Confronto sulle conseguenze di un incendio di un veicolo elettrico e di un veicolo con motore a combustione interna

di Marcello Gatto

Poiché i sistemi di accumulo dell’energia rappresentano le nuove tecnologie chiave nello sviluppo dei veicoli elettrici (EV), i rischi che ne derivano devono essere esaminati attentamente.

Le batterie agli ioni di litio (Li-ion) che alimentano gli EV contengono materiali attivi altamente energetici ed elettroliti organici infiammabili, che evidenziano problematiche di sicurezza diverse dalle auto convenzionali.

In caso di incendio di veicoli elettrici, permangono preoccupazioni sul comportamento al fuoco delle batterie, sul loro impatto sulla crescita del fuoco, sulla loro potenziale tossicità indotta dal fuoco, specialmente in spazi confinati e parcheggi sotterranei e sulla loro reazione con l’acqua in caso di intervento dei vigili del fuoco.

Sono stati quindi effettuati test antincendio per due case automobilistiche francesi su due unità batteria, su un pacco batteria pieno, su un veicolo elettrico e su un analogo veicolo con motore a combustione interna (ICE).

Sono stati quantificati i parametri di minaccia termica e tossica che regolano il rischio di incendio. A tale scopo, sono state determinate la velocità di rilascio del calore e il calore effettivo della combustione per qualificare l’impatto termico mentre sono stati misurati i principali gas emessi che governano la potenza tossica degli effluenti del fuoco. Sono state confrontate le conseguenze di incendio di un veicolo elettrico e il corrispondente veicolo ICE.

Nel 2005, il settore dei trasporti era responsabile di circa il 15% delle emissioni globali di gas a effetto serra, a cui il trasporto stradale contribuisce fino al 73%.

Nell’ambito della politica di riduzione delle emissioni, la ricerca dedicata alle fonti energetiche alternative e decarbonizzate in sostituzione dei combustibili fossili nel settore dei trasporti è cruciale.

In questo campo, l’utilizzo dell’energia elettrica fornita da una potente batteria è una modalità innovativa. La batteria agli ioni di litio ad alta energia è in effetti uno dei nuovi sistemi emergenti di accumulo elettrico proposti nelle industrie per applicazioni innovative, in particolare nel settore automobilistico (ad esempio per Battery EV e plug-in EV ), grazie alla sua elevata densità energetica.

A causa della reattività dei materiali e dell’elevata densità di energia coinvolta, il sistema agli ioni di litio può essere soggetto a guasti come il thermal runaway che porta a perdite, sfiato di gas, incendi e, nel peggiore dei casi, esplosioni.

Per questo motivo, sono necessarie ulteriori precauzioni in termini di sicurezza: sfiato di sicurezza su ogni cella, fusibili, gestione elettrica della batteria e della cella con grado di supervisione e controllo a cella singola, ecc.

In generale, la maggior parte dei pericoli si verificano quando le batterie sono utilizzate in modo improprio o devono affrontare condizioni ambientali anomale.

Quando si opera al di fuori del dominio di stabilità del sistema (in termini di temperatura o tensione), possono verificarsi una serie di reazioni indesiderate (che variano in base al tipo di elettrochimica coinvolta).

Queste reazioni collaterali possono portare al rilascio di calore e gas, e quindi successivamente provocare una fuga termica che comporta minacce significative tra cui fenomeni di incendio o persino esplosione a seguito della combustione dell’elettrolita e di altri componenti combustibili dopo la rottura della batteria scarica .

L’incendio esterno delle batterie agli ioni di litio e più globalmente di veicoli elettrici alimentati a ioni di litio rappresenta uno scenario che potrebbe verificarsi durante la vita della batteria o del veicolo. In Francia, infatti, solo nel 2011, 60 832 incendi di veicoli ICE hanno richiesto l’assistenza dei servizi antincendio.

