Badania o elektrykach

Samochody elektryczne są coraz popularniejsze, jednak wciąż niewiele wiemy o ich bezpieczeństwie. Czy w ogóle niosą zagrożenia, a jeśli tak, to jakie? Co mówią dotychczasowe badania? Oto ich przegląd.

Według danych Licznika Elektromobilności, uruchomionego przez PZPM i PSPA [1], na koniec września 2023 r. w Polsce zarejestrowanych było 50 386 osobowych i użytkowych samochodów w pełni elektrycznych. Przez pierwsze trzy kwartały bieżącego roku ich liczba zwiększyła się o 57% w porównaniu z analogicznym okresem roku poprzedniego. Rosnąca liczba pojazdów elektrycznych stawia przed ochroną przeciwpożarową nowe wyzwania – zarówno w kontekście prowadzenia działań ratowniczych z udziałem tych pojazdów, jak również bezpieczeństwa ich eksploatacji, parkowania i ładowania. Dane statystyczne nadal nie stanowią podstaw do formułowania wiążących wniosków co do bezpieczeństwa pożarowego. Stosunkowo mało znane są bowiem jeszcze rzeczywiste i potencjalne zagrożenia wynikające z eksploatacji, ładowania tych pojazdów, a także zachowania podczas wypadku, awarii czy pożaru. Informacje o takich zdarzeniach z udziałem elektryków, w szczególności w przypadku pożarów, nadal budzą wiele emocji, opinii, komentarzy i obaw o bezpieczeństwo, szczególnie w kontekście ładowania i parkowania tych samochodów w garażach podziemnych. 

Dlatego ocena zagrożenia pożarowego pojazdów elektrycznych, zwłaszcza w kontekście życia i zdrowia ludzi, a także bezpieczeństwa obiektów budowlanych, m.in. garaży podziemnych i tuneli drogowych, jak również dla bezpieczeństwa prowadzonych działań ratowniczych była i nadal jest przedmiotem licznych badań naukowych oraz testów pożarowych na całym świecie. Również Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej – Państwowy Instytut Badawczy w Józefowie wraz z partnerami technologicznymi prowadzi badania w tym zakresie. Wyniki badań i wynikające z nich wnioski przedstawione zostały w tym artykule.

Badania nad zagrożeniami

Przeprowadzone m.in. w Austrii i Korei Południowej badania pojazdów elektrycznych oraz baterii litowo-jonowych w warunkach rzeczywistych wykazały, że szybkość wydzielania ciepła (HRR) podczas pożaru samochodu elektrycznego (BEV) jest zbliżona do szybkości wydzielania ciepła podczas pożaru pojazdu konwencjonalnego (ICEV) o podobnej wielkości i konstrukcji. Jeżeli jednak dojdzie do pożaru baterii samochodu, to przez pewien czas należy spodziewać się zauważalnie większej szybkości wydzielania ciepła i gęstego dymu. Wyższy poziom naładowania baterii (SOC) również odpowiada szybszemu całkowitemu wydzielaniu ciepła (THR) i wyższej szczytowej szybkości wydzielania ciepła (pHRR) [2, 3].

Wykres zależności HRR od czasu podczas pożaru pojazdu ICEV i BEV, opracowany na podstawie badań przeprowadzonych w Austrii w ramach projektu BRAFA

źródło:  Sturm P., Föβleitner P., Fruhwirt D., Galler R., Wenighofer R., Heindl S. F., Krausbar S., Heger O., Fire tests with lithium-ion battery electric vehicles in road tunnels, w: Fire Safety Journal, Volume 134, 2022, 103695, s. 6

Badania przeprowadzone w Korei Południowej dowiodły również, że większy udział pożaru samochodu elektrycznego pod względem wartości THR i pHRR pochodzi z nadwozia pojazdu BEV, a nie z pakietu baterii litowo-jonowej (LiB), stanowiącej jego wyposażenie [3]. Intensywny wyrzut płomieni z pakietu LiB może doprowadzić jednak do szybkiego rozprzestrzenienia się pożaru na cały samochód. Podobne wnioski wysunięto na podstawie badań przeprowadzonych w Niemczech, w ramach projektu SUVEREN [4].

