Wentylacja garaży, samodzielnych urządzeń gaśniczych i konstrukcji obiektów

Samochody elektryczne mają zdominować segment samochodów osobowych i komunikację miejską. Na całym świecie inżynierowie prześcigają się w działaniach zmierzających do tego, by akumulatory do pojazdów elektrycznych były coraz bardziej pojemne, tańsze i lżejsze. Tego oczekują konsumenci i rynek. Ale ten wyścig, na co zwraca uwagę wielu specjalistów, może odbywać się kosztem bezpieczeństwa.

Wzrost produkcji samochodów elektrycznych napędzany jest m.in. szybkim rozwojem technologii akumulatorów litowo-jonowych¹. Ich budowa i właściwości niosą ze sobą jednak pewne ryzyko pożarowe. Baterie te magazynują duże ilości energii, która podczas awarii może się uwalniać w sposób niekontrolowany. Takie niekontrolowane uwalnianie energii z akumulatorów powoduje gwałtowny wzrost temperatury do ok. 1000°C i zapłon sąsiednich materiałów oraz gazów uwalniających się z powodu wzrostu temperatury. Najczęstszy przebieg awarii akumulatora to: wysoka punktowa temperatura, uwolnienie gazów toksycznych i palnych, płomienie i wybuch. Ilość ciepła wydzielanego podczas zapłonu akumulatora zależy od jego pojemności. Obecnie stosowane akumulatory mają potencjał wydzielania ciepła porównywalny ze zbiornikami na paliwa płynne do silników spalinowych. Także zagrożenie wystąpieniem pożaru jest porównywalne do samochodów z silnikami spalinowymi [1].

Jednak szczególne znaczenie w przypadku pożaru samochodów elektrycznych ma fakt, że nie można go ugasić w ten sam sposób jak w przypadku samochodów z silnikami spalinowymi, czyli za pomocą gaśnic pianowych czy wody. Płonący wewnątrz akumulator jest niedostępny dla środków gaśniczych i nawet schłodzenie go nie spowoduje zlikwidowania źródła pożaru – może się on ponownie zapalić. Zatem do gaszenia pożaru nawet jednego samochodu elektrycznego potrzeba bardzo dużej ilości środków gaśniczych, które będą schładzać akumulator do czasu jego całkowitego wypalenia.

Temperatura to pięta achillesowa akumulatorów litowo-jonowych, także tych w smartfonach i komputerach – nie służą im wysokie temperatury, a te rosną podczas bardzo szybkiego ładowania i rozładowania. Podczas ruchu samochód elektryczny korzysta z systemów chłodzenia akumulatorów – od zwykłych radiatorów na obudowie poprzez układy klimatyzacji, czyli przepływy schłodzonego powietrza, po układy z chłodzącymi płynami pośredniczącymi. Ponadto szybkie ładowania i rozładowania powodują szybsze zużycie akumulatorów. Najgroźniejsze są jednak awarie akumulatorów podczas ładowania, kiedy wysokim temperaturom towarzyszy rozszczelnienie instalacji i wyciek płynu z układu chłodzenia akumulatorów wprost do ogniw lub na falownik. Dochodzi do nich na miejscach postojowych, często obok stacji paliwowych oraz w garażach. Zagrożenie pożarem wiąże się również z kolizjami i wypadkami z udziałem samochodów elektrycznych.

W przypadku pożarów samochodów elektrycznych w garażach zamkniętych groźne są gwałtowne wzrosty temperatury podczas ładowania (nieprawidłowa praca ładowarki, uszkodzenia przewodów) oraz niewielkie uszkodzenia mechaniczne baterii ujawniające się po pewnym czasie eksploatacji. Na akumulatory samochodów elektrycznych składa się wiele ogniw zamkniętych we wspólnej obudowie. Jeśli dojdzie do awarii choćby jednego i zapłonu, wyzwala się reakcja łańcuchowa – pożar obejmuje kolejne ogniwa i zdarza się, że akumulator staje w płomieniach.

Z dotychczasowych doświadczeń służb pożarniczych w krajach, w których używa się więcej samochodów elektrycznych niż w Polsce [9, 10], wynika, że optymalnym postępowaniem jest schładzanie samochodu z akumulatorem środkami gaśniczymi oraz transport poza obiekt, w miejsce, gdzie jego ponowne wzniecenie nie spowoduje ryzyka pożaru otoczenia. Stosowano także kontenery ze środkiem gaśniczym, w których zanurzano samochód do momentu wypalenia się akumulatora, co trwało wiele godzin.

