Рассмотрено 5 способов тушения пожаров электромобилей: (1) охлаждение водой, (2) через люк для доступа к батарее, (3) погружение в контейнер с водой, (4) применение ствола-пробойника, (5) применение противопожарного полотна. Статья является переводом фрагмента из диссертации Патрика Фёсляйтнера (Грацкий технологический университет).
По сравнению с обычными автомобилями, существуют некоторые отличия в приемах пожаротушения при работе с электромобилями. Как и в случае с любым другим пожаром автомобиля, всегда рекомендуется сначала тушить автомобиль водой, как это делалось в раньше. Пена, например, не рекомендуется компанией Tesla [1]. Если в пожар вовлечена батарея, необходимо охладить ее, чтобы по возможности предотвратить распространение теплового разгона аккумулятора. Основная цель – минимизировать дальнейшую передачу тепла соседним элементам и охладить их до температуры ниже критической точки воспламенения. Это непросто, поскольку батарея защищена металлическим корпусом.
Вряд ли какое-либо вмешательство сможет остановить тепловой разгон, поскольку необходимо обеспечить непосредственное интенсивное охлаждение отдельного элемента батареи. При работе с полупроводниковыми батареями следует соблюдать осторожность. Не рекомендуется использовать воду для тушения пожара батареи такого типа. Из-за использования элементарного лития могут возникнуть взрывные реакции. [2]
В Tesla используется относительно простой способ предотвратить или хотя бы замедлить тепловой разгон в Model 3 и Model Y, где аккумуляторная батарея имеет закрытый стальной корпус, но дно состоит из тонкой алюминиевой пластины. Из-за теплового разгона температура повышается, и как только пластина расплавляется в горячих точках, элементы должны выпасть оттуда (температура плавления алюминия около 660 °C). На рис. 1 показаны ячейки, упавшие на землю во время пожара в автомобиле в штате Коннектикут.
Местная пожарная служба [3] сообщила, что пожар было легче потушить, чем в другие пожары электромобилей, так как плавление тонкой алюминиевой пластины позволило ячейкам упасть на землю. Тогда пожарные сосредоточились на тушении этой области на земле. В этом случае автомобиль в итоге был полностью выжжен, но основная идея заключается в том, чтобы горячие элементы выпали до того, как огонь перекинется с батареи на кузов. [4]
Рис. 1. Элементы аккумулятора, упавшие на землю после пожара в автомобиле [360].
Большинство OEM-производителей в своих руководствах по реагированию на чрезвычайные ситуации [5, 1, 6, 7] предлагают стратегию тушения, основанную на охлаждении батареи большим количеством воды. Однако вместо того, чтобы использовать и загрязнять тысячи литров воды для тушения, существуют другие способы, позволяющие предотвратить распространение теплового разгона. В этой статье рассматриваются пять стратегий.
1. Стратегия: Охлаждение водой
Традиционным вариантом охлаждения батареи является использование большого количества воды для тушения пожара. Для достижения наиболее эффективного охлаждения вода должна быть направлена непосредственно на батарею, что на практике не так просто сделать. Батарея часто располагается на полу автомобиля и защищена прочным металлическим корпусом, чтобы избежать повреждений. Особенно в случае пожара это приводит к обратным последствиям, поскольку вода для тушения может оказать охлаждающее действие только в том случае, если она попадет на горящие элементы как можно ближе. Поэтому может потребоваться до 30 м³ воды [1]. На открытой дороге такое количество может стать проблемой, поскольку стандартный пожарный автомобиль в Австрии обычно вмещает 2 м³.
В автодорожных туннелях с водоснабжением проблем возникнуть не должно. Согласно RVS 09.01.24 [8], размеры системы подачи воды для тушения должны быть рассчитаны таким образом, чтобы расход воды 20 л/с при давлении 6-12 бар обеспечивался в течение 90 минут. Таким образом, в распоряжении должно быть не менее 108 м³ воды для тушения пожара.
