Stacje ładowania pojazdów elektrycznych w garażach

Przekonanie o tym, że wyposażenie budynku w stację ładowania pojazdów elektrycznych wymaga jedynie wyceny, zakupu i instalacji, jest błędne. Uniknąć chaosu i problemów w przyszłości można jedynie poprzez staranne planowanie całego procesu, który składa się z kilku etapów przedstawionych poniżej.

Opracowanie koncepcji wielobranżowej z uwzględnieniem specyfiki budynku

Kluczowym etapem, jeszcze przed budową systemu stacji ładowania w garażu podziemnym, jest opracowanie kompleksowej koncepcji, która uwzględni specyfikę budynku, potrzeby użytkowników oraz aspekty związane z bezpieczeństwem eksploatacji. W ramach tego procesu należy uwzględnić m.in. układ przestrzenny garażu, dostępność zasilania, możliwość rozmieszczenia stacji ładowania w odpowiednich lokalizacjach dla wygody użytkowników oraz infrastrukturę techniczną wspierającą bezpieczne działanie stacji ładowania. Ważna jest także weryfikacja możliwości sposobu montażu instalacji, np. do ścian bądź sufitu. Wpływa to na koszty i wybór konkretnych rozwiązań technicznych.

Opracowanie takiej koncepcji pozwoli na efektywne planowanie oraz minimalizację potencjalnych problemów związanych z późniejszą implementacją systemu ładowania pojazdów elektrycznych w garażach podziemnych.

Sprawdź ile naprawdę kosztuje eksploatacja auta elektrycznego >>

Analiza dostępnej mocy

Bardzo istotne jest ustalenie, czy w danym obiekcie istnieje wystarczający zapas mocy elektrycznej, aby obsłużyć planowaną liczbę stacji ładowania. Brak wystarczającej mocy może prowadzić do przeciążenia instalacji elektrycznej i wyłączeń awaryjnych systemu. Aby to sprawdzić, zazwyczaj niezbędne jest przeprowadzenie analizy z zastosowaniem rejestratorów parametrów elektrycznych podłączonych do obwodów w rozdzielni głównej na okres co najmniej tygodnia, przy czym istotne jest sprawdzenie profilu mocy w dni robocze i weekendy w ciągu całej doby. Analiza zgromadzonych danych pozwoli na dobranie optymalnych rozwiązań technicznych.

Przebudowa rozdzielni

O ile w nowych obiektach specyfikacja instalacji elektrycznej powinna uwzględniać zwiększenie obciążenia przez stacje ładowania, to w obiektach funkcjonujących już od kilku lat konieczna może być modernizacja lub przebudowa istniejącej rozdzielni głównej. Stare rozdzielnice mogą nie być w stanie obsłużyć dodatkowego obciążenia związanego z ładowaniem samochodów elektrycznych. Celem jest tu więc zapewnienie odpowiedniej mocy i zabezpieczeń dla nowych stacji ładowania. Często moc dla planowanego systemu ładowania jest na podobnym poziomie lub nawet wyższa od dotychczasowej mocy pobieranej przez budynek (np. 330 kW dla 30 stacji, przy średniej mocy pobieranej przez obiekt biurowy na poziomie 300 kW). Oczywiste jest, że na etapie budowy tak duże zapasy mocy nie były uwzględniane.

Wnioski do operatora sieci o zwiększenie mocy

W przypadku braku wystarczającej mocy przyłączeniowej konieczne może być złożenie wniosków do lokalnego operatora sieci w celu zwiększenia dostępnej mocy. Jest to kluczowe dla zapewnienia pewności działania stacji ładowania oraz uniknięcia przeciążeń. Profesjonalne przygotowanie takiego wniosku zwiększa szanse jego powodzenia i może skrócić czas oczekiwania na realizację. Ważne jest też precyzyjne wyliczenie potrzebnej mocy.

Dynamiczne zarządzanie mocą w pierwszych etapach

W początkowych fazach eksploatacji stacji ładowania, dopóki nie zostanie zwiększona moc przyłączeniowa przez operatora sieci, konieczne może być dynamiczne zarządzanie dostępną mocą – w celu uniknięcia przeciążeń i zapewnienia bezpiecznego działania stacji ładowania.

