Pożary samochodów elektrycznych – nowe wyzwania dla ochrony przeciwpożarowej

Ten i wiele innych artykułów naszych ekspertów wewnętrznych i zewnętrznych można znaleźć w dziale publikacji na naszej stronie internetowej. Z kolei o samym wydarzeniu, poświęconym gaszeniu pożarów w elektromobilnośći można przeczytać więcej w tym miejscu. Cała publikacja, standardowo, jest dostępna do pobrania pod artykułem.

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.

Historia samochodów elektrycznych

Należy pamiętać, że pierwszy samochód elektryczny pojawił się na drogach już w 1888 roku – 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 roku na lotnisku Stavanger w Norwegii – w wyniku pożaru zniszczeniu uległo ponad 300 aut, a konstrukcja budynku została poważnie uszkodzona.

Niedawno również w Polsce mieliśmy do czynienia z poważnym pożarem w garażu podziemnym w Warszawie na osiedlu mieszkaniowym przy ul. Górczewskiej prawdopodobnie w wyniku zapalenia się samochodu wybuchł pożar, który opanował w krótkim czasie wiele samochodów osobowych. Efektem tego pożaru było zniszczenie 47 pojazdów oraz uszkodzenie konstrukcji budynku, co spowodowało częściowe zawalenie się stropu nad garażem.

Powyższe wydarzenia, gdzie przyczyną pożaru były samochody, stanowią bezpośrednie zagrożenie dla zdrowia i życia ludzi oraz bezpieczeństwa konstrukcji budynków, a ich następstwem są ogromne straty materialne.

Rosnąca liczba „elektryków” a pożary

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 zapewnienie bezpieczeństwa na parkingach.

W ciągu ostatniej dekady obserwujemy szybki wzrost liczby pojazdów elektrycznych. W 2021 roku światowe zasoby elektrycznych samochodów osobowych przekroczyły 16 milionów, co stanowi wzrost o 62% w stosunku do roku poprzedniego. Około 47%, tj. 7,8 mln samochodów elektrycznych na drogach w 2020 roku znajdowało się w Chinach. Dla porównania pojazdy elektryczne w Europie stanowiły 33% światowej floty, a w Stanach Zjednoczonych 12%. Należy jednak zwrócić uwagę, że zgodnie z szacunkowymi danymi samochody elektryczne stanowią obecnie około 1% wszystkich samochodów osobowych na świecie.

Według najbardziej ostrożnych przewidywań opartych o bieżące plany w zakresie rozwoju elektromobilności na świecie, w 2030 roku ma być ponad 137 mln pojazdów elektrycznych, co będzie stanowiło około 13 % wszystkich samochodów.

Jak na razie w Polsce rozwój elektromobilności przebiega znacznie wolniej. Według Polskiego Stowarzyszenia Paliw Alternatywnych, na koniec lipca 2022 roku po polskich drogach jeździło 51 000 samochodów elektrycznych, co stanowi tylko 0,2% pojazdu ogółem. 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.

Statystyki pożarów samochodów elektrycznych

Ze względu na nieduży odsetek liczby samochodów elektrycznych 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 2019 roku ) 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 National Fire Protection Association (Narodowy Związek Ochrony Przeciwpożarowej) 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.

Bardziej aktualne dane sugerujące jednak sytuację odwrotną znajdziemy w statystykach pożarów Londyńskiej Straży Pożarnej. Wynika z nich, że w 2019 roku straż pożarna brała udział w 1898 pożarach samochodów zasilanych silnikami spalinowymi i 54 samochodów elektrycznych. W odniesieniu do ilości poruszających się samochodów po londyńskiej aglomeracji (50000 elektryków i 4,63 mln z silnikiem spalinowym) daje to wskaźnik wypadków samochodów tradycyjnych 0,04 % i dwa i półkrotnie wyższy dla samochodów elektrycznych 0,1 %.

Należy jednak pamiętać, że statystyki pożarów są bezpośrednio powiązane z ilością samochodów na drogach, a dostępne dane są jeszcze bardzo ograniczone. Uważa się, że prawdopodobnie potrzeba jeszcze 5-10 lat, aby uzyskać wiarygodne dane statystyczne dotyczące pożarów samochodów elektrycznych.

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°C. 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 na podstawie danych udostępnionych przez australijską Agencję EV Fire Safe są pożary w wyniku kolizji pojazdów. Równie częstą, szczególnie w ostatnich latach, była przyczyna związana z wadami produkcyjnymi baterii. Innymi przyczynami są uszkodzenie baterii w czasie serwisu, ładowania, przegrzania pojazdu czy zanurzenia w wodzie.

Na poniższym diagramie przedstawiony jest mechanizm powstania zapłonu baterii litowo-jonowej.

Przykłady pożarów z udziałem samochodów elektrycznych

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 zastosowano strumieniową instalację wentylacji pożarowej. Założenia do przeprowadzania porównawczej analizy CFD oparto o założenia krzywych HRR opublikowany w wytycznych ITB oraz na podstawie badań wyników w pełnej skali.

Porównując skutki rozwoju pożaru przedstawione na rysunku powyżej widzimy, że rozwój pożaru, a co za tym idzie emisja dymu, następują znacznie 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 (kolor niebieski na rysunku).

Wyniki badań wskazują, że w przypadku samochodów tradycyjnych i elektrycznych 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. Taki scenariusz wydaje się najbardziej niebezpieczny, gdyż początkowy powolny rozwój pożaru może być nie wykryty przez czujki dymu aż do momentu, w którym dojdzie do tzw. efektu „ucieczki ciepła”. Jest on na tyle gwałtowny, że powoduje szybkie wypełnienie dymem całej kubatury garażu oraz bardzo duże zagrożenie dla osób mogących znajdować się w pobliżu. Jak pokazały rzeczywiste pożary samochodów elektrycznych taki scenariusz może się przyczynić do bardzo szybkiego przeniesienia pożaru na kolejne pojazdy, co dodatkowo uniemożliwia jego sprawne ugaszenie.

Pożary samochodów 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 o 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.

Rekomendowane zabezpieczenia

Jak wykazano powyżej pożary samochodów elektrycznych mogą mieć innych przebieg niż samochodów tradycyjnych. Niezbędne wydaje się więc dostosowanie zabezpieczenia przeciwpożarowego w garażach dla samochodów osobowych.

Chcąc ograniczyć szybkie rozprzestrzenianie się pożaru należy rozważyć fizyczne oddzielenie 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-jonowej. Wentylacja musi zapewnić warunki bezpiecznej ewakuacji dla ludzi oraz wspomóc działania ekip ratowniczych. Chcąc zapewnić odpowiednie warunki do przeprowadzania akcji gaśniczej i biorąc pod uwagę bardzo długi czas konieczny do ugaszenia pożaru, wskazane staje się zapewnienie 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 uszkodzenie 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 stanowiły 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.

Odwołania do źródeł wykorzystanych w tym artykule można znaleźć w pełnej wersji publikacji poniżej.

Autor: Włodzimierz Łącki, Product Manager systemów EXIT/AXIS w AERECO WENTYLACJA sp. z o.o.