Преимущества:
- Простая и привычная процедура для пожарных.
- Не требуется специального инструмента.
Недостатки:
- Требуется большое количество воды для тушения пожара.
- Большое количество загрязненной воды попадает в окружающую среду.
2. Стратегия: Люк для доступа для пожарных
Французский автопроизводитель применил запатентованный подход [9], оснастив свои электромобили специальным люком для доступа для пожарных. Интересная концепция, разработанная в сотрудничестве с пожарными, состоит из двух термочувствительных компонентов, один из которых находится на шасси, а другой – на корпусе батареи (рис. 2). В случае пожара эти элементы плавятся, и образуется отверстие для доступа к батарее. Аварийные службы могут использовать это отверстие для подачи воды напрямую в батарею, тем самым обеспечив тушение пожара в течение короткого времени небольшим количеством воды. [10]
Рис. 2. Расположение люка для доступа для пожарных (слева, [10]); процесс тушения (справа, [11])
Преимущества:
- Эффективный способ создания прямого доступа к батарее.
- Простое решение.
Недостатки:
- Необходимо следить за тем, чтобы пожарный рукав не попадал непосредственно в отверстие из-за возможной опасности поражения электрическим током.
- Система размещена в салоне автомобиля, строго говоря, она спрятана под задним сиденьем (рис. 2). Сомнительно, что пожарные смогут быстро получить к ней доступ.
- В настоящее время эта система применяется только одним производителем.
3. Стратегия: Пожарный контейнер
Еще один способ – это высоковольтный контейнер; упрощенно говоря, это большая ванна для легковых автомобилей (рис. 3). Сначала необходимо потушить пожар в кузове автомобиля. Если нельзя исключить повреждение батареи, электромобиль помещают в этот контейнер. Контейнер Red Boxx, разработанный и запатентованный [12] немецкой компанией, изготовлен из листовой стали и имеет объем 23 м³, что достаточно для размещения в нем легкового автомобиля. Автомобиль может быть поднят в контейнер с помощью крана или затянут в контейнер с помощью встроенной сетки и электрической лебедки. Затем контейнер заливается огнетушащей водой через предусмотренные полугайки до полного погружения и полного охлаждения батареи.
Рис. 3. Пожарный контейнер для электромобилей
Такой подход не очень рекомендуется производителями автомобилей [4] по следующей причине. Если тепловой выброс происходит в одном модуле батареи, другие модули не обязательно будут повреждены. Однако если весь блок погрузить в воду, то все остальные модули (даже те, которые еще не повреждены) также окажутся под водой. Пока модули погружены в воду они безопасны, и пожар не возникнет. Как только модули достанут из воды, через несколько дней или недель может возникнуть пожар. В худшем случае погружение в воду повреждает даже здоровые модули, что рано или поздно может привести к пожару. Однако невозможно предугадать, возникнет ли пожар после погружения в воду и когда он возникнет.
Преимущества:
- Контейнер оснащен кислотостойкими резиновыми уплотнителями, поэтому герметичность гарантирована. Загрязненная огнетушащая вода не попадает в окружающую среду.
- Контейнер не ограничивается только электромобилями и может использоваться для других целей.
- Автомобиль можно оставить в контейнере без немедленного заполнения водой до тех пор, пока не будет исключен риск возгорания, в соответствии с рекомендацяими производителя. Если за это время произойдет возгорание, контейнер можно будет затопить в любое время.
Недостатки:
- Как только аварийные службы или специалисты сочтут батарею стабильной, загрязненная вода для тушения откачивается. Однако затраты на утилизацию могут быть высокими (в зависимости от степени загрязнения), а ответственность за утилизацию пока не определена.
- Стоимость этой системы высока, а транспортировка на место осуществляется сменной организацией, что также имеет высокую стоимость.
- Контейнер защищен патентом. С юридической точки зрения это может создать трудности для аварийных служб из-за финансовых претензий [13].