W przypadku garaży zamkniętych ważną kwestią z punktu widzenia bezpieczeństwa ekip pożarowych jest szybkie i skuteczne dotarcie do samochodu elektrycznego w celu jego schłodzenia, tak aby pożar nie rozprzestrzeniał się na kolejne pojazdy. Pożary samochodów elektrycznych wyróżniają duże ilości toksycznych oparów i dymów powstających z płonących tworzyw i płynów, jest to tym samym zagrożenie nowe i nierozpoznane przez służby pożarnicze.

Awarie i pożary samochodów elektrycznych

Proces produkcji samochodów hybrydowych i elektrycznych stale przyspiesza i stosowane są coraz nowsze rozwiązania. Zdarzyło się już, że Ford i BMW oraz Hyundai wycofywały z rynku tysiące samochodów hybrydowych, gdy odkryto, że w niektórych z nich uszkodzone akumulatory przegrzewały się podczas ładowania, co groziło pożarem [2, 4, 13].

Specjaliści wskazują, że producenci baterii starają się zwiększyć gęstość energii i stosują różne proporcje związków litu i kobaltu, w efekcie czego zwiększa się ryzyko mniejszej stabilności termicznej układów magazynowania energii. Jeśli takie sytuacje jak wycofywanie dziesiątek tysięcy samochodów z rynku z powodu wadliwych akumulatorów będą się powtarzać, możliwe jest nawet wyhamowanie działań producentów samochodów zmierzających do zwiększania gęstości energii w bateriach. A to zmusi producentów baterii do zwiększenia nacisku na bezpieczeństwo i tym samym rezygnacji z postępów prac zmierzających do poprawy własności baterii, zwłaszcza ich gęstości [3]. Nadzieje na wzrost pojemności przy zachowaniu wysokiego bezpieczeństwa pożarowego użytkowania pokładane są w bateriach ze stałymi elektrolitami. Wiodące koncerny samochodowe zapowiadają ich wdrożenie do produkcji za 3–4 lata, a kolejne kilka lat trzeba będzie jeszcze zaczekać na wnioski i doświadczenia z eksploatacji.

Obecnie największym problemem związanym z bezpieczeństwem pożarowym samochodów elektrycznych jest brak doświadczeń w ich gaszeniu. Najszybciej zwrócono na to uwagę w Stanach Zjednoczonych, np. koncern Chevrolet już w 2011 roku w kilku miastach (m.in. Detroit, Los Angeles, San Francisco, Austin, Waszyngton i Nowy Jork) prowadził we współpracy z NFPA szkolenia dla strażaków na temat gaszenia pożarów samochodów elektrycznych. Omawiano podczas nich m.in. procedury wyłączania zasilania i szczegóły dotyczące akumulatorów litowo-jonowych oraz lokalizacji elementów ze stali o wysokiej wytrzymałości i punktów odcięcia do wydobycia baterii [5]. Podczas takich szkoleń bierze się jednak głównie pod uwagę kolizje i wypadki drogowe, a nie pożary w garażach podziemnych. Zdarzenia drogowe są częstsze i wymagają szybkiej reakcji w celu ratowania zdrowia i życia ich uczestników, a szkolenia służą zmniejszeniu zagrożenia dla ratowników podczas akcji.

W 2017 roku przedstawiono wyniki uruchomionego w 2012 roku przez National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) programu badawczego [7], który miał na celu sprawdzenie, czy akumulatory litowo-jonowe w pojazdach z napędem elektrycznym stanowią potencjalne zagrożenie pożarowe. Badano, czy akumulatory wysokonapięciowe mogą wywołać pożar podczas ładowania i kiedy pojazdy uczestniczą w wypadku. W raporcie stwierdzono, że należy zakładać, iż liczba przypadków zapłonu łatwopalnych rozpuszczalników elektrolitycznych stosowanych w bateriach ogniw litowo-jonowych będzie porównywalna lub nieco mniejsza niż zapłonów w samochodach napędzanych silnikami benzynowymi i na olej napędowy [7]. Ale w 2019 roku w Londynie straż pożarna gasiła 54 pożary pojazdów elektrycznych i 1898 z silnikami spalinowymi. W zestawieniu z danymi nt. zarejestrowanych pojazdów (50 tys. elektryków i 4,6 mln samochodów zwykłych) daje to odsetek 0,1% pożarów elektrycznych i 0,04% aut zwykłych [2]. Zatem ryzyko zapłonu samochodu elektrycznego podczas różnych zdarzeń drogowych i w czasie postoju jest nieco wyższe, przynajmniej w przypadku produkowanych wówczas akumulatorów, a im dalej wstecz, tym miały one mniejszą gęstość energii, co uważa się za główny czynnik wpływający na ryzyko zapłonu.

