Είναι επικίνδυνα τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα μέσα στις οδικές σήραγγες;

Το Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Graz, το Πανεπιστήμιο του Leoben, η Αυστριακή Πυροσβεστική Ένωση και η εταιρία ILF Consulting Engineers, to 2021 διερεύνησαν τις επιπτώσεις των πυρκαγιών ηλεκτρικών οχημάτων μέσα στα συστήματα των οδικών σηράγγων.
Τα αποτελέσματα είναι καθησυχαστικά για τα επιβατικά ηλεκτρικά αυτοκίνητα, αλλά όχι για επαγγελματικά. Για τα τελευταία, καθώς και για τις πυρκαγιές ηλεκτρικών οχημάτων σε πολυώροφους χώρους στάθμευσης, χρειάζονται επειγόντως περαιτέρω έρευνες, σύμφωνα με τους ερευνητές.

Ο πραγματικός δυνητικός κίνδυνος σε περίπτωση ατυχήματος με ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο είναι ακόμα σχετικά άγνωστος, αλλά οι ανησυχητικές εικόνες κάποιων ηλεκτρικών οχημάτων που καίγονται είναι ήδη διαδεδομένες. Μέχρι στιγμής, γνωρίζουμε ότι τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας των ηλεκτρικών οχημάτων που βασίζονται στην τεχνολογία ιόντων λιθίου συμπεριφέρονται διαφορετικά από τους συμβατικούς κινητήρες αυτοκινήτων σε περίπτωση πυρκαγιάς.

Τι ακριβώς συμβαίνει όμως εάν κάποιο ηλεκτρικό όχημα πάρει φωτιά μέσα σε μια οδική σήραγγα; Πόσο ζεσταίνεται το όχημα και ποια αέρια παράγονται; Τι κίνδυνοι υπάρχουν για τους ανθρώπους που βρίσκονται μέσα στη σήραγγα τη στιγμή του ατυχήματος; Σε ποιους κινδύνους εκτίθεται το προσωπικό έκτακτης ανάγκης; Τι ζημιά μπορεί να υποστεί η υποδομή της σήραγγας; Και τέλος, ποιος είναι ο πιο αποτελεσματικός τρόπος για τις πυροσβεστικές υπηρεσίες να σβήσουν ένα φλεγόμενο ηλεκτρικό όχημα μέσα σε μια σήραγγα;

Στο έργο “BRAFA-Fire Effects of Vehicles with Alternative Drive Systems”, το Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Graz, το Πανεπιστήμιο του Leoben, η Αυστριακή Πυροσβεστική Ένωση και η εταιρεία συμβούλων ILF Consulting Engineers Austria, με υποστήριξη από Αυστριακό Ομοσπονδιακό Υπουργείο Προστασίας του Κλίματος, Περιβάλλοντος, Ενέργειας, Κινητικότητας, Καινοτομίας και Τεχνολογίας, διερεύνησαν τις σχετικές με την ασφάλεια επιπτώσεις των πυρκαγιών που αφορούν ηλεκτρικά οχήματα με μπαταρίες (BEV) σε οδικές σήραγγες και αξιολόγησαν τις μεθόδους για την καταπολέμηση πυρκαγιών.

Τα αποτελέσματα των ολοκληρωμένων πειραματικών και αριθμητικών ερευνών παρέχουν πολύτιμες γνώσεις, αλλά πάνω απ’ όλα μια διαβεβαίωση. Με βάση αυτές τις έρευνες, οι πιθανοί κίνδυνοι δεν πρέπει να εκτιμηθούν ως πολύ πιο κρίσιμοι από ό, τι στην περίπτωση πυρκαγιών σε επιβατικά αυτοκίνητα με συμβατικούς κινητήρες καύσης.

“Τα αυστριακά συστήματα οδικών σηράγγων είναι αρκετά κατάλληλα για τις προκλήσεις που θέτει μια πιθανή καύση ενός ηλεκτρικού οχήματος “, καταλήγει ο Peter Sturm, καθηγητής στο Ινστιτούτο Κινητήρων Εσωτερικής Καύσης και Θερμοδυναμικής στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Graz.

“Ωστόσο, τα αποτελέσματά μας υποδεικνύουν σημαντικά αυξημένο κίνδυνο πυρκαγιάς ηλεκτρικών οχημάτων σε πολυώροφους χώρους στάθμευσης αυτοκινήτων (κυρίως σε εσωτερικούς πολυόροφους χώρους στάθμευσης αυτοκινήτων). Και υπάρχει επίσης επείγουσα ανάγκη για περισσότερη χρηματοδότηση για περαιτέρω έρευνες σε πυρκαγιές σε σήραγγες που αφορούν ηλεκτρικά επαγγελματικά οχήματα με μπαταρίες, δηλαδή ηλεκτρικά λεωφορεία και ηλεκτρικά φορτηγά”.