4. Стратегия: Ствол-пробойник
Другой вариант – использование ствола-пробойника, которое в зависимости от производителя вводится в корпус батареи вручную [14] или пневматически [15, 16] (рис. 4). Такой ствол обычно изготавливается из нержавеющей стали, а на его наконечнике имеются сопла с небольшими отверстиями, через которые огнетушащая вода поступает в элементы. В случае ручного перемещения на заднем конце копья имеется штуцер для шланга. Его рукоятка имеет электрическую изоляцию для защиты от поражения электрическим током.
Рис. 4. Ствол-пробойник для тушения с ручной подачей (слева, [14]); ствол-пробойник с пневматическим управлением (справа, [15])
Ручной ствол-пробойник был использовано на испытательной установке BRAFA Veh05, на рис. 5 показаны датчики температуры и напряжения в батарее. Примерно через 700 секунд после воспламенения пожар был потушен (на это указывает HRR). В это время батарея не была вовлечена в пожар, о чем свидетельствуют сохраняющееся напряжение 400 В и низкая температура внутри батареи. Несмотря на то, что кузов автомобиля горел уже более 10 минут, температура в батарее только достигла 25 °C. Это может быть связано с хорошо защищенным корпусом и, возможно, все еще работающей системой управления батареей (BMS).
Рис. 5. HRR, температура и напряжение на батарее во время испытаний Veh05
После того как был инициирован пожар непосредственно в батарее, произошло резкое падение напряжения на 825 секунде, что показывает момент начало теплового разгона. С этого момента температура стала быстро расти. Даже начало обычных действий по пожаротушению кузова не повлияло на температуру внутри батареи; температура на датчике T5 поднялась еще выше, превысив 400 °C. После того как кузов был потушен и к автомобилю был обеспечен безопасный доступ, приступили к использованию ствола-пробойника. Сначала ствол был установлен, затем зафиксирован в точном положении, и, наконец, наконечник ствола был вбит непосредственно во внутреннюю часть батареи с помощью кувалды. Ввод ствола-пробойника оказался сложной задачей и показал, что необходимы практика и знание особенностей этого ствола. В этом контексте необходимо также учитывать опасности, связанные с использованием ствола-пробойника (например, струйное горение и реакции на короткое замыкание, такие как электрическая дуга или удар электрическим током).
Резкое снижение температуры на датчике T5 свидетельствует об эффективном охлаждении стволом-пробойником, которое должно остановить распространение теплового разгона. Тем не менее, температура упала всего до 100 °C, что может быть недостаточно для предотвращения дальнейшего распространения (в зависимости от химического состава элемента). Более того, видно, что температура датчика T1 на другой стороне батареи не снизилась, а даже продолжила расти. В зависимости от конструкции батареи эффект охлаждения может быть довольно локальным.
Проведенное испытание пожара батареи показало, что уже охлажденная батарея может снова загореться из-за ствола-пробойника. В этом испытании тепловой разгон был быстро потушен с помощью ствола, и батарея не показала никаких дальнейших реакций. Однако, когда через несколько минут ствол-пробойник был извлечен и затем введен в другую часть батареи, тепловое возгорание началось во второй раз. Причиной стало внутреннее короткое замыкание, возникшее из-за проникновения ствола-пробойника. Таким образом, неправильное применение ствола в незадействованном, активном элементе может спровоцировать там тепловой разгон.
Преимущества:
- Примерно через минуту после установки копья наблюдается эффект тушения.
- Необходимое количество воды для тушения очень мало. Более того, можно использовать смачиватель, чтобы еще больше сократить расход воды. Эффект достигается за счет снижения поверхностного натяжения воды и повышения ее смачиваемости.
- Требуется минимальное пространство в пожарной машине.
Недостатки:
- Для правильного введения пробойника необходимо знать точное положение батареи в автомобиле. Глубина проникновения также важна, в противном случае необходимо изменить положение ствола-пробойника.
- Положение ствола-пробойника оказывает большое влияние на эффект охлаждения, который может быть только локальным.
