zarejestrowanych przed 2010 roku, a więc obejmują tylko bardzo wczesne modele samochodów elektrycznych. Podobne dane podaje Tesla twierdząc, że w latach 2012-2018 na każde przejechane przez samochód ich produkcji 170 mln mil wydarzył się tylko jeden pożar. Samochody z silnikami spalinowymi według NFPA i Departamentu Transportu USA odnotowują jeden pożar na każde 19 mln przejechanych mil. Zatem według producenta samochodów elektrycznych Tesla jego pojazdy osiem razy rzadziej ulegają pożarom.
PRZYCZYNY POŻARÓW SAMOCHODÓW
Statystyki pokazują, że popyt na pojazdy elektryczne silnie wzrósł w ostatnich latach i że ta tendencja się utrzymuje. Wspólna dla większości pojazdów elektrycznych jest ich metoda magazynowania energii – w bateriach litowo – jonowych. Istnieją różne baterie litowo-jonowe o odmiennej budowie i składzie chemicznym, które charakteryzuje też inny sposób wbudowywania w pojazdy. Liczba poszczególnych ogniw i ich typy zależą od wymaganej wydajności baterii. Bezpieczne korzystanie z baterii litowo-jonowej oznacza utrzymanie ogniw w określonym przedziale napięcia i temperatury. Granice te mogą zostać przekroczone w wyniku zderzenia lub awarii. Powstałe uszkodzenie baterii może doprowadzić do jej odpowietrzenia i spalenia.
Każde ogniwo w akumulatorze litowo-jonowym zawiera łatwopalny ciekły elektrolit. W przypadku zwarcia ogniwa, elektrolit może się zapalić; ciśnienie w ogniwie gwałtownie wzrasta, aż do momentu pęknięcia ogniwa i odpowietrzenia palnego elektrolitu. Efektem tego jest uwolnienie ławo palnych gazów, takich jak metan, etan, etylen, wodór, tlen. Temperatury w pękniętym ogniwie mogą wzrosnąć do 1.000°. Gwałtowny wzrost temperatury, tzw. ucieczka termiczna, może łatwo rozprzestrzeniać się na pobliskie ogniwa w efekcie domina, który został nazwany rozprzestrzenianiem się ucieczki termicznej. Rozprzestrzenienie to może następować gwałtownie, jeśli ogniwa nie są dostatecznie chłodzone.
Szczególnym problemem są dym i toksyczne gazy. Jak pokazały analizy składu gazów pożarowych samochodów elektrycznych, w czasie pożaru produkują one ponad 2 – krotnie więcej niż samochody spalinowe szkodliwych fluorowodorów, które są toksycznym i niebezpiecznym dla zdrowia związkiem chemicznym.
Najczęstszymi powodami pożarów samochodów elektrycznych są samozapłon baterii w czasie jazdy lub postoju, uszkodzenie baterii w wyniku kolizji i pożar w trakcie ładowania.
Na poniższym diagramie przedstawione mechanizm powstania zapłonu baterii litowo-jonowej.