Κάψιμο καινούργιων αυτοκινήτων στο “Zentrum am Berg”
Ενώ η προηγούμενη κατάσταση γνώσης βασιζόταν σε δοκιμές πυρκαγιάς μέσα σε μια σήραγγα με μεμονωμένες στοιχεία μπαταριών και μικρές μπαταρίες και ο πιθανός κίνδυνος καύσης ολόκληρων αυτοκινήτων προερχόταν από αυτό, η ομάδα του έργου απέκτησε νέες γνώσεις από μεγάλες δοκιμές πυρκαγιάς σε πραγματικό χρόνο για πρώτη φορά.
Στο νέο ερευνητικό κέντρο σηράγγων “Zentrum am Berg” του Πανεπιστημίου του Leoben (διευθυντής: Robert Galler, Καθηγητής Υπόγειας Μηχανικής), σκόπιμα πυρπολήθηκαν μονάδες μπαταρίας, τρία ηλεκτρικά οχήματα και δύο οχήματα με κινητήρα ντίζελ. Τα οχήματα που ήταν αυτοκίνητα τύπου compact, SUV και φορτηγάκια, ήταν καινούργια αυτοκίνητα που κατασκευάστηκαν το 2020 και ήταν εξοπλισμένα με την τελευταία τεχνολογία μπαταριών ιόντων λιθίου που διατίθεται στην αγορά.

Οι ερευνητές και η πυροσβεστική αρχικά βρέθηκαν σε σύγκρουση συμφερόντων κατά τη διάρκεια των δοκιμών πυρκαγιάς του έργου. Η πυροσβεστική ήθελε να σβήσει αυτές τις σκόπιμες πυρκαγιές το συντομότερο δυνατό, ενώ οι ερευνητές ήθελαν να ασχοληθούν με τη συλλογή δεδομένων κατά τη διάρκεια της πυρκαγιάς.

Ως συμβιβαστική λύση, οι προσπάθειες κατάσβεσης ξεκίνησαν μόνο μετά από έναν απρόσκοπτο χρόνο πυρκαγιάς δέκα λεπτών. “Αυτός είναι επίσης ο χρόνος διαφυγής και ο χρόνος μέχρι την άφιξη των υπηρεσιών έκτακτης ανάγκης. Ήμασταν σε θέση να αποκτήσουμε πολύτιμα δεδομένα σε αυτά τα πρώτα δέκα λεπτά, και μετά ήταν η σειρά της πυροσβεστικής”, δήλωσε ο Peter Sturm.

Απελευθέρωση θερμότητας και εκπομπές αερίων πυρκαγιάς
Περισσότεροι από 30 αισθητήρες θερμοκρασίας χρησιμοποιήθηκαν για τη μέτρηση του ρυθμού απελευθέρωσης θερμότητας, δηλαδή του θερμικού φορτίου ενός οχήματος. Το θερμικό φορτίο ενός συμβατικού αυτοκινήτου είναι περίπου 5 μεγαβάτ (MW), ή περίπου ισοδύναμο με μια φλεγόμενη στοίβα 25 ξύλινων παλετών. Ο ρυθμός απελευθέρωσης θερμότητας των καμένων ηλεκτρικών οχημάτων μέσα στη σήραγγα, στα 6 έως 7 MW, ήταν κάπως υψηλότερος από αυτόν των οχημάτων σύγκρισης με κινητήρα ντίζελ, αλλά αυτό δεν συνεπάγεται νέους κινδύνους. Σε σύγκριση, το θερμικό φορτίο ενός συμβατικού φορτηγού είναι περίπου 30 MW – και τα συστήματα των αυστριακών σηράγγων έχουν επίσης σχεδιαστεί για αυτό.

“Απελευθερώνεται λίγο περισσότερη θερμότητα όταν καίγονται ηλεκτρικά οχήματα, αλλά αυτό το γεγονός δεν καθιστά την κατάσταση ουσιαστικά πιο επικίνδυνη μέσα στη σήραγγα. Οι μετρημένες θερμοκρασίες στην περιοχή διαφυγής είναι κάτω από το όριο των 60 βαθμών Κελσίου για όλες τις δοκιμές πυρκαγιάς. Δεν είναι ευχάριστη θερμοκρασία, αλλά η διαφυγή και η κατάσβεση είναι ακόμα δυνατές», συνοψίζει ο Peter Sturm.