Dobrą ilustracją rezerw, które zwykle występują w obiektach biurowych, jest charakterystyka przedstawiona na rysunku 1. 

Duże dobowe zmiany obciążenia (150–420 kW) stwarzają możliwość wykorzystania mocy w „dolinach” poboru do ładowania pojazdów bez konieczności wykonania dużych modernizacji układu zasilania obiektu.

Inteligentny system zarządzania stacjami ładowania może wykorzystywać całą dostępną w danej chwili moc w obiekcie, bez ryzyka przeciążeń czy przekroczenia poziomu mocy zamówionej.

Zagadnienia bezpieczeństwa pożarowego

Montaż stacji ładowania w garażach podziemnych wiąże się z potencjalnymi zagrożeniami pożarowymi, zarówno związanymi z samymi stacjami ładowania, jak i pojazdami elektrycznymi. Konieczne jest zastosowanie odpowiednich środków zapobiegawczych i procedur bezpieczeństwa pożarowego w celu minimalizacji ryzyka dla użytkowników tych i innych pojazdów oraz budynku. W maju 2024 roku stosowne wytyczne przedstawił zespół składający się z przedstawicieli straży pożarnej i naukowców. Zalecenia zostały zawarte w „Wytycznych…”. Więcej na ten temat poniżej.

Kwestie ubezpieczeniowe

Montaż stacji ładowania w garażach podziemnych może wymagać uwzględnienia w warunkach ubezpieczenia obiektu. Ponadto ubezpieczyciele mogą wymagać wzmocnienia ochrony przeciwpożarowej poprzez zastosowanie środków technicznych i organizacyjnych, co powinno być uwzględnione przy opracowywaniu koncepcji budowy systemu ładowania pojazdów. W okresie funkcjonowania obiektu ze stacjami ładowania konieczne są stałe przeglądy i serwis. W przypadku wystąpienia szkody ubezpieczyciel może weryfikować, czy dochowano tego obowiązku. Jeśli nie, może to oznaczać pomniejszenie odszkodowania, a w skrajnych wypadkach odmowę jego wypłaty.

Dlaczego kwestie ochrony pożarowej w kontekście pojazdów elektrycznych budzą takie emocje?

Statystycznie samochody elektryczne palą się dużo rzadziej niż te z napędem tradycyjnym. Natomiast odmienny jest charakter pożaru, gdy objęta nim jest bateria trakcyjna. Systemy magazynowania energii w pojazdach elektrycznych i hybrydowych plug-in, oparte na technologii litowo-jonowej, to czynnik zwiększający prawdopodobieństwo gwałtownego przebiegu procesu spalania. Rekomendacje wydane w maju br. przez profesjonalne grona wskazują podstawowe zasady ochrony ppoż. w takich przypadkach.

Państwowa Straż Pożarna odnotowuje niewielką liczbę pożarów pojazdów elektrycznych. W 2021 roku były to dwa pożary, w 2022 roku – 7, a w 2023 roku – 69. W przypadku wersji spalinowych odnotowanych zostało: w 2021 roku – 9274 pożary, w 2022 – 8333, a w 2023 roku – 7166 pożarów. Oznacza to, że pożarowi uległ jeden na 2806 poruszających się po polskich drogach samochodów. 69 z 7166 ubiegłorocznych pożarów dotyczyło pojazdów zidentyfikowanych przez Straż Pożarną jako „auta elektryczne i hybrydowe”. Porównując to z ogólną liczbą zarejestrowanych pojazdów niskoemisyjnych, pożarowi uległ tylko jeden pojazd na 10 883. To wielokrotnie mniej niż w przypadku aut z napędem benzynowym czy silnikiem Diesla.

Dlaczego pojazdy elektryczne się palą?

Według danych firm ubezpieczeniowych, przyczynami samozapłonów aut elektrycznych są: używanie niewłaściwego źródła zasilania do ładowania baterii, wyeksploatowanie baterii, która wymaga wymiany, wady fabryczne baterii lub innych elementów układu napędowego, wadliwie wykonane wcześniejsze naprawy oraz innego rodzaju ingerencja w układy pojazdu.