Amerykańska National Fire Protection Association (NFPA) zwraca uwagę, że choć pożarów samochodów hybrydowych i elektrycznych nie było w ostatnich latach w USA wiele na tle pozostałych pojazdów, należy mieć na uwadze, że są to pojazdy nowe, a awariom, zwłaszcza pożarom podczas postoju, ulegają auta starsze i dopiero za kilka lat będziemy mieć pełen obraz sytuacji i zagrożeń [4].

NFPA oferuje obecnie szkolenia dotyczące bezpieczeństwa pojazdów napędzanych paliwami alternatywnymi. Skierowane są do służb ratowniczych (straży pożarnej i ratowników medycznych) w zakresie bezpiecznego postępowania w sytuacjach awaryjnych z udziałem pojazdów napędzanych paliwami alternatywnymi, a także na potrzeby badania pożarów, rekonstrukcji wypadków, a nawet holowania pojazdów. Główny nacisk kładzie się na kwestie związane z pojazdami elektrycznymi i hybrydowymi, ale podawane są też informacje o samochodach napędzanych ogniwami paliwowymi i paliwem gazowym. Szkolenia mają formę materiałów referencyjnych i z badań, spotkań online, filmów i symulacji oraz odpowiedzi na pytania [6].

Czytając doniesienia o pożarach samochodów elektrycznych podczas postoju, można wysnuć wniosek, że ich przebieg mógłby być inny i łatwiej byłoby strażakom opanować sytuację, gdyby obowiązywał standard dotyczący lokalizacji akumulatorów w pojazdach – tak aby w razie pożaru można je było łatwo wyjąć lub tylko schładzać. Są one obecnie umieszczane przeważnie pod wzmocnioną od spodu podłogą i niedostępne. Zgoda przemysłu motoryzacyjnego na takie rozwiązanie wydaje się jednak mało prawdopodobna, choćby z uwagi na chęć odróżniania się od konkurencji pod względem sylwetki produkowanego pojazdu. Większe szanse wydają się mieć standardy w zakresie bezpieczeństwa pożarowego samych akumulatorów, mogące być istotnym elementem strategii marketingowej. Obecnie jest nim głównie zasięg na jednym ładowaniu.

Opisywany w „Rynku Instalacyjnym” 10/2020 [12] pożar pojazdów w garażu przy ul. Górczewskiej w Warszawie nie był spowodowany przez samochód elektryczny (bo żadnego w garażu nie było) czy, jak wcześniej sugerował stołeczny ratusz, elektryczną hulajnogę. Najbardziej zniszczony samochód, i prawdopodobne źródło pożaru, miał silnik wysokoprężny i karoserię aluminiową, która uległa stopieniu (aluminium topi się już w temperaturze ok. 660°C) [8]. Poważnie uszkodzona została konstrukcja budynku – od stropu na głębokości 15–20 cm odpadł beton i odwarstwiło się zbrojenie stropu. Pożar nie przedostał się poza strefę i oddzielenia pożarowe, jednak budynek nie nadaje się do zamieszkania.

Co wpłynęło na tak duże straty? Otóż w wielu obiektach mieszkalnych powstają podziemne garaże zamknięte, w których projektuje się strefę pożarową na 1490 m² z bezpośrednim wyjazdem z budynku, a prawo nie wymaga stosowania w nich systemu sygnalizacji pożarowej oraz samoczynnie uruchomianej wentylacji oddymiającej. Powstaje tym samym ryzyko, że bez alarmu i szybkiego powiadomienia straży pożar rozprzestrzeni się, zanim zostanie zauważony. Z kolei bez systemu wentylacji pożarowej strażacy będą mieli problem z dotarciem do źródła pożaru, o ile nie pali się samochód przy samym wjeździe. Przykład ten pokazuje, że również pożar „zwykłych” samochodów osobowych może być groźny dla konstrukcji budynku.

Przebieg i moc pożaru samochodów elektrycznych

Początkowe informacje, że duże straty spowodowane pożarem przy ul. Górczewskiej wskazują na udział samochodu elektrycznego, wywołały falę dyskusji i pytań architektów oraz projektantów o moc pożaru, jaką należy przyjmować dla „elektryków”, krzywą takiego pożaru oraz konieczność zwiększania wydajności wentylacji oddymiającej.

