Identyfikacja zagrożeń związanych z użytkowaniem samochodów z napędem elektrycznym w kontekście ich parkowania w budynkach

Samochody elektryczne stają się coraz bardziej popularne. Wielu producentów kusi reklamami samochodów hybrydowych lub w pełni elektrycznych w coraz bardziej atrakcyjnych cenach. Reklamy te są na tyle agresywne, że można odnieść wrażenie, iż samochodów elektrycznych jest już na naszych drogach dużo. Jednak według danych Polskiego Stowarzyszenia Paliw Alternatywnych pod koniec lipca 2020 liczba zarejestrowanych elektrycznych samochodów osobowych w Polsce wynosiła 13 057 sztuk, z czego 55% (7231 pojazdów) stanowiły auta w pełni elektryczne. Z kolei według Instytutu Badania Rynku Motoryzacyjnego Samar w pierwszym półroczu 2019 roku w Polsce zarejestrowano 945 czysto elektrycznych samochodów osobowych, co stanowi 0,34% wszystkich zarejestrowanych nowych samochodów osobowych w tym okresie.

Rynek samochodowy będzie się jednak prawdopodobnie rozwijał w kierunku mobilności elektrycznej. Oznacza to, że samochodów elektrycznych będzie na naszych drogach przybywać oraz że będą one coraz częściej parkować w garażach podziemnych. W garażach tych planowane są już stanowiska do ładowania samochodów elektrycznych, m.in. w centrach handlowych, gdy właściciele będą robić zakupy.

W tej sytuacji warto przyjrzeć się, co tak naprawdę zasila samochód elektryczny, czy jest on dla użytkowników bezpieczny oraz czy jego ewentualny pożar może stanowić większe zagrożenie niż samochodu zasilanego silnikiem spalinowym.

Baterie zasilające samochody elektryczne

Popularne określenie „bateria” w przypadku samochodu elektrycznego oznacza potężny akumulator składający się z kilku tysięcy ogniw połączonych w moduły (np. Teslę S zasila ponad 7000 ogniw). Na rynku samochodowym zdecydowanie dominują baterie litowo-jonowe. Oferują one dużą gęstość magazynowanej energii, długi cykl życia oraz niską wagę w porównaniu z innymi bateriami. Pojedyncze ogniwo składa się z katody, anody, separatora i elektrolitu (rys. 1).

Katoda zbudowana jest z różnych związków litu, które mogą oddawać i przyjmować jony litu, najczęściej z tlenku litu i kobaltu. Pojawiają się próby zamiany kobaltu na mangan, glin lub tytan. Anoda składa się z grafitu, separator to jonoprzepuszczalna błona zbudowana z polietylenu lub polipropylenu, natomiast elektrolit, który musi pozwolić na przemieszczanie się dodatnich jonów litu między elektrodami, stanowi najczęściej wodny roztwór sześciofluorofosforanu litu (LiPF6) lub bis(szczawiano)boranu litu (LiBOB). Płynny elektrolit stanowi dodatkowe zagrożenie (więcej w dalszej części artykułu), dlatego poszukuje się elektrolitów stałych. Pojawiają się już na rynku elektrolity w postaci stałych polimerów zawierających sole litu. Podczas ładowania dodatnie jony litu przechodzą z katody do węglowej anody, gdzie łączą się z atomami węgla w specyficzną warstwową strukturę opisywaną wzorem chemicznym LiC₆. Podczas rozładowania jony litu wracają z anody do katody [1].

Ogniwa zapakowane w moduły umieszczane są w specjalnej ramie. Rama chroni moduły przed uszkodzeniem, ciepłem i wibracjami. W obrębie ramy znajduje się okablowanie, pętle chłodzące oraz moduły elektroniczne, które zarządzają mocą, ładowaniem/rozładowaniem i temperaturą, nazywane systemem zarządzania baterią BMS (Battery Management System). Rama z modułami umieszczona jest najczęściej pod podłogą samochodu lub pod tylną kanapą (rys. 2).

Największe obawy dotyczące użytkowania baterii litowo-jonowych związane są z możliwością ich zapłonu.

Powody zapalania się akumulatorów litowo-jonowych

Dotychczasowe badania pokazują, że prawdopodobieństwo pożaru i jego moc jest w przypadku samochodu elektrycznego podobna jak dla auta zasilanego benzyną. Powody zapalania się baterii litowo-jonowych można podzielić na trzy grupy: cieplne, fizyczne i elektryczne.