Η μόνη εξαίρεση είναι εάν υπάρχει μια αυθόρμητη αντίδραση κατά την οποία ολόκληρη η μπαταρία καίγεται πλήρως ταυτόχρονα, τότε μπορεί να αναμένεται αισθητά υψηλότερη απελευθέρωση θερμότητας έως 10 MW σε λίγα λεπτά. “Ωστόσο, προκαλέσαμε σκόπιμα αυτήν την αυθόρμητη αντίδραση για να μπορέσουμε να διερευνήσουμε αυτό το χειρότερο σενάριο. Στην πραγματική περίπτωση, εμφανίζεται η λεγόμενη θερμική διαφυγή στην μπαταρία, σύμφωνα με την οποία η υπερθέρμανση και η φωτιά εξαπλώνονται από ένα στοιχείο στο επόμενο σαν αλυσιδωτή αντίδραση. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τέτοιες πυρκαγιές μπαταριών διαρκούν επίσης για μεγάλο χρονικό διάστημα», αναφέρει ο Peter Sturm.
Τα εκπεμπόμενα αέρια και τα βαρέα μέταλλα ήταν επίσης το επίκεντρο του έργου και συλλέχθηκαν και μετρήθηκαν χρησιμοποιώντας στοχευμένη εξαγωγή αέρα και κρεμαστές κουβέρτες. Επιπλέον, υψηλότερες ποσότητες υδροφθορίου και μονοξειδίου του άνθρακα ανιχνεύθηκαν στις πυρκαγιές των ηλεκτρονικών οχημάτων. “Ωστόσο, η θερμικά προκαλούμενη διαστρωμάτωση καπνού στη σήραγγα προκαλεί αυτά τα πυκνά αέρια να συγκεντρωθούν κυρίως στις άνω περιοχές της σήραγγας και έτσι έξω από την περιοχή που αφορά τους ανθρώπους. Αυτό σημαίνει ότι οι οδοί διαφυγής δεν επηρεάζονται”, εξηγεί ο Peter Sturm.

Αλλά ως δεύτερη σκέψη: «Ένα μεγάλο μέρος του συγκριτικά χαμηλού κινδύνου στις οδικές σήραγγες οφείλεται στα συστήματα εξαερισμού. Αυτά τα συστήματα δεν υπάρχουν σε πολυώροφους χώρους στάθμευσης αυτοκινήτων, για παράδειγμα, ή τουλάχιστον όχι σε συγκρίσιμο βαθμό. Αυτό σημαίνει ότι πυρκαγιές των ηλεκτρικών οχημάτων στα γκαράζ είναι ένα διαφορετικό ζήτημα από άποψη κινδύνου και πρέπει επειγόντως να διερευνηθεί πιο προσεκτικά. Σε κάθε περίπτωση, τα αποτελέσματα των μετρήσεων μας δείχνουν σοβαρό κίνδυνο».

Εκτίμηση κινδύνου και η υποδομή της σήραγγας
Δεδομένου ότι το μοντέλο κινδύνου “Turismo” που χρησιμοποιείται σήμερα στην Αυστρία, όπως και μοντέλα σε άλλες χώρες, αποκλείει εντελώς τη φωτιά των ηλεκτρικών οχημάτων με μπαταρία, ο κίνδυνος ασφάλειας για τους ανθρώπους στη σήραγγα υπολογίστηκε επίσης ως μέρος του έργου. Ο Bernhard Kohl από τον εταίρο του έργου που είναι υπεύθυνος για αναλύσεις κινδύνου διαπίστωσε ότι στην ακραία περίπτωση – δηλαδή όταν υπάρχουν μόνο ηλεκτρικά οχήματα στη σήραγγα – ο συνολικός κίνδυνος αυξάνεται κατά περίπου 4 % και ο κίνδυνος πυρκαγιάς κατά περίπου 12 % σε σύγκριση με ένα 100 τοις εκατό των κινητήρων καύσης.

Ωστόσο, πρέπει να ληφθεί υπόψη εδώ ότι είναι δύσκολο να εξαχθούν γενικά συμπεράσματα με βάση αυτές τις λίγες δοκιμές πυρκαγιάς. Όσον αφορά τη δομή και τα υλικά της δομής της σήραγγας, ο τύπος κίνησης του καμένου οχήματος δεν κάνει καμία σημαντική διαφορά. Αναμένεται ζημιά στο σκυρόδεμα λόγω έκρηξης σε πυρκαγιές επαγγελματικών οχημάτων και στις δύο κατηγορίες οχημάτων, η μορφολογία της ζημιάς είναι περίπου η ίδια.