Rys. Mechanizm powstania pożaru w baterii litowo-jonowej – opracowanie własne na podstawie battery university.de Gmbh
PRZYKŁADY POŻARÓW Z UDZIAŁEM SAMOCHODÓW ELEKTRYCZNYCH
|
Źródło :Strona internetowa https://www.vg.no/forbruker/bil-baat-og-motor/i/xnnmX/tesla-brannen-kortslutning-i-bilen-men-vet-ikke-hvorfor |
|
Źródło zdjęć : “A Review of Battery Fires in Electric Vehicles” Peiyi Sun,Xinyan Huang , Roeland Bisschop, Huichang Niu, Grudzień 2019 |
|
Źródło zdjęć : strona internetowa https://www.bangkokpost.com/thailand/general/1429518/porsche-catches-fire-while-charging |
|
Źródło zdjęcia strona internetowa : https://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-4997486/35-firefighters-tackle-enormous-Tesla-Model-S-fire.html |
|
Źródło: strona internetowa https://www.businessinsider.com/tesla-battery-fire-shanghai-update-investigation-findings-2019-7?IR=T
|
|
|
ANALIZA PORÓWNAWCZA PRZYKŁADOWYCH POŻARÓW I ICH SKUTKÓW
Aby ocenić ryzyko związane z pożarami samochodów elektrycznych potrzebne są badania laboratoryjne, mające na celu określenie krzywej rozwoju pożaru HRR, tj. strumienia uwalniania ciepła w funkcji czasu. Wyniki takich badań mogłyby być wykorzystane przy prowadzeniu dalszych analiz w zakresie bezpieczeństwa pożarowego. Niestety jak na razie liczba pełnych testów ogniowych pojazdów elektrycznych jest niewielka, głównie ze względu na wysokie koszty, a także ograniczenia związane z tajemnicą handlową.
Pomimo niewielu jak na razie publikacji, dane pochodzące z dotychczas przeprowadzonych badań pozwoliły na analizy własne, których celem było porównanie rozwoju pożaru w zależności od typu układu napędowego samochodu. Wykonano analizy CFD dla oceny skutków rozwoju pożaru samochodów w garażu podziemnym pod budynkiem mieszkalnym. W garażu o powierzchni całkowitej 1800 m2 zastosowana strumieniową instalację wentylacji pożarowej. Założenia do przeprowadzania porównawczej analizy CFD oparto o założenia krzywych HRR opublikowany w wytycznych ITB [7] oraz na podstawie badań wyników w pełnej skali [5] [6].
Rys. Schemat instalacji wentylacji pożarowej. PW- punkt wywiewny, WE- wyjście ewakuacyjne, PNG – nawiew grawitacyjny.
Porównując skutki rozwoju pożaru przedstawione na rysunku powyżej widzimy, że rozwój pożaru, a co za tym idzie emisja dymu, następują znaczenie szybciej w przypadku pożarów samochodów wyposażonych w baterie litowo- jonowe. Zdecydowanie największa dynamika w pierwszych minutach po wybuchu pożaru osiągnięta została w przypadku samochodów elektrycznych, gdzie pożar rozpoczął się w module baterii. Skutki tego pożaru doprowadziły do braku możliwości ewakuacji już w 240 sek. od wybuchu pożaru, a minutę później garaż był w pełni wypełniony dymem.
Wyniki badań wskazują, że w przypadku samochodów tradycyjnych i elektryczny osiągane są podobne wartości średniej mocy pożaru 5-6 MW. To co odróżnia te pożary, to ich dynamika rozwoju. Pożary, które powstają bezpośrednio w baterii, ze względu na uwalniane duże ilości gazów palnych, może charakteryzować bardzo szybki rozwój, a nawet wystąpienie eksplozji. Taki rozwój sytuacji został odnotowany podczas pożaru samochodu Tesla w Szanghaju.
Dodatkowym zagrożeniem jest fakt, że pożary w bateriach mogą rozwijać się z dużym opóźnieniem. Przykładem może być pożar samochodu Chevrolet Volt w USA, który uległ zapłonowi dopiero trzy tygodnie po przeprowadzonych testach zderzeniowych
| Pożar 3 samochodów z silnikami spalinowymi. |
Pożar 3 samochodów z silnikiem elektrycznym. |
Pożar 3 samochodów z silnikiem elektrycznym. Pożar zainicjowany w baterii. | |
| 90 sek. |  |
 |
 |
| 180 sek. |  |
 |
 |
| 240 sek. |  |
 |
 |
| 300 sek. |  |
 |
 |
Rys. Wyniki analizy CFD przedstawiające zakres widzialności znaków ewakuacyjnych odbijających światło dla rozwoju pożaru trzech samochodów z silnikami spalinowymi i elektrycznymi.