Temperatura zewnętrzna panująca w otoczeniu baterii litowo-jonowej będzie miała wpływ na jej działanie. Wysoka temperatura zewnętrzna czy pożar rozwijający się w pobliżu baterii może spowodować jej przegrzanie (thermal abuse), co będzie wstępem do reakcji łańcuchowej, która skończy się zniszczeniem baterii i zapłonem. Okazuje się, że również niska temperatura może uszkodzić baterię litowo-jonową. W baterii pracującej w niskiej temperaturze wzrasta opór, co skutkuje rozwojem litowych dendrytów. Są to wypustki wyrastające na elektrodach, które mogą przebić separator i spowodować zwarcie oraz zapalenie baterii. Niekontrolowane przegrzewanie się baterii litowo-jonowej (thermal runway) to najczęstszy problem mogący wystąpić w trakcie jej użytkowania. Podczas przegrzewania dochodzi do reakcji łańcuchowej, a temperatura wewnątrz ogniwa wzrasta o ok. 10°C/min. Przy temperaturze ok. 70°C pojawia się reakcja między elektrolitem a anodą w ogniwie. W temperaturze ok. 130°C zaczyna się topić separator, co powoduje wewnętrzne zwarcie. Natomiast przy temperaturze ok. 150°C otwiera się w baterii wentyl bezpieczeństwa (safety vent), a na zewnątrz wydostają palne gazy i następuje wyrzut czarnego dymu oraz płomieni.

Ze względu na budowę poszczególnych ogniw w baterii litowo-jonowej jest ona urządzeniem delikatnym. Jak wspomniano, producenci samochodów elektrycznych, chcąc zapewnić bezpieczeństwo użytkowania takich baterii, pakują je w moduły, które umieszczają w specjalnych ramach oraz lokują w samochodzie w tzw. strefie bezpiecznej (np. pod podłogą). Statystyki pokazują jednak, że mimo to zdarzają się pożary samochodów elektrycznych jako następstwo zderzeń. Kolizja drogowa może spowodować przemieszczenie się elektrod, ich deformację oraz wyciek elektrolitu, a w konsekwencji pożar.

Wykorzystanie baterii litowo-jonowej do napędu samochodu elektrycznego wiąże się, tak jak w przypadku wszystkich tego typu urządzeń, z ryzykiem jej przeciążenia (electrical abuse). Może się ono objawić przede wszystkim jako zwarcie na skutek deformacji akumulatora (np. podczas kolizji drogowej) lub dostania się wody do środka ramy z modułami. Zwarcie baterii polega na skrajnie szybkim i niekontrolowanym jej rozładowaniu, co z kolei powoduje wzrost jej temperatury. Przeciążenie baterii może też być spowodowane awarią systemu zarządzania nią (BMS) – bateria może wtedy ulec przeładowaniu. Jej ładowanie trwa w takiej sytuacji nieprzerwanie, co powoduje wzrost ciśnienia wewnątrz baterii, jej deformację i wyciek elektrolitu. Pojawia się wtedy zbyt duża utrata jonów litu na katodzie, co powoduje jej uszkodzenie i uwalnianie tlenu, czemu towarzyszy silne wytwarzanie ciepła. Awaria systemu zarządzania baterią może doprowadzić również do nadmiernego rozładowania baterii. Pojawia się wtedy zbyt duża utrata jonów na anodzie, co niszczy jej stabilną strukturę. Generują się tlenek i dwutlenek węgla, co powoduje pęcznienie baterii i w konsekwencji zwarcie.

Niepożądane procesy, które mogą się pojawić w trakcie użytkowania baterii litowo-jonowej, są ze sobą powiązane, co pokazano schematycznie na rys. 3.

Pożar baterii litowo-jonowej

Trudno pozyskać informacje o przebiegu pożaru samochodu elektrycznego wyposażonego w baterię litowo-jonową, ponieważ badania tego zjawiska są niezwykle rzadkie. W literaturze częściej można znaleźć opisy badań, podczas których palone są same baterie litowo-jonowe. Ich wyniki są oczywiście również cenne, ponieważ dostarczają informacji na temat procesu palenia się baterii oraz związków, które powstają pod wpływem wysokiej temperatury jako produkty reakcji chemicznych. W trakcie takich badań często stosuje się mgłę wodną, aby zaobserwować, jakie inne związki chemiczne mogą powstać podczas kontaktu palącej się baterii litowo-jonowej z wodą.