Πυρόσβεση και μολυσμένο νερό κατάσβεσης
Στο πλαίσιο των πειραμάτων πυρκαγιάς, η Αυστριακή Πυροσβεστική Ένωση δοκίμασε διάφορες μεθόδους κατάσβεσης. Η συμβατική πυρόσβεση με νερό λειτούργησε καλύτερα. “Το νερό είναι ο πυροσβεστικός παράγοντας πρώτης επιλογής λόγω της πολύ καλής ψύξης. Ωστόσο, η εμπειρία δείχνει ότι με τις μπαταρίες ιόντων λιθίου, η πυρόσβεση γίνεται επιτυχής μόνο όταν το νερό φτάσει στο εσωτερικό της μπαταρίας. Η εξωτερική ψύξη μιας οριακά κατεστραμμένης μπαταρίας είναι ελάχιστα αποτελεσματική.

Προηγούμενες εργασίες έδειξαν ότι ο χρόνος κατάσβεσης και η απαίτηση πυροσβεστικού μέσου αυξάνονται και μπορεί να απαιτούνται αρκετές χιλιάδες λίτρων πυροσβεστικού νερού. Εάν είναι απαραίτητο, οι υπηρεσίες έκτακτης ανάγκης πρέπει να χρησιμοποιήσουν το νερό κατάσβεσης που υπάρχει στις σήραγγες», λέει ο Stefan Krausbar, της Αυστριακής Πυροσβεστικής Ένωσης.

Οι κουβέρτες κατάσβεσης που πνίγουν τη φλόγα δεν προσθέτουν καμία αξία από τη στιγμή που η φωτιά εξαπλωθεί στην μπαταρία. Ο λόγος για αυτό είναι οι ισχυρές φλόγες κοντά στο έδαφος, οι οποίες καθιστούν εξαιρετικά δύσκολο να καλυφθεί ολόκληρο το όχημα καλά με την κουβέρτα κατάσβεσης και η αυτονομία οξυγόνου της μπαταρίας. Η χρήση πυροσβεστικών λογχών που εγχέουν νερό απευθείας στο περίβλημα της μπαταρίας, από την άλλη πλευρά, έχει αποδειχθεί πολύ αποτελεσματική. Ωστόσο, ο χειρισμός των πυροσβεστικών λογχών είναι περίπλοκος και όχι χωρίς κίνδυνο, οπότε αυτή η μέθοδος απαιτεί ειδική εκπαίδευση για τις υπηρεσίες έκτακτης ανάγκης.

Το νερό κατάσβεσης που χρησιμοποιήθηκε για την καταπολέμηση της πυρκαγιάς έδειξε αυξημένη μόλυνση από βαρέα μέταλλα, ειδικά με νικέλιο. “Συνεπώς, εννοείται ότι το μολυσμένο νερό κατάσβεσης που συλλέγεται στη λεκάνη κατακράτησης είναι πιο δαπανηρό για απόρριψη”, λέει ο Günter Rattei.

Απαιτούνται επειγόντως περαιτέρω δοκιμές πυρκαγιάς με επαγγελματικά οχήματα
Παρά τα πολλά διδάγματα, ο επικεφαλής του έργου Peter Sturm τονίζει ότι η περαιτέρω έρευνα είναι κάτι παραπάνω από επιθυμητή. “Ο προϋπολογισμός του έργου ύψους 250.000 ευρώ μας άφησε πολύ λίγα περιθώρια ελιγμών”. Οι συνέπειες πυρκαγιάς των ηλεκτρικών επαγγελματικών οχημάτων με μπαταρίες – λεωφορείων και φορτηγών – θα μπορούσαν επομένως να κλιμακωθούν μόνο μέσω αριθμητικών προσομοιώσεων που βασίζονται σε υποθέσεις σχετικά με την ανάπτυξη της πυρκαγιάς, τη διάρκεια της πυρκαγιάς και την απελευθέρωση των ρύπων. Επί του παρόντος δεν υπάρχει ισχυρή μετρολογική επαλήθευση για αυτές τις υποθέσεις.

Επομένως, ολοκληρωμένα πειράματα πυρκαγιάς σε δοκιμές μεγάλης κλίμακας θα βελτίωναν σημαντικά την ποιότητα των πληροφοριών. Το ίδιο ισχύει για τον συγκεκριμένο κίνδυνο πυρκαγιών ηλεκτρικών οχημάτων σε πολυώροφους χώρους στάθμευσης αυτοκινήτων. “Παρ ‘όλη τη χαρά για την πρόοδο των εναλλακτικών συστημάτων οδήγησης, τέτοιες “εργασίες” που σχετίζονται με την ασφάλεια δεν πρέπει να παραμεληθούν”, λέει ο Peter Sturm, κάνοντας έκκληση για τη δημιουργία νομοθεσίας και τη χρηματοδότηση της έρευνας.

Πηγή: Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Graz