Per garantire lo sviluppo sicuro di veicoli elettrici, le autorità pubbliche francesi hanno condotto diversi gruppi di lavoro in merito alla gestione della sicurezza dei veicoli elettrici.

Per compensare la mancanza di conoscenze tecniche sul reale comportamento al fuoco degli EV, è stata presa la decisione di procedere ai test antincendio su vasta scala con l’obiettivo di adeguare, se necessario, alcune normative, in particolare quelle relative alla stazione di ricarica per veicoli elettrici nei parcheggi sotterranei o stazioni di servizio.

Le autorità pubbliche hanno guidato un gruppo di esperti, case automobilistiche e servizi di emergenza per definire una procedura sperimentale in grado di valutare, in modo adeguato, gli effetti degli incendi di veicoli elettrici e le loro conseguenze in spazi ristretti.

Gli obiettivi principali di questa procedura erano caratterizzare il comportamento generale delle batterie e dei veicoli in caso di stress da calore esterno, caratterizzare il comportamento delle batterie a contatto con l’acqua in caso di intervento dei vigili del fuoco, identificare e quantificare i gas e le energie emesse e confrontare la crescita del fuoco.

Il protocollo definito comprendeva cinque diversi test su: due unità batteria (con e senza funzionamento antincendio), un pacco batteria pieno, un veicolo elettrico e un analogo veicolo ICE.

INERIS è stato incaricato di condurre questi test antincendio per due case automobilistiche francesi nella sua galleria antincendio dove sono stati misurati molti parametri durante i test.

Questo articolo presenta i principali risultati e confronti dei test tra un veicolo elettrico e la corrispondente macchina ICE. Un’attenzione particolare è stata dedicata all’analisi dei gas emessi, in particolare gas tossici come HF e CO.

Procedura delle prove antincendio sui veicoli

Per ciascuna casa automobilistica, dopo prove preliminari su unità batteria e pacco, è stata eseguita una prova al fuoco su un veicolo elettrico e un’altra prova è stata eseguita su un analogo veicolo ICE. In totale, sono state eseguite 4 prove antincendio su larga scala con identica procedura sperimentale.
La portata d’aria nella galleria era di circa 25000 mc / h ed è stata misurata durante il test. Il sistema di ventilazione è di estrazione, il che significa che l’aria fresca entra nella galleria attraverso la sezione sotto la porta (sezione di 3 m per 30 cm) e viene estratta nella torre. Per ogni prova, il veicolo è stato posizionato nel tunnel della galleria antincendio.

Per innescare il veicolo è stato utilizzato un bruciatore a gas di circa 6 kW.
Per garantire un incendio prolungato del veicolo, il sedile anteriore sinistro è stato lacerato e i finestrini della macchina erano stati aperti prima della prova. Il bruciatore a gas è stato attivato per 1 minuto, orientato verso il sedile anteriore sinistro, all’interno della cella del passeggero.

Il metodo di analisi dei gas ha seguito i principi delle normative ISO 19701 e ISO 19702.

Gli altri parametri misurati sono:

• flusso termico con due flussometri situati a 5 m e 8 m a monte del veicolo,
• temperatura all’interno e sulla superficie del veicolo,
• temperatura del fumo,
• portata (portata di scarico del fumo),
• videocamera IR termica e video,
• analisi del gas (CO, CO2, O2, THC, NOx, HF, HCl, HBr, HCN, SO2, ecc.).

Risultati e comparazione

Lo sviluppo dell’incendio è stato simile per tutti i veicoli; l’incendio si è diffuso all’interno della cellula passeggeri prima di propagarsi nella parte posteriore del veicolo e quindi nella parte anteriore del veicolo.

Vale la pena notare, tuttavia, che la propagazione del fuoco può essere influenzata dalla ventilazione imposta durante la prova e dal metodo di accensione utilizzato.
Il comportamento generale in caso di evento di innesco di un incendio esterno è stato trovato globalmente simile per entrambi i tipi di veicoli.