Uszkodzenie, a w konsekwencji przegrzanie baterii litowo-jonowych powoduje uwalnianie trujących związków, takich jak fluorowodór (HF), fluorek fosforylu (POF₃), cyjanowodór (HCN), chlorowodór (HCl) czy tlenek węgla (CO). Część tych związków pod wpływem wysokiej temperatury lub reakcji z wodą może tworzyć inne niebezpieczne substancje. W trakcie przegrzania ogniwa litowo-jonowego rozpoczyna się seria reakcji prowadzących do powstania fluorowodoru [4].

Ponadto ogniwa litowo-jonowe zawierają lit elementarny, który w kontakcie z wodą wykazuje silną egzotermiczną reakcję, z utworzeniem wodoru i wodorotlenku litu.

Powstały wodór H₂ jest wybuchowy pod ciśnieniem atmosferycznym przy zawartości procentowej objętości od 4 do 77% (tlenowodór). Bardzo szeroki zakres proporcji mieszanin palnych sprawia, że wodór jest szczególnie niebezpieczny, zwłaszcza w infrastrukturze podziemnej.

W National Institute of Industrial Environment and Risks Verneuil-en-Halatte we Francji przeprowadzono bardzo ciekawe badania, podczas których poddano spaleniu cztery samochody [3]. Dwa z nich były zasilane silnikiem benzynowym, a dwa kolejne bateriami litowo-jonowymi. W takcie palenia samochodów analizowano uwalniane związki chemiczne. Wyniki tych badań pokazano w tabeli 1.

Uwagę zwraca przede wszystkim ilość uwolnionego fluorowodoru – badania pokazują, że może być ona nawet dwukrotnie większa w przypadku pożaru samochodu elektrycznego niż samochodu z silnikiem benzynowym.

Użytkując samochody z silnikiem benzynowym, mamy świadomość, że zagrożenie pożarowe takiego pojazdu spada wraz ze zmniejszeniem się ilości benzyny w baku. W przypadku samochodów elektrycznych stopień naładowania baterii nie ma wpływu na zagrożenie pożarowe oraz na ilość związków chemicznych uwalnianych w przypadku pożaru.

Parkowanie samochodów elektrycznych w garażach podziemnych

Pomimo że rynek samochodów elektrycznych w naszym kraju rozwija się powoli, należy mieć świadomość, że samochodów takich będzie przybywać. Ich liczba będzie się zwiększać przede wszystkim w dużych miastach, gdzie najbardziej pożądane miejsca parkingowe znajdują się w garażach podziemnych. Pewne jest więc, że w nieodległej przyszłości będziemy mieć do czynienia z pożarem rozwijającym się w garażu podziemnym, w którym weźmie udział samochód elektryczny.

Największym zagrożeniem są w takim przypadku trudności z ugaszeniem pożaru, wynikające z konieczności schłodzenia baterii. Nawet gdy udaje się zgasić pożar samochodu, temperatura baterii jest wciąż na tyle wysoka, że po kilkudziesięciu minutach pożar wybucha na nowo. Trudności ze schłodzeniem baterii wynikają z faktu, że ogniwa upakowane są w moduły, które są szczelnie zabezpieczone w ramie, a ta dodatkowo umieszczona pod podłogą samochodu. Całkowite schłodzenie baterii jest więc bardzo trudne, a jej przegrzanie bardzo łatwo przenosi się na kolejne ogniwa. Jeśli do pożaru samochodu elektrycznego dochodzi na wolnym powietrzu, praktyka postępowania służb ratowniczych sprowadza się często do zatopienia auta w kontenerze z wodą lub pozostawienia w zabezpieczonym miejscu w celu jego wypalenia się. Obie te techniki są niemożliwe do zastosowania w garażach podziemnych.