Charakterystyka pożaru samochodu elektrycznego w porównaniu ze spalinowym jest inna

Pożar pojazdu elektrycznego może różnić się od pożaru samochodu z napędem konwencjonalnym ze względu na specyfikę baterii litowo-jonowych. Wzrost temperatury wewnętrznej i w konsekwencji zapłon baterii może prowadzić do intensywnego wydzielania ciepła, emisji toksycznych gazów i szybkiego rozwoju sytuacji trudnej do opanowania, co wymaga specjalistycznych środków detekcyjnych i gaśniczych.

Niekontrolowany wzrost temperatury w ogniwach akumulatora może także skutkować wzrostem ciśnienia wewnętrznego i wydzielaniem gazów palnych jako produktów rozpadu elektrolitu. Istnieje ponadto ryzyko kontynuowania procesu spalania nawet bez dostępu tlenu atmosferycznego, ponieważ tlen może być emitowany z katody w wyniku rozpadu materiału elektrodowego.

Średni czas działań gaśniczych przy pożarach pojazdów elektrycznych wynosi według Państwowej Straży Pożarnej ok. 1,5 godziny, ale ze względu na udokumentowane ryzyko nawrotu procesu spalania w akumulatorze nawet po wielu godzinach (a nawet kilku dniach) wymagane jest długotrwałe monitorowanie temperatury i w razie potrzeby chłodzenie akumulatora, który uległ zapaleniu.

Jak gasić pojazdy elektryczne?

Według komunikatu Państwowej Straży Pożarnej, skuteczne w gaszeniu rozwiniętego pożaru samochodu elektrycznego jest wykorzystanie wody oraz urządzeń z proszkiem gaśniczym. Stosowanie powyższych środków gaśniczych można prowadzić nawet bez odłączenia instalacji wysokiego napięcia w samochodzie.

Minimalna odległość pomiędzy źródłem pożaru a wylotem strumienia środka gaśniczego to 1 metr dla rozproszonych prądów wody oraz 5 metrów dla zwartego strumienia wody. Ze względu na niską skuteczność, pożarów samochodów elektrycznych nie gasi się za pomocą strumieni piany ciężkiej, średniej lub lekkiej (liczba spienienia od około 5 do 200). Liczba spienienia jest to stosunek objętości wytworzonej piany do objętości wodnego roztworu środka pianotwórczego, z którego ta piana została wytworzona.

Co rekomendują w zakresie systemów ppoż. profesjonalne grona?

Chociaż liczba pożarów pojazdów elektrycznych jest znacznie mniejsza od poziomu liczby pożarów samochodów spalinowych, emocje społeczne związane z tym zagadnieniem wymuszają pieczołowite podejście do ochrony ppoż., które zmniejszy społeczne obawy. Wydaje się to uzasadnione, gdyż lit, będący głównym składnikiem baterii akumulatorów, jest materiałem alkalicznym, który można ugasić jedynie suchym piaskiem. Natomiast wjazd kontenerem pełnym wody w celu zanurzenia płonącego samochodu w garażu podziemnym jest właściwie niewykonalny. Takie zanurzenie w kontenerze jest możliwe na parkingu nadziemnym i ma na celu jedynie uniemożliwienie przeniesienia ognia na sąsiednie obiekty. Woda nie jest w stanie ugasić palącego się litu. Z pomocą przychodzi straż pożarna i naukowcy. W maju tego roku stosowne wytyczne przedstawił zespół składający się z przedstawicieli Komendy Głównej Państwowej Straży Pożarnej, Polskiego Stowarzyszenia Nowej Mobilności (wcześniej: Polskie Stowarzyszenie Paliw Alternatywnych) oraz Centrum Naukowo-Badawczego Ochrony Przeciwpożarowej – PIB. Zalecenia zostały zawarte w „Wytycznych w zakresie ochrony przeciwpożarowej w garażach w obiektach budowlanych, przeznaczonych do ładowania samochodów elektrycznych oraz hybrydowych plug-in”. Warto przyjrzeć się im dokładniej.

W oparciu o aktualny stan wiedzy w zakresie zagrożenia pożarowego związanego z eksploatacją w garażu punktów ładowania pojazdów elektrycznych, autorzy opracowania jako kluczowe zidentyfikowali dwa czynniki ryzyka, które powinny zostać ograniczone w możliwie największym stopniu:

1. groźba rozwoju pożaru przez długi czas w wyniku jego niewykrycia,
2. będąca następstwem powyższego groźba rozprzestrzeniania się pożaru na kolejne pojazdy, prowadząca do powstania szkód pożarowych o dużych rozmiarach, włączając możliwość uszkodzenia konstrukcji budynku.