Nessuna esplosione o proiezione relativa alla batteria è stata osservata durante le prove di incendio di veicoli elettrici nelle presenti condizioni di prova.
La perdita di massa misurata era molto vicina per i veicoli EV e ICE. Per entrambe le case automobilistiche, la perdita di massa misurata è di circa il 20% della massa iniziale.

Il HRR massimo e il calore di combustione efficace dissipato complessivo (integrazione del profilo HRR) erano vicini per entrambi i veicoli.

Il confronto tra l’evoluzione dell’HRR rispetto al tempo per i veicoli EV e ICE per il costruttore di automobili 1 e per il costruttore di automobili 2 sono rispettivamente rappresentati nella figura 2 e nella figura 3.

Nel presente caso, il calcolo dell’HRR si basa sul consumo di O2 corretto per le emissioni di CO e produzione di fuliggine. Per la casa automobilistica 1, la HRR massima era di 4,2 MW per l’EV e di 4,8 MW per il veicolo ICE. I picchi attribuiti alla combustione del pacco batteria compaiono circa 35 minuti dopo l’accensione. Per la casa automobilistica 2, la HRR massima era di 4,7 MW per l’EV e di 6,1 MW per il veicolo ICE.

I dati della letteratura riferiscono che l’HRR per una singola autovettura (veicolo ICE) varia da 1,5 a 8 MW in base alle sue dimensioni, ma la maggior parte dei test riportati in letteratura mostra valori di HRR inferiori a 5 MW per auto di medie dimensioni. Quindi, i valori di HRR misurati durante i test sono coerenti con i dati della letteratura.

Il calore effettivo complessivo dissipato della combustione è stato calcolato a 6300 MJ per EV e 6900 MJ per veicolo ICE per il costruttore di automobili 1 (Figura 4) e a 8500 MJ per veicolo EV e 10000 MJ per veicoli ICE per il costruttore automobilistico 2 (Figura 5) . Da questi valori è stato valutato il calore efficace della combustione espresso come calore della combustione (in MJ) per kg di materiale bruciato. Il calore efficace della combustione era di circa 36-36,5 MJ / kg per i veicoli ICE di entrambi i produttori. Questo valore è coerente con i calori di combustione della plastica e con il calore di combustione effettivo di 35 MJ / kg. Il calore efficace della combustione era di circa 30-31 MJ / kg per i veicoli elettrici di entrambe le case automobilistiche.

Analisi dei gas

Secondo le misurazioni effettive, il HF è stato emesso in quantità significative durante le prove di incendio di veicoli elettrici e ICE. Ciò è mostrato nei grafici di seguito, Figura 6 e Figura 7, che rappresentano il flusso di massa della produzione di HF in funzione del tempo per entrambe le case automobilistiche. Vale la pena notare che durante le prove su veicoli ICE è stata misurata anche un’emissione significativa di HF. E’ stato osservato un picco di HF a 14 minuti per gli esperimenti antincendio EV e ICE. Può provenire da materiali fluorurati contenuti nel veicolo (ad es. Da un refrigerante fluorurato contenuto nel sistema di aria condizionata; questa ipotesi non è stata confermata).

Nel caso di EV, ulteriori picchi di emissione di HF corrispondenti alla combustione del pacco batteria agli ioni di litio sono stati osservati circa 25-30 minuti dopo l’attivazione dell’incendio del veicolo, Figura 6 e Figura 7. Ciò è coerente con le potenziali fonti di fluoro note in una batteria agli ioni di litio come l’elettrolita (il più delle volte LiPF6 nelle attuali tecnologie) e il materiale legante degli elettrodi (spesso PVDF). Ciò è anche coerente con i test preliminari ottenuti su unità batteria e pacco batteria pieno. Di conseguenza, la massa cumulativa HF è stata misurata in quantità maggiori nel caso di EV a causa della combustione del pacco batterie agli ioni di litio.