Na razie nie jest dostępna szersza literatura na ten temat. Do zagrożeń wynikających z parkowania samochodów z napędem elektrycznym w budynkach należy zaliczyć m.in. trudności z ugaszeniem pożaru wynikające z konieczności schłodzenia baterii szczelnie zabezpieczonych pod podłogą samochodu oraz uwalnianie się bardzo trujących związków chemicznych. 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. Ponadto woda użyta do gaszenia może być skażona i nie powinna być odprowadzana bezpośrednio do kanalizacji. Nadal nie dysponujemy potwierdzonymi informacjami o tym, jak szybko może nastąpić przegrzanie baterii w razie rozwoju pożaru w garażu podziemnym oraz jak będzie się zachowywał samochód elektryczny po inicjacji instalacji tryskaczowej. Zamknięta przestrzeń garażu podziemnego z pewnością wielokrotnie zwiększa zagrożenie związane z pożarem baterii w samochodzie elektrycznym. Za najefektywniejszy w takiej sytuacji środek gaśniczy wciąż jest uznawana woda, mimo że do obniżenia temperatury akumulatora trzeba jej zużyć bardzo dużo (5–10 tys. litrów). Woda jednak powoduje pojawianie się gazowego wodoru H₂, który przy stężeniu (4÷75)% w powietrzu stwarza zagrożenie wybuchowe. Skutkuje to koniecznością neutralizacji tych zagrożeń podczas pożaru. W niektórych krajach europejskich wprowadza się wymóg prawny wyposażania dużych parkingów podziemnych w instalacje tryskaczowe czy wydzielania specjalnych miejsc parkingowych dla samochodów elektrycznych.

Jak może się rozwijać pożar samochodu elektrycznego, pokazują wyniki symulacji przeprowadzonych przez Włodzimierza Łąckiego, opublikowane w nr. 35 „Warunków Technicznych”. Wskazuje on, że do rzetelnej oceny ryzyk związanych 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 [10]. Na podstawie zebranych z dostępnej literatury informacji autor dokonał pewnych założeń i przeprowadził analizę CFD w celu porównania rozwoju pożaru w zależności od typu układu napędowego samochodu. Analizy te dotyczyły oceny skutków rozwoju pożaru samochodów w garażu podziemnym o powierzchni całkowitej 1800 m² wyposażonych w strumieniową wentylację pożarową.

Porównanie wykazało, że rozwój pożaru, a tym samym emisja dymu, następuje znacznie szybciej w przypadku samochodów wyposażonych w baterie litowo-jonowe. W pierwszych minutach pożaru zaczynającego się w module baterii samochodu elektrycznego utrzymuje się wyraźnie wyższa dynamika rozwoju – już w 240 sekundzie (4 minucie) brak było możliwości ewakuacji, a w 5 minucie od wybuchu pożaru garaż został w pełni wypełniony dymem. Autor wskazuje przy tym, że dostępne wyniki badań potwierdzają, iż moc pożaru osobowego samochodu elektrycznego jest porównywalna do mocy pożaru samochodu z silnikiem spalinowym i wynosi średnio 5–6 MW.

Najważniejszą różnicą jest zatem dynamika rozwoju pożaru – znacznie wyższa niż w przypadku pożarów aut z silnikami spalinowymi. Wpływa na to wysoka temperatura pożaru ogniwa w hermetycznie zabudowanej baterii, co powoduje szybkie jego rozprzestrzenianie na kolejne ogniwa i wytwarzanie w tym procesie dużej ilości gazów palnych, a w konsekwencji nawet eksplozję baterii. Są to spostrzeżenia i analizy oparte na pożarach baterii w samochodach wyprodukowanych 2–3 lata temu, a pojemność i gęstość baterii stale rośnie.

Kolejne spostrzeżenie dotyczy warunków prowadzenia akcji gaśniczej w garażu z płonącą baterią samochodu elektrycznego. Rodzi to przede wszystkim dodatkowe niebezpieczeństwo dla strażaków, spowodowane uwalnianiem się podczas pożaru gazów trujących i wybuchowych, które mogą się gromadzić w przestrzeni garażu, takich jak m.in. fluorowodór, cyjanowodór, chlorowodór, tlenek węgla. Zwracają na to uwagę autorzy obydwu artykułów [9, 10].