Pożary pojazdów elektrycznych generują nowe formy zanieczyszczeń w podziemnej infrastrukturze. Testy pożarowe z udziałem baterii litowo-jonowych oraz pojazdów BEV wykonane w wielu państwach, m.in. w Niemczech, Austrii i Szwecji, wykazały, że podczas pożaru baterii pojazdu BEV uwalniają się duże ilości fluorowodoru, znacznie większe niż w przypadku pożaru pojazdu ICEV [2, 4, 5]. Fluorowodór stanowi zatem krytyczny składnik produktów spalania wydzielających się podczas pożarów pojazdów elektrycznych, zwłaszcza w podziemnej infrastrukturze, gdzie możliwości rozcieńczania toksycznych produktów spalania są ograniczone. Poza HF podczas pożaru pojazdu elektrycznego wydzielają się również inne toksyczne związki, m.in. fosforowodór, cyjanowodór, chlorowodór oraz tlenki metali: kobaltu, niklu, litu, manganu, które prowadzą do zanieczyszczenia wody gaśniczej – stąd też zalecana jest jej retencja [2, 5, 6, 7]. Badania baterii NMC przeprowadzone w Szwajcarii dowiodły także, że zanieczyszczenia powstałe podczas pożaru pojazdu elektrycznego mogą zawierać dodatkowe substancje toksyczne i częściowo rakotwórcze, np. sole fosforanu fluoru w elektrolicie, które są niepalne i niebezpieczne dla zdrowia, oraz że ubrania ochronne strażaków biorących udział w działaniach ratowniczych z udziałem pojazdów elektrycznych mogą zostać silnie zabrudzone przez zanieczyszczenia z objętych pożarem baterii.

Badania te wykazały również, że pożary elektryków mają inną charakterystykę spalania w porównaniu z pożarami pojazdów spalinowych, co wynika w szczególności ze stosowanego w nich systemu zasilania opartego na urządzeniach do magazynowania energii – bateriach, które w razie pożaru wymagają użycia dużej ilości wody do schłodzenia. Wyraźną odmienność w dynamice spalania obserwuje się w różnych typach ogniw i baterii – badania przeprowadzone w Niemczech (w ramach projektu SUVEREN) pokazały, że baterie z ogniwami pryzmatycznymi ulegają znacznie wolniejszemu rozładowaniu termicznemu niż baterie z ogniwami cylindrycznymi. Testy pożarowe zrealizowane w Austrii (projekt BRAFA) dowiodły zaś, że baterie NMC charakteryzują się większą dynamiką spalania w porównaniu do baterii LFP.

Badania nad metodami gaśniczymi

Przedmiotem licznych badań naukowych i testów pożarowych, w różnych państwach, była także ocena skuteczności technik gaszenia pojazdów elektrycznych.

Badania dowodzą, że najskuteczniejszym środkiem gaśniczym jest woda, z uwagi na jej efekt chłodzący. Jednak do ugaszenia pożaru pojazdu elektrycznego wymagane są jej znaczne ilości – przy czym istotne okazało się zwiększone zapotrzebowanie na wodę gaśniczą podawaną w dłuższym czasie – do schładzania baterii pojazdu [2, 4].

Badania w ramach projektu SUVEREN w Niemczech dowiodły, że instalacja tryskaczowa oraz system wysokociśnieniowej mgły wodnej są w stanie zapewnić kontrolę rozprzestrzeniania się pożaru pojazdu elektrycznego. Potwierdziły również, że mgła wodna może chronić nie tylko sąsiednie pojazdy, lecz również konstrukcję stropu – przez cały rozpatrywany czas testów pożarowych system wysokociśnieniowej mgły wodnej był w stanie utrzymać temperaturę poniżej 200°C, mierzoną w odległości około 10 cm poniżej sufitu [4].

Porównanie systemu instalacji tryskaczowej i wysokociśnieniowej mgły wodnej podczas testów pożarowych realizowanych w ramach projektu SUVEREN: z lewej – obraz termowizyjny (IP) wykonany około 10 min od rozpoczęcia gaszenia pożaru, z prawej – wykres zależności temperatury w czasie.