- Как правило, пожарные должны подойти очень близко к автомобилю, который еще может гореть.
- Перед применением требуется всесторонняя подготовка. Таким образом, это скорее полезное дополнение для профессиональных пожарных подразделений или пожарных подразделений отдельных компаний.
5. Стратегия: Противопожарное полотно
Противопожарное полотно используется для тушения пожара на начальной стадии и для подавления образующегося дыма. Противопожарные полотна изготавливаются из силиконового стекловолокна и выпускаются в размерах для легковых автомобилей. Для применения в дорожных туннелях они могут стать актуальным инструментом, помогающим пользователям туннеля спастись, особенно на этапе самоспасения. Они также могут предотвратить распространение огня на другие транспортные средства.
Противопожарное полотно, использованное в BRAFA, имело размер 6 x 8 м и применялось в огневых испытаниях Veh01. Пожар начался от батареи, и его развитие было очень быстрым. Примерно через 8 минут после возгорания было использовано противопожарное полотно. Это объясняется тем, что необходимо учитывать время на передачу сообщения, а также следования подразделений к месту вызова. Поэтому следует предположить, что до прибытия пожарных автомобиль уже полностью охвачен огнем.
Сначала полотно развернулось должным образом. Из-за теплового разгона аккумулятора большое пламя появилось с боков пола автомобиля. После того как пожарные полностью натянули полотно на автомобиль, на земле появились отверстия, из которых выходили струи огня и дыма. Основная цель применения полотна – уложить его как можно плотнее, без воздушного зазора между полотном и автомобилем. Из-за быстрой скорости пожара, вызванной горящим аккумулятором, удерживать полотно было сложно (рис. 6).
Рис. 6. Применение оказалось сложным из-за быстрой скорости горения батареи [17].
По заявлению производителя полотна, оно должно оставаться на автомобиле не менее 20 минут. Однако во время теста оно было снято через 2 минуты, так как его было трудно удерживать. Противопожарное полотно было слишком маленьким несмотря на то, что испытуемый автомобиль был компактным. Формат должен был быть достаточно большим, чтобы покрыть всю поверхность автомобиля и потушить пожар. Предварительные испытания проводились без горящего автомобиля и подтвердили адекватность размера. Тем не менее, в испытании с пожаром применение полотна было неэффективным.
Используемое полотно рекламируется как продукт многоразового использования, но дыры, появившиеся через некоторое время под воздействием высоких температур, говорят об обратном. Кроме того, производитель утверждает, что противопожарное полотно может тушить автомобили (а также аккумуляторные электромобили), герметизируя их кислородом. Однако горящий электролит высвобождает кислород в ячейке, что делает процесс тушение путем изоляции невозможным.
На рис. 7 показано применение полотна, где на графике HRR четко видно результат использования. В момент применения полотна HRR значительно падает, а затем остается на низком уровне до его удаления. Тем не менее, огонь и дым не удалось полностью подавить, о чем свидетельствует количество СО, отслеживаемое датчиками. Поскольку дым выходит из боковой части автомобиля, они по-прежнему показывают соответствующие концентрации даже после применения противопожарного полотна.
Преимущества:
- Уменьшается выброс дыма при использовании полотна. Это может быть полезно, если оно применяется на этапе самоспасения.
Недостатки:
- Применение в фазе развитого пожара было затруднено.
- В случае теплового разгона применение полотна нецелесообразно (вспышка огня из-под пола).
- Необходимо, чтобы полотно применял обученный персонал.
Рис. 7. HRR и концентрация CO во время работы Veh01
6. Результаты
Люк для доступа для пожарных – это простой и эффективный способ обеспечить прямой доступ к батарее. Однако в настоящее время эта система используется только одним OEM-производителем, и ее реализация является неоптимальной. Стратегия пожарного контейнера обеспечивает хорошую защиту от повторного возгорания батареи, но цена его приобретения высока, и он может привести к образованию большого количеству загрязненной воды после тушения пожара. Поэтому в случае пожара электромобиля этот вариант рассматривается как крайняя мера.