Podsumowanie

Przebieg pożarów na parkingach i w garażach zamkniętych wskazuje, że mogą mieć one daleko idące konsekwencje dla bezpieczeństwa ludzi i budynków. W artykułach i dyskusjach w gronie specjalistów wskazuje się na potrzebę przyjęcia konkretnych rekomendacji dotyczących zabezpieczenia garaży z uwagi na nowe okoliczności, czyli pojawienie się samochodów elektrycznych i zasilanych gazem ziemnym, a w przyszłości nawet wodorowych. Szczególną rolę w zapewnieniu bezpiecznej ewakuacji i skutecznej akcji ratowniczej mogą odegrać systemy wentylacyjne oraz wodne stałe urządzenia gaśnicze.

Tym, co odróżnia pożary baterii w samochodach elektrycznych od pożarów zwykłych aut, jest fakt, że te pierwsze nie wymagają napływu tlenu. Należy zatem dążyć do wypracowania w scenariuszach wentylacji takiego ogólnie akceptowanego rozwiązania, które zapewni bezpieczną ewakuację i jednocześnie zapobiegnie nagromadzeniu się w garażu gazów zagrażających ekipom ratowniczym i uniemożliwiających skuteczne dotarcie do źródła pożaru i schłodzenie samochodu do czasu wypalenia. Tak samo potrzebne są badania i późniejsze zalecenia dotyczące zasadności stosowania stałych wodnych urządzeń gaśniczych – czy mają to być tryskacze, jeśli tak, to jakie, co je powinno uruchamiać i kiedy. Na razie mamy zatem więcej pytań niż gotowych odpowiedzi na temat projektowania garaży podziemnych w perspektywie pełnej elektryfikacji transportu osobowego w ciągu najbliższych 30 lat. A budynki i znajdujące się w nich garaże, które budujemy obecnie, będą użytkowane na pewno dłużej.

***

¹ Li jest metalem alkalicznym o znacznie większej pojemności elektrycznej (3860 Ah/kg) niż ołów (260 Ah/kg). Jest wrażliwy na działanie wody. Łatwo wchodzi w reakcję z wodą, skutkując wydzielaniem gazowego wodoru. Pod działaniem wysokiej temperatury ulega zapaleniu.

Pierwotnie artykuł został opublikowany w „Rynku Instalacyjnym” 3/2021.

Literatura

1. Peiyi Sun, Roeland Bisschop, Huichang Niu, Xinyan Huang, A Review of Battery Fires in Electric Vehicles, „Fire Technology” 1/2020, DOI: 10.1007/s10694-019-00944-3.

2. https://www.fleetnews.co.uk/news/manufacturer-news/2020/11/27/vehicle-fire-data-suggests-higher-incident-rate-for-evs (dostęp: 15.02.2021).

3. https://www.insurancejournal.com/news/national/2020/10/20/587257.html (dostęp: 15.02.2021).

4. https://edition.cnn.com/2020/11/10/success/electric-car-vehicle-battery-fires/index.html (dostęp: 15.02.2021).

5.https://media.gm.com/media/us/en/gm/news.detail.html/content/Pages/news/us/en/2011/Jan/0118_NFPA.html (dostęp: 15.02.2021).

6. https://www.nfpa.org/training-and-events/by-topic/alternative-fuel-vehicle-safety-training (dostęp: 15.02.2021).

7. https://www.nhtsa.gov/sites/nhtsa.dot.gov/files/documents/12848-lithiumionsafetyhybrids_101217-v3-tag.pdf (dostęp: 15.02.2021).

8. Kubera Damian, IT’S A FIRE!, https://www.youtube.com/watch?v=Q5ZUKiQpwvw (dostęp: 15.02.2021).

9. Król Małgorzata, Król Aleksander, Identyfikacja zagrożeń związanych z użytkowaniem samochodów z napędem elektrycznym w kontekście ich parkowania w budynkach, „Rynek Instalacyjny” 10/2020, rynekinstalacyjny.pl.

10. Łącki Włodzimierz, Garaże dla samochodów elektrycznych – nowe wyzwania dla ochrony ppoż., „Warunki Techniczne” 35, 2020.

11. Węgrzyński Wojciech, Krajewski Grzegorz, Systemy wentylacji pożarowej garaży. Projektowanie, ocena, odbiór, Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 2015.

12. Joniec Waldemar, Bezpieczeństwo pożarowe garaży, „Rynek Instalacyjny” 10/2020, rynekinstalacyjny.pl.

13. https://www.bloomberg.com/news/articles/2020-10-16/battery-fires-put-bmw-and-ford-on-back-foot-just-as-evs-take-off (dostęp: 15.02.2021).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!