źródło: Fire Protection Guideline for Car Parks, IFAB Ingenieure für angewandte Brandschutzforschung GmbH, Version: 2.0, February 2023, s. 7 [4]

Z kolei badania w ramach projektu BRAFA w Austrii z użyciem lancy gaśniczej, za pomocą której przebito obudowę baterii i wprowadzono niewielką ilość wody do jej wnętrza, dowiodły, że zastosowanie tego narzędzia stanowi skuteczną metodę gaszenia pożarów pojazdów elektrycznych. Wymaga ono jednak odpowiedniego przygotowania i wyszkolenia strażaków oraz możliwości bezpośredniego podejścia do pojazdu objętego pożarem [2]. Badania potwierdziły ponadto, że niewłaściwa obsługa i użycie lancy gaśniczej może doprowadzić do porażenia prądem strażaka, dlatego upowszechnienie tej techniki gaszenia wymaga kolejnych badań i szkoleń. Trzeba jednak podkreślić, że większość producentów baterii i pojazdów elektrycznych nie określa obecnie warunków użycia takiego urządzenia gaśniczego.

Testy pożarowe z wykorzystaniem koców gaśniczych potwierdziły, że minimalizują one zawartość tlenu w obszarze pożaru pojazdu elektrycznego, a tym samym tłumią ogień. Zastosowanie koca gaśniczego pozwala zmniejszyć szybkość wydzielania ciepła, jednak w przypadku pożaru w pełni rozwiniętego, z uwagi na jego dynamikę i samowystarczalność tlenową baterii, może nie stanowić on już skutecznego środka kontroli pożaru pojazdu elektrycznego [2].

Badania w CNBOP-PIB

Instytut już od kilku lat prowadzi badania baterii pojazdów elektrycznych pod kątem bezpieczeństwa pożarowego. Ich celem była ocena możliwości wystąpienia uszkodzenia baterii poddawanych długotrwałemu ładowaniu, ogrzewaniu płomieniem zewnętrznym oraz ogrzewaniu płytą grzewczą, jak również ocena możliwości ugaszenia baterii przy zastosowaniu różnych metod i środków gaśniczych. Badania skupiają się głównie na modułach typu NMC oraz LTO, charakteryzujących się dużą żywotnością i bardzo wysoką gęstością energii; prowadzone były przy użyciu różnych technik i metod gaszenia.

Ich wyniki upoważniają m.in. do wniosków, że moduły wykonane w technologii NMC palą się gwałtowniej w porównaniu do modułów typu LTO i są trudniejsze do ugaszenia, bez względu na rodzaj podejmowanych działań i użyte środki gaśnicze. Najskuteczniejszym środkiem gaśniczym okazuje się woda. Badania pokazały także, że w trakcie rozkładu termicznego ogniw wydzielają się gwałtownie znaczne ilości toksycznego dymu, który wykazuje również właściwości palne.

Instytut badał ponadto techniczne systemy zabezpieczeń do detekcji i kontroli pożaru w punktach ładowania pojazdów elektrycznych oraz sprzęt i wyposażenie przeznaczone do prowadzenia działań ratowniczych z udziałem pojazdów elektrycznych.

Badania z udziałem uruchamianego automatycznie miejscowego systemu gaśniczego, składającego się z rurociągów rozprowadzających wodę, systemu sterowania i zasilania w wodę, zraszaczy oraz urządzeń do detekcji pożaru potwierdziły, że efektem jego działania jest znaczne obniżenie wartości temperatury i strumienia cieplnego w obszarze symulowanego pożaru pojazdu elektrycznego. Dzięki temu pożar rozwijał się w sposób kontrolowany i nie rozprzestrzenił się na zaparkowane obok pojazdy.

CNBOP-PIB testowało płachty gaśnicze z włókna szklanego - w ramach oceny ich przydatności do stosowania w działaniach ratowniczo-gaśniczych jako wyrobu innowacyjnego (więcej na ten temat w PP 6/2023), prowadziło też badania prototypowe płacht gaśniczych jednorazowego i wielorazowego użytku oraz płachty gaśniczej z włókna szklanego. Testy pokazały, że płachta gaśnicza skutecznie izoluje dostęp tlenu do strefy spalania i tłumi pożar pojazdu, a także izoluje oddziaływanie pożaru na otoczenie oraz że może być wielokrotnie wykorzystywana do działań gaśniczych – po dwóch zastosowaniach nie uległa uszkodzeniu ani przepaleniu i nadal była przydatna. Płachty i koce gaśnicze ograniczają promieniowanie cieplne oraz temperaturę, co pozwala na kontrolę pożaru i zabezpieczenie przed jego rozprzestrzenianiem się. Narzędzia te wykazywały właściwości tłumiące – nie gasiły pożaru, lecz tłumiły źródło ognia.