W celu zapewnienia ograniczenia wskazanych ryzyk kluczowe jest zatem zastosowanie rozwiązań umożliwiających:

1. szybką wykrywalność pożaru, umożliwiającą podjęcie działań gaśniczych we wczesnej fazie oraz
2. zastosowanie środków ograniczających możliwość swobodnego rozprzestrzeniania się pożaru, przynajmniej do chwili przybycia na miejsce zdarzenia ekip ratowniczych.

W garażach podziemnych kluczowa jest zatem szybka detekcja i natychmiastowe powiadomienie straży pożarnej i innych służb ratowniczych w celu skoordynowanej i skutecznej reakcji na zagrożenie ogniowe.

W „Wytycznych…” jako niezbędny element ochrony przeciwpożarowej dla każdego punktu ładowania autorzy wskazują obecność urządzeń automatycznie wykrywających ogień, dym lub podwyższoną temperaturę i informujących straż pożarną lub osoby odpowiedzialne o wystąpieniu tych zjawisk. Oprócz standardowych systemów sygnalizacji pożarowej, mogą to być też systemy wizyjnego wykrywania ognia, dymu lub podwyższonej temperatury czy bezprzewodowe systemy alarmowe, np. wykorzystujące dane z czujek oraz systemy detekcji oparte na technologii internetu rzeczy (wykorzystujące inteligentne instalacje elektryczne lub sieci komputerowe). Analiza danych oraz szybkie reagowanie i podejmowanie decyzji może być wspierane poprzez połączenie różnych technologii AI – sztucznej inteligencji. Warto dodać, że regularne przeglądy i konserwacja tych systemów są niezbędne, aby zapewnić ich sprawność i gotowość do działania w przypadku wystąpienia pożaru.

Drugim, po wczesnej detekcji, elementem zawartym w rekomendacjach jest ograniczanie rozprzestrzeniania się pożaru. Skuteczność gaszenia z zastosowaniem wody została sprawdzona zarówno w praktyce, jak i w testach laboratoryjnych. Precyzyjnie rzecz ujmując, chodzi o obniżenie temperatury wokół palącego się pojazdu i dzięki temu ograniczenie rozprzestrzeniania się pożaru zarówno na sąsiednie samochody, jak i na elementy konstrukcyjne budynku. Zwykła woda okazuje się najbardziej skuteczna – musi jednak być dostępna w garażu. Dlatego najbardziej efektywne są stałe urządzenia gaśnicze (SUG), które automatycznie zaczynają pracę i niezwłoczne podawanie środków gaśniczych w przypadku stwierdzenia podwyższonej temperatury, ognia lub zadymienia.

W dokumencie podkreślono, że nieakceptowalne jest instalowanie w garażach punktów ładowania, jeżeli w obiekcie nie zapewniono żadnych rozwiązań służących do szybkiej i skutecznej detekcji pożaru i przekazania informacji o tym zagrożeniu bezpośrednio do jednostek straży pożarnej lub do osób, które są w stanie niezwłocznie zaalarmować wspomniane jednostki (np. pracowników ochrony).

W kontekście projektowania i budowy instalacji zasilającej stacje ładowania „Wytyczne” rekomendują stosowanie dedykowanego wyłącznika awaryjnego stacji ładowania, o ile w budynku nie występuje przeciwpożarowy wyłącznik prądu (PWP). Ponadto ze względu na długotrwałe obciążenie obwodów zasilania stacji ładowania zalecany jest dobór przewodów o odpowiednio dużym przekroju – dla zapewnienia bezpieczeństwa pożarowego i minimalizacji spadków napięć, a tym samym strat w przesyle energii. Należy też stosować zalecane przez producentów stacji zabezpieczenia nadprądowe, różnicowoprądowe oraz przeciwprzepięciowe, zachowując zgodność z obowiązującymi w Polsce normami branżowymi.