POŻARY SAMOCHDÓW ELEKTRYCZNYCH A BEZPIECZEŃSTWO EKIP RATOWNICZYCH
Pożary pojazdów elektrycznych stanowią znaczny problem przy gaszeniu zarówno ze względu na specyfikę aut, jak i odmienny rozwój wydarzeń.
W pojazdach elektrycznych bateria zlokalizowana jest przeważnie w dolnej części podwozia, dodatkowo w hermetycznie zamkniętej obudowie, co sprawia, że utrudnione jest skierowanie środka gaśniczego bezpośrednio do źródła pożaru. Ugaszenie pożaru elektrycznego samochodu osobowego może wymagać zastosowania nawet 10 m3 wody, a proces chłodzenia baterii może trwać kilka godzin (średnio jest to ok. 7 godzin, choć znane są przypadki nawrotu pożaru po 20 godzinach). Nawet po ugaszeniu pożaru akumulator musi być schładzany dużymi ilościami wody, ze względu na możliwość ponownego zapalenia się w wyniku samozapłonu rozgrzanych ogniw. Ciekawe rozwiązanie stosuje obecnie straż pożarna w Holandii, która w celu szybkiego ugaszenia pożaru i nie dopuszczenia do jego dalszego rozwoju, wykorzystuje kontenery napełnione wodą, gdzie zanurza cały samochód.
Należy zwrócić uwagę, że duże zagrożenie dla członków ekip ratowniczych stanowi możliwość porażenia prądem. Obecnie produkowane samochody posiadają instalacje elektryczne zasilane prądem napięciu do DC do 650 V i AC do 400 V .
Dodatkowe niebezpieczeństwo stanowią gazy uwalniane w procesie pożaru, które stają się szczególnie groźne, gdy dopuści się do ich gromadzenia. Zawarty w elektrolitach heksafluorofosforan litu jest bardzo wrażliwy na wodę i reaguje z wilgocią z powietrza, tworząc fluorowodór (HF, kwas fluorowodorowy) i kwas fosforowy (H3PO4). Powstała biała mgła jest toksyczna i żrąca. Może rozpuszczać się na wilgotnej powierzchni skóry i powodować oparzenia chemiczne.
Osoby udzielające pierwszej pomocy i te zajmujące się obsługą po zderzeniu pojazdów, muszą być świadome możliwych zagrożeń stwarzanych przez samochody elektryczne oraz sposobu postępowania z nimi. Dlatego też ważne jest, aby osoby udzielające pierwszej pomocy były w stanie łatwo zidentyfikować pojazdy elektryczne. Dzięki szybkiej identyfikacji możliwa jest sprawna ocena występującego ryzyka oraz zastosowanie odpowiednich do sytuacji wytycznych i procedur działania.
Rys. Gaszenie samochodu elektrycznego w kontenerze z wodą. Z materiałów prasowych straży pożarnej w Brabancji Środkowej i Zachodniej, Holandia.
REKOMENDOWANE ZABEZPIECZENIA
Jak wykazano powyżej pożary samochodów elektrycznych mogą mieć innych przebieg niż samochodów tradycyjnych. Niezbędne wydaj się więc dostosowanie zabezpieczenia przeciwpożarowych w garażach dla samochodów osobowych.Chcąc ograniczyć szybkie rozprzestrzenianie się pożaru należy rozważyć fizyczne odzienie przegrodami o odporności ogniowej stanowisk do parkowania samochodów elektrycznych, szczególnie w tych miejscach gdzie będą dostępne punkty ładowania. Konieczne jest również zastosowanie skutecznej instalacji wentylacji pożarowej z dostostosowaną wydajnością do potencjalnego pożaru samochodu elektrycznego. Mając na uwadze szybki rozwój pożaru instalacja wentylacji powinna być uruchamiana w jak najwcześniejszej fazie pożaru tak aby rozcieńczyć i usunąć niebezpieczne gazy wydostające się z baterii litowo jonwej. Wentylacja musi zapewnić warunki bezpiecznej ewakuacji dla ludzi oraz wspomóc działania ekip ratowniczych. Chcą zapewnić odpowiednie warunki do przeprowadzanie akcji gaśniczej i biorąc po uwagę bardzo długi czas konieczny do ugaszenia pożaru wskazane staje się zapewnieni dłuższego czasu działa instalacji pożarowych.