Kolejnym zagrożeniem wiążącym się z udziałem samochodu elektrycznego w pożarze rozwijającym się w garażu podziemnym jest uwalnianie się bardzo trujących związków chemicznych. Badania pokazują, że substancje te wydzielane są przez cały czas rozwoju pożaru, w miarę jak obszar o wysokiej temperaturze obejmuje kolejne ogniwa w baterii. Związki te stanowią ogromne zagrożenie dla ekip ratowniczych. W przypadku pożaru samochodu elektrycznego na wolnym powietrzu jest to zagrożenie, które praktycznie można zignorować. Wielu badaczy zwraca jednak uwagę, że nagromadzenie tych związków w zamkniętej przestrzeni, jaką jest garaż podziemny, może być bardzo niebezpieczne. Dodatkowo związki te wraz z sadzą mogą osiadać na powierzchniach wewnątrz garażu, co wymaga ich starannego oczyszczenia. Również woda użyta do gaszenia może być skażona i nie powinna być odprowadzana bezpośrednio do kanalizacji.

Podsumowanie

Zagadnienie pożaru samochodu elektrycznego jest wciąż słabo rozpoznane, brakuje również statystyk, na podstawie których można byłoby przyjąć poszczególne rozwiązania czy procedury. Dodatkowo należy pamiętać, że producenci samochodów nieustannie pracują nad bateriami zasilającymi samochody – starają się zwiększyć ich pojemność, zmniejszyć wagę i obniżyć koszty, częściowo pomijając niebezpieczeństwa związane z nośnikami o tak wielkiej gęstości energii. Powoduje to, że wyniki badań, które są dostępne w literaturze, opisują doświadczenia przeprowadzone z bateriami o pojemnościach 16–23 kWh, a najnowsze modele Tesli mają już akumulatory o pojemności 90 kWh. Brakuje informacji o szczegółach budowy nowych ogniw oraz o sposobie działania systemu bezpieczeństwa baterii. Jest to z jednej strony zrozumiałe ze względu na dużą konkurencję między producentami samochodów elektrycznych, ale z drugiej strony uniemożliwia jakiekolwiek przygotowanie się na pożar takiego samochodu. Nie wiadomo, jak szybko może nastąpić przegrzanie baterii w razie rozwoju pożaru w garażu podziemnym oraz jak będzie się zachowywał samochód elektryczny po inicjacji tryskaczy.

Największe zagrożenie w przypadku zapalenia się samochodu elektrycznego związane jest z trudnościami w gaszeniu takiego pożaru oraz z substancjami uwalniającymi się w jego trakcie. Zamknięta przestrzeń garażu podziemnego obydwa te zagrożenia wielokrotnie potęguje. Uważa się, że woda jest najefektywniejszym środkiem gaśniczym w przypadku pożaru samochodu elektrycznego, mimo że do obniżenia temperatury akumulatora trzeba jej zużyć bardzo dużo (5–10 tys. litrów).

Należałoby oczekiwać wprowadzenia rozwiązań systemowych zwiększających bezpieczeństwo w przypadku pożaru samochodu elektrycznego w garażu podziemnym. Z jednej strony dotyczy to bezpieczeństwa konstrukcji budynku, a z drugiej bezpieczeństwa ekip ratowniczych. W innych krajach europejskich pojawiają się zmiany w przepisach wprowadzające wymóg wyposażania dużych parkingów podziemnych w instalacje tryskaczowe czy wydzielenia miejsc parkingowych dla samochodów elektrycznych. Aktualizacja prawa nie jest prosta, szczególnie przy tak małym odsetku samochodów z napędem elektrycznym na polskich drogach, jednak nawet samo nagłośnienie zagrożeń związanych z parkowaniem samochodów elektrycznych w garażach podziemnych jest już dużym osiągnięciem.

Literatura

1. Górecki P., Akumulatory litowe, „Elektronika Praktyczna” 3/2015.
2. Sturk D., Hoffmann L., Tidblad A.A., Fire Tests on E-vehicle Battery Cells and Packs, „Traffic Injury Prevention” 16, 2015.
3. Lecocq A., Bertana M., Truchot B., Marlair G., Comparison of the fire consequences of an electric vehicle and an internal combustion engine vehicle, International Confe­ren­ce on Fires In Vehicles – FIVE 2012, Sep. 2012, United States.
4. Ouyang D., Chen M., Huang Q., Weng J., Wang Z., Wang J., A Review on the Thermal Hazards of the Lithium-Ion Battery and the Corresponding Countermeasures, „Applied Sciences” 9, 2019.
5. www.elektrowoz.pl (dostęp: 20.10.2020).
6. www.dixi-car.pl (dostęp: 20.10.2020).