Warto podkreślić, że realizacja wspomnianych rekomendacji nie ponosi za sobą wysokich nakładów inwestycyjnych. Wiele elementów już funkcjonuje w obiektach garażowych, część wymaga uzupełnienia. Obecnie w wielu obiektach dostępna jest tradycyjna instalacja tryskaczowa. Zatem zabezpieczenie jest, choć nie tak skuteczne jak wysokociśnieniowa mgła wodna z wczesną detekcją elektroniczną wystąpienia pożaru. Wysokociśnieniowa mgła wodna jest skuteczną metodą gaszenia samochodów elektrycznych głównie ze względu na jej zdolność do szybkiego obniżania temperatury wokół pojazdu oraz ograniczania rozprzestrzeniania się ognia. Rozpylenie wody na bardzo drobne cząsteczki powoduje znaczące zwiększenie absorpcji energii cieplnej z gorącego powietrza w porównaniu do efektów działania standardowej wodnej instalacji tryskaczowej, a dzięki temu mgła wodna umożliwia szybsze i bardziej równomierne chłodzenie, co może pomóc w zapobieganiu wzrostowi temperatury w otoczeniu płonącego pojazdu i ograniczeniu ryzyka gwałtownego rozprzestrzeniania się pożaru.

Technologia wspiera ograniczanie ryzyka pożarów pojazdów elektrycznych

Samochody elektryczne mają wiele systemów zabezpieczeń na poziomie elektrochemicznym wewnątrz baterii, a także w postaci systemu zarządzającego pracą baterii. Szybki rozwój technologii baterii przynosi nadzieję na wdrożenie nowych wersji o lepszych parametrach eksploatacyjnych, większej pojemności, mniejszej wadze oraz wyższej odporności na pożar.

Zabezpieczenia, które obecnie są stosowane i rozwijane:

• BMS (Battery Management System) monitorujący parametry baterii (temperatura, poziom naładowania, napięcie, prąd, stan pojedynczych ogniw) oraz kontrolujący układy chłodzenia i ładowania/rozładowania,
• układ chłodzenia – chroniący przed przegrzaniem akumulatora,
• wzmocniona obudowa ochronna – zapobiega uszkodzeniom mechanicznym,
• zapora ogniowa – oddziela moduły akumulatora, ogranicza potencjalne szkody i zabezpiecza pozostałe podzespoły pojazdu przed zapłonem,
• system awaryjnego wyłączania wysokiego napięcia – obwód, który w czasie postoju separuje napięcie akumulatora wysokiego napięcia (HV) od reszty instalacji elektrycznej pojazdu, co w znaczący sposób zwiększa bezpieczeństwo, kiedy pojazd nie jest użytkowany.

Ciągły rozwój nowoczesnej technologii, w tym wzrost liczby pojazdów elektrycznych na całym świecie, wymusza też na służbach ratowniczych, jak i producentach samochodów elektrycznych podejmowanie kroków prowadzących do skrócenia czasu prowadzenia działań ratowniczych jak również minimalizacji strat z nimi związanych.

Wymagania niestandardowe

Niektórzy zarządcy i właściciele budynków mogą oczekiwać dodatkowych, ponadstandardowych zabezpieczeń. W ostatnim czasie jeden z inwestorów zażyczył sobie pojawiania się alarmu w postaci zaświecenia „lampki” w przypadku usterki jednej lub kilku stacji w systemie kilkudziesięciu. Rzecz wydaje się trywialna, ale w standardzie stacje – w szczególności w większych systemach – nie wystawiają sygnałów w sposób tak prosty, aby wysterować kontrolkę na pulpicie w pomieszczeniu ochrony lub gdziekolwiek w budynku. Trzeba do tego celu zaangażować specjalizowany komputer przemysłowy z protokołem OCPP, który jest w stanie filtrować dane w czasie bieżącym i wystawić analogowy sygnał na lampkę w zdefiniowanych wcześniej sytuacjach awaryjnych.

Inną sytuacją wymagającą nieszablonowego podejścia jest ograniczenie możliwości montażu stacji ładowania do ścian (ze względu na wykonaną izolację przeciwwodną) i do podłogi (ze względu na naruszenie ciągłości posadzki żywicznej). W takich przypadkach pozostaje jedynie mocowanie stacji do sufitu, na specjalnie zaprojektowanych słupkach.