В ходе экспериментов BRAFA были проверены две другие стратегии тушения на предмет их практической осуществимости. Одна из них заключалась в использовании противопожарного полотна, но ее успех был ограничен. Хотя оно уменьшает распространение дыма в первые несколько минут после возгорания автомобиля, с ним оказалось очень сложно обращаться. Кроме того, полотно не снижает тепловой разгон, поскольку кислород образуется в электролите во время реакции. Полотно не подходит для тушения пожаров в туннелях, однако возможно его применение на подземных стоянках. В этом случае обученный персонал может среагировать на ранней стадии, используя полотно, чтобы предотвратить распространение пожара на другие автомобили.
С другой стороны, ствол-пробойник, введенный внутрь корпуса батареи, оказался очень эффективным вариантом борьбы с тепловым разгоном. Датчики температуры, установленные в аккумуляторе автомобиля, показали быстрое падение температуры сразу после применения пробойника. Однако для аварийного персонала требуется серьезная подготовка, поскольку высокое напряжение представляет определенную опасность. Хотя в легковых автомобилях батарея обычно устанавливается на полу салона, точное расположение и компоновка (например, распределение по модулям) батареи могут отличаться от автомобиля к автомобилю.
Две исследованные стратегии пожаротушения дают ориентировочную картину, но ее недостаточно, чтобы сделать окончательное заключение. Для получения дополнительной информации необходимо провести дополнительные испытания. Наконец, в отчете BRAFA [17] ÖBFV рекомендует охлаждать горящую батарею обычной водой. Из-за неэффективной реализации эффекта охлаждения необходимое количество воды для тушения довольно велико. Однако это простой процесс, знакомый пожарным и не требующий специальных инструментов. Добавление смачивателей может снизить потребность в воде, однако этот вопрос требует дальнейшего изучения.
Библиография
[1] Руководство по действиям в чрезвычайных ситуациях для Tesla Model S (модель 2021 года) Tesla Inc. 2021. Emergency response guide Model S (model of 2021). Online: https://www.tesla.com/firstresponders. Accessed: 2022/11/29.
[2] Применение транспортных средств с альтернативными источниками энергии и их периферийного оборудования. Österreichischer Bundesfeuerwehrverband (ÖBFV). 2022. Einsatz mit alternativ angetriebenen Fahrzeugen und deren Peripherie. Info E-20.
[3] Тушение пожара в автомобиле Tesla занимает 42 минуты. Stamford Fire Department. 2022. Fully Involved Tesla Car Fire Takes 42 Minutes to Extinguish. Online: https://www.stamfordfire.com/2022/09/15/fully-involved-tesla-car-fire-takes-42-minutes-to-extinguish. Accessed: 2023/01/13.
[4] Личное общение. Переписка по электронной почте с компанией Tesla. Personal communication. 2022-11-29. Email correspondence with Tesla Inc.
[5] Спасательный лист Mercedes-Benz EQE (модель 2022 года). Mercedes-Benz AG. 2022. Rescue sheet EQE (model of 2022). Online: https://rk.mb-qr.com/de/. Accessed: 2022/11/30.
[6] Спасательный лист Opel Ampera-e (модель 2017 года). Opel Automobile GmbH. 2017. Rescue sheet Ampera-e (model of 2017). Online: http://ifz-berlin.de/#/rescue. Accessed: 2020/04/06.
[7] Спасательный лист Volkswagen ID.5 (модель 2021 года).Volkswagen AG. 2022. Rescue sheet ID.5 (model of 2021). Online: https://www.volkswagen.de/de/besitzer-und-nutzer/wichtige-kundeninformationen/rechtliches/rescue-data.html. Accessed: 2022/11/30.
[8] Тоннелестроение – эксплуатация и безопасность: конструктивные сооружения для эксплуатации и безопасности. Forschungsgesellschaft Straße-Schiene-Verkehr (FSV). 2014. Tunnelbau – Betrieb und Sicherheit: Bauliche Anlagen für Betrieb und Sicherheit. RVS 09.01.24.