Per quanto riguarda gli altri gas emessi, gli esperimenti antincendio hanno mostrato la produzione di masse cumulative simili di CO2, CO, THC, NOx, HCl e HCN per entrambi i tipi di veicoli. Nessun HBr è stato rilevato per questi 4 test.

La quantità totale di gas emessi (limitata a gas e vapori misurati) è riportata in tabella 1, in grassetto. Questa tabella non tiene conto della cinetica delle emissioni di gas, che è un parametro importante.
La quantità misurata dei principali gas emessi (CO2, CO, THC, ecc.) e gli effetti termici (HRR, calore di combustione) erano più alti per il produttore 2 a causa della presenza di una maggiore quantità di materiale combustibile nelle sue auto che sono modelli più grandi.

Conclusioni

Di recente sono stati condotti quattro test antincendio su larga scala, con identica procedura sperimentale, per due case automobilistiche francesi. Per ciascuno di essi, il programma di prove antincendio ha coinvolto a) due unità batteria, b) un pacco batteria pieno, c) un veicolo elettrico ed) un analogo veicolo ICE. Il presente documento si è concentrato sui principali risultati delle prove antincendio condotte su veicoli elettrici e corrispondenti veicoli ICE.

I test mostrano che il comportamento generale dei veicoli EV e ICE esposti allo stesso stress termico esterno era simile. La massima velocità di rilascio del calore (HRR), il calore dissipato complessivo della combustione
e il calore efficace della combustione era vicino per entrambi i tipi di veicoli.

L’analisi dei gas di combustione degli incendi delle automobili ha evidenziato che le masse cumulative di CO2, CO, idrocarburi totali, NO, NO2, HCl e HCN erano simili per entrambi i tipi di veicoli.

Una quantità significativa di HF è stata misurata durante le prove di incendio di veicoli EV e ICE. Per quanto ne sappiamo, finora le emissioni di HF dei veicoli ICE convenzionali non sono state riportate in letteratura, a causa della recente introduzione di fonti di fluoro nelle auto moderne. La massa cumulativa di HF era più alta per EV a causa della combustione del pacco batterie agli ioni di litio.
Oltre all’HF, durante le prove antincendio su entrambi i tipi di veicoli è stata prodotta una quantità significativa di gas tossici inclusi CO e HCl, in relazione alla presenza di polimeri clorurati.

Tutti i composti tossici devono essere esaminati per valutare la tossicità globale dei fumi di combustione durante gli incendi dei veicoli EV e ICE. Questi test hanno fornito dati, che possono essere utilizzati nel lavoro di modellizzazione per prevedere la dispersione di gas tossici e gli effetti termici in spazi confinati, come tunnel, parcheggi sotterranei o altre strutture sotterranee.

I risultati di questi test sono validi solo per i quattro veicoli testati di due case automobilistiche. In effetti, numerosi parametri come l’evento di innesco dello scenario di incendio, la tecnologia della batteria, il suo imballaggio, il suo design e la sua posizione all’interno del veicolo possono svolgere un ruolo significativo sul comportamento generale di un veicolo elettrico esposto a un incendio esterno. Pertanto, questi risultati non possono essere estrapolati ad altri veicoli, ad altre case automobilistiche, ad altri potenziali scenari di incendio o ad altre tecnologie di batteria.
Questi test hanno studiato solo il comportamento del veicolo in caso di incendio nella cella passeggeri. Nel caso di un focolaio generato nella batteria da un corto circuito interno o da un sovraccarico, la cinetica dei fenomeni osservati sarebbe sicuramente diversa.

Riferimenti:

• Comparison of HRR curves from various car fire experiments. from publication: Analysis of Vehicle Fire Statistics in New Zealand
• Comparison of the fire consequences of an electric vehicle and an internal combustion engine vehicle – Amandine Lecocq, Marie Bertana, Benjamin Truchot, Guy Marlair