W ostatnim czasie coraz częściej pojawiają się oczekiwania klientów dotyczące integracji systemów stacji ładowania z lokalnymi systemami BMS (Building Management System). Do tego celu zwykle niezbędna jest instalacja specjalnego sterownika nadrzędnego, służącego do monitoringu stanu ładowarek oraz dynamicznego zarządzania mocą. Sterownik ten umożliwia wymianę danych ze stacjami ładowania w celu monitorowania bieżącego poboru mocy dzięki informacjom z analizatora sieciowego umieszczonego w rozdzielnicy głównej RGnn. System może działać automatycznie i autonomicznie, a także komunikować się z innymi systemami za pomocą sieci Modbus TCP/IP, na przykład z istniejącym systemem zarządzania budynkiem (BMS) oraz poprzez protokół OCPP z zewnętrznymi systemami zarządzania i rozliczania transakcji związanymi z sesjami ładowania.

Główne funkcje lokalnego systemu zarządzania stacjami ładowania:

• monitorowanie bieżącego poboru mocy przez budynek za pomocą analizatora sieciowego zamontowanego w rozdzielnicy głównej, z dynamicznym przydzielaniem maksymalnej dostępnej mocy systemowi ładowarek,
• komunikacja z BMS o stanach urządzeń za pomocą protokołu Modbus TCP/IP,
• komunikacja ze sterownikami ładowarek poprzez sieć Modbus TCP/IP w celu monitorowania ich stanów pracy, w tym stanów alarmowych,
• wizualizacja stanów urządzeń i danych pomiarowych w aplikacji z dostępem przez przeglądarki www,
• wysyłanie powiadomień e-mailem i SMS-em na wybrane numery telefonów o stanach pracy ładowarek.

Stacji ładowania będzie szybko przybywać

W kontekście przyszłości, z uwagi na rosnącą popularność pojazdów elektrycznych, można spodziewać się coraz większej liczby stacji ładowania w garażach podziemnych. W związku z tym istotne jest zapewnienie odpowiednich środków bezpieczeństwa oraz procedur ochrony przeciwpożarowej, zarówno podczas projektowania nowych obiektów, jak i adaptacji istniejących. Ważne jest kompleksowe podejście na etapie projektowania, które uwzględni montaż stacji ładowania oraz instalacji zabezpieczającej przed skutkami pożaru pojazdu.

Budynki użyteczności publicznej oraz budynki mieszkalne wielorodzinne obecnie projektuje się i buduje, zapewniając moc przyłączeniową pozwalającą wyposażyć je w punkty ładowania o mocy nie mniejszej niż 3,7 kW. Mówi o tym ustawa z dnia 11 stycznia 2018 r. o elektromobilności i paliwach alternatywnych. W przypadku dużych budynków mieszkalnych zapewnia się możliwość zainstalowania kanałów na przewody i kable elektryczne umożliwiających utworzenie punktów ładowania na każdym stanowisku postojowym.

Mówi o tym także przegłosowana w marcu br. w Parlamencie Europejskim Dyrektywa EPBD. Nowe budynki powinny mieć instalacje elektryczne tak dostosowane, aby umożliwić łatwy montaż punktów ładowania pojazdów elektrycznych. Dyrektywa EPBD kładzie w tym przypadku nacisk na zniesienie barier utrudniających instalację urządzeń do ładowania elektryków w budynkach wielorodzinnych (bądź oddawania energii zgromadzonej w samochodowych bateriach do sieci w godzinach szczytu poboru – technologia Vehicle-2-Grid/V2G).

Podsumowując, instalacja stacji ładowania pojazdów elektrycznych w garażach wymaga kompleksowego podejścia, uwzględniającego zarówno aspekty techniczne, jak i bezpieczeństwo pożarowe. Kluczowe jest odpowiednie zaplanowanie infrastruktury, zapewnienie wystarczającej mocy oraz wdrożenie środków zapobiegawczych i procedur bezpieczeństwa. Ostatnio opublikowane wytyczne, rekomendujące stosowanie nowoczesnych technologii, pomagają minimalizować ryzyko pożarów, choć wyzwania związane z instalacją i eksploatacją takich systemów wciąż budzą duże emocje. Niemniej jednak zastosowanie się do zaleceń ekspertów oraz stałe monitorowanie i konserwacja systemów ładowania i ppoż. pozwalają zminimalizować zagrożenia mogące wystąpić podczas funkcjonowania tych instalacji.