PODSUMOWANIE
Potencjalne zagrożenia dla użytkowników samochodów elektrycznych związane są z krótkim czasem na ewakuację z samochodu, w którym pożar może się rozwinąć bardzo szybko bez wcześniejszego ostrzeżenia . Szybko rozwijający się pożar i duże ilości emitowanego dymu, mogą utrudnić bądź wręcz uniemożliwić ewakuację z garażu. Prędkość rozwoju pożaru może również wpłynąć na szybsze przeniesienie się ognia na sąsiednie samochody, co sprawi że w krótkim czasie pożar zwiększy swoją powierzchnię i opanuje wiele pojazdów. Taki pożar może uniemożliwić bezpośredni dostęp ekip ratowniczych do palących się pojazdów i nie pozwolić na ich ugaszenie. Brak możliwości szybkiego ugaszenia pożaru może skutkować jego niekontrolowanym rozprzestrzenieniem oraz nadmiernym wzrostem temperatury, co może spowodować uszkodzeni konstrukcji budynku. Personel strażacki jest dodatkowo narażony na skażenie skóry lub zatrucie niebezpiecznymi dla zdrowia gazami z elektrolitu baterii. Zachodzi również ryzyko porażenia prądem o dużym napięciu i natężeniu.
Biorąc pod uwagę trendy na rynku samochodowym i nieuchronny rozwój elektromobilności, należy założyć, że w stosunkowo niedługim czasie pojazdy elektryczne będą stanowił znaczący udział samochodów na parkingach zamkniętych. W związku z powyższym niezbędne jest jak najszybsze wypracowanie rozwiązań technicznych, które przygotują budynki do zwiększonego zagrożenia w tym zakresie.
Autor:
mgr inż. Włodzimierz Łącki
Menedżer Produktu Wentylacja Pożarowa w AERECO
WENTYLACJA sp. z o.o. Od wielu lat zajmuje się
zagadnieniami wentylacji pożarowej w budynkach.
Członek Stowarzyszenia Inżynierów i Techników
Pożarnictwa. Absolwent Wydziału Inżynierii Środowiska
Politechniki Warszawskiej i Wydziału Zarządzania Szkoły
Głównej Handlowej.
Źródła :
[1] International Energy Agency, “Global EV Outlook 2019,” International Energy Agency, 2019r.
[2] “Licznik Elektrombilności” Polskie Stowarzyszenie Paliw Alternatywnych, 2020r.
[3] “Fire Safety of Lithium-Ion Batteries in Road Vehicles” Roeland Bisschop, Ola Willstrand, Francine Amon, Max Rosengren ,RISE Report 2019:50, 2019 r.
[4] “A Review of Battery Fires in Electric Vehicles” Peiyi Sun,Xinyan Huang , Roeland Bisschop, Huichang Niu, Grudzień 2019r.
[5] Electric vehicle fire testing .Macneil DD, Lougheed G, Lam C, et al (2015). In: VIII spotkanie EVS-GTR, Waszyngton, USA 1–5 Czerwiec 2015r.
[6] “Comparison of the fire consequences of an electric vehicle and an internal combustion engine vehicle” Amandine Lecocq, Marie Bertana, Benjamin Truchot, Guy Marlair, Kwiecień 2014
[7] “Systemy wentylacji pożarowej garaży. Projektowanie,ocena,odbiór”Wojciech Węgrzyński, Grzegorz Krajewski, 2015r.