[9] Пожарное устройство для погружения приводной батареи электрического или гибридного транспортного средства. Cohen, J. and Mulato, G. 2015. Filling device for firefighters of a drive battery of an electric or hybrid vehicle. Patent, US 2015/0056481 A1.
[10] Партнерство с аварийными службами для безопасных электромобилей. Groupe Renault. 2019. Partnering with the emergency services for safe electric vehicles. Online: https://www.renaultgroup.com/en/news-on-air/news/partnering-with-the-emergency-services-for-safe-electric-vehicles. Accessed: 2021/12/27.
[11] Руководство первой помощи Renault ZOE. Renault. 2013. First Responder’s Guide. Renault ZOE.
[12] Контейнер для удаления поврежденных транспортных средств и способ удаления поврежденного транспортного средства. Ellermann, C. W. 2017. Behälter zum Bergen havarierter Fahrzeuge und Verfahren zum Bergen eines havarierten Fahrzeugs. Patent B65D 88/12 (2006.01) B65D 88/12 (2006.01), DE 10 2016 211 854 B3.
[13] Электромобили в бассейне с водой – дорогостоящий процесс для получения лицензии на пожарные услуги? Kollinger, H. 2020. Elektro-Fahrzeuge im Wasserbad – ein zu lizensierender, kostenpflichtiger Vorgang für die Feuerwehren? Online: https://www.fireworld.at/2020/10/12/elektro-fahrzeuge-im-wasserbad-%E2%86%92-ein-zu-lizensierender-kostenpflichtiger-vorgang-fuer-die-feuerwehren. Accessed: 2023/04/07.
[14] Система тушения электромобилей. Безопасное тушение возгораний электромобилей с помощью системы e-extinguishing. BAS Vertriebs GmbH. 2020. E-Löschsystem. Elektrofahrzeugbrände sicher ablöschen mit dem E-Löschsystem. Online: https://www.bas-brandschutz.de/de/aktuelles/2020/e-loeschlanze.php. Accessed: 2023/12/09.
[15] Новая система пожаротушения для горящих тяговых батарей в электромобилях. Rosenbauer International AG. 2021. New extinguishing system for burning traction batteries in electric vehicles. Online: https://www.rosenbauer.com/en/at/rosenbauer-group/press/specialist-press/press-detail/nd/neues-loeschsystem-fuer-brennende-traktionsbatterien-bei-elektrofahrzeugen-1. Accessed: 2023/12/09.
[16] Безопасность батареи – предотвращение распространения тепла. Brunnsteiner, B., Prochazka, W., and Pfennich, G. H. 2022. Battery Safety – Preventing Thermal Propagation. ATZ Worldwide 124, 12, 16–21.
[17] «BRAFA» – Последствия пожара для автомобилей с альтернативным приводом, отчет о результатах. Австрийская федеральная ассоциация пожарной охраны (ÖBFV). Sturm, P., Fößleitner, P., Fruhwirt, D., Heindl, S., Kohl, B., Heger, O., Galler, R., Wenighofer, R., and Krausbar, S. 2021. “BRAFA” – Brandauswirkungen von Fahrzeugen mit alternativen Fahrzeugantrieben, Ergebnisbericht. With assistance of TU Graz – Institute of Internal Combustion Engines and Thermodynamics (IVT), TU Graz – Vehicle Safety Institute (VSI), ILF Consulting Engineers Austria GmbH, Montanuniversität Leoben, Lehrstuhl für Subsurface Engineering, Österreichischer Bundesfeuerwehrverband (ÖBFV). Bundesministerium für Klimaschutz, Umwelt, Energie, Mobilität, Innovation und Technologie (BMK); Österreichische Bundesbahnen (ÖBB); Autobahnen- und Schnellstraßen-Finanzierungs-Aktiengesellschaft (ASFINAG). DOI 10.3217/8vj91-gc832.