Testowanie płachty gaśniczej

fot. arch. CNBOP-PIB

Podsumowanie

Analiza dostępnych wyników badań naukowych i testów pożarów z udziałem pojazdów elektrycznych oraz baterii litowo-jonowych, jak również badań przeprowadzonych przez CNBOP-PIB prowadzi do uzasadnionego wniosku, iż zagrożenia ze strony elektryków nie są większe niż ze strony pojazdów spalinowych, jednak mają w pewnym zakresie inny charakter, z uwagi na zastosowanie w nich innego źródła zasilania – baterii, która w przypadku pożaru zachowuje się inaczej niż konwencjonalne źródła zasilania i jest trudniejsza do ugaszenia. Co ważne, zagrożenia te muszą być uwzględniane zarówno podczas prowadzenia działań ratowniczych, jak i na etapie określania wymagań w zakresie bezpieczeństwa pożarowego dla obiektów budowlanych, w których parkowane oraz ładowane są (bądź będą) pojazdy z napędem elektrycznym.

Cennym kompendium wiedzy na opisany temat jest wydany w sierpniu 2023 r. poradnik dla służb ratowniczych pt. „Prowadzenie działań ratowniczych podczas zdarzeń z udziałem pojazdów z napędem elektrycznym”. Powstał on na podstawie analizy literatury i wyników badań z udziałem pojazdów elektrycznych i baterii litowo-jonowych przeprowadzonych w różnych państwach, m.in. w: Austrii, Niemczech, Norwegii, Szwajcarii, Szwecji, Wielkiej Brytanii, Korei Południowej i Stanach Zjednoczonych, jak również w CNBOP-PIB (więcej w dziale Wydało się – przyp. red.)

 st. bryg. dr hab. inż. Jacek Zboina jest zastępcą dyrektora ds. certyfikacji i dopuszczeń w CNBOP-PIB,
a mgr inż. Ilona Majka głównym specjalistą Jednostki Certyfikującej CNBOP-PIB

Literatura

[1] https://www.pzpm.org.pl/pl/Rynek-motoryzacyjny/Licznik-elektromobilnosci/WRZESIEN-2023 [dostęp: 10.11.2023]
[2] Sturm P., Föβleitner P., Fruhwirt D., Galler R., Wenighofer R., Heindl S. F., Krausbar S., Heger O., Fire tests with lithium-ion battery electric vehicles in road tunnels, Fire Safety Journal, Volume 134, 2022, 103695.
[3] Kang S., Kwon M., Choi J. Y., Choi S., Full-scale fire testing of battery electric vehicles, Applied Energy 332, 2023, 120497.
[4]      Fire Protection Guideline for Car Parks, IFAB Ingenieure für angewandte Brandschutzforschung GmbH, Version: 2.0, February 2023.
[5] Hynynen J., Willstrand O., Environmental Impact of Combustion Gases and Water Run-offs from Electric Vehicle Fires. Full-scale fire tests of electric- and internal combustion engine vehicles, w: Dederichs A., Book of abstracts Nordic Fire & Safety Days, RISE Research Institutes of Sweden. ISBN: 978-91-89711-12-9, s. 44.
[6]  Kutschenreuter M., Feltmann A., Usner T., Leismann F., Brandschutz in Tunnelanlagen bei Fahrzeugen mit neuen Energieträgern (NET): Erste Erkenntnisse aus Realbrandversuchen, w: Forschung + Praxis 53, STUVA-Tagung 2019 in Frankfurt am Main, 2019, s. 392-397.
[7]  Kutschenreuter M., Klüh S., Lakkonen M., Rothe R., Leismann F., How electric verhicles change the fire safety design in underground structures, w: Ninth International Symposium on Tunnel Safety and Security, Munich, Germany, March 11-13, 2020, s. 405-418.
[8]      Kielin J., Kołodziejczyk T., Majka I., Tępiński J., Zboina J., Prowadzenie działań ratowniczych podczas zdarzeń z udziałem pojazdów z napędem elektrycznym, Wydawnictwo CNBOP-PIB, Józefów 2023.
[9]      Pietrzak M., Bąk D., Twardowski M., Majka I., Chmiel M., Zboina J., Raport z I Międzynarodowej Konferencji Naukowej pn. Bezpieczeństwo pożarowe instalacji fotowoltaicznych, magazynów energii, pojazdów elektrycznych, ich punktów i stacji ładowania, rozwiązań inteligentnego domu. Wnioski i rekomendacje, Wydawnictwo CNBOP-PIB, Józefów 2023.