Témata

Střídavě stejnosměrné názory na elektromobilitu, 7. díl: Bezpečnost trakčních baterií

V tomto díle se zaměříme na další problematickou stránku elektromobilů, na jejich bezpečnost. Oč nám půjde především, jsou rizika spojená s možným vzplanutím trakční baterie. Jak totiž v rozhovoru pro KdeNabíjet.cz uvedl plk. Mgr. Rudolf Kramář, mluvčí Hasičského záchranného sboru ČR, pokud požár elektromobilu nezasáhne trakční baterii, pak neexistuje významnější rozdíl mezi požárem bateriového elektrického vozidla a toho s klasickým spalovacím motorem. Jakmile však baterie vzplane, ať už jsou toho příčiny vnější anebo vnitřní, vyžaduje si uhašení elektromobilu rozdílné, a nutno říct, že komplikovanější a nákladnější hasičské techniky a další navazující postupy.

Tento článek je součástí seriálu:
Střídavě stejnosměrné názory na elektromobilitu
Díly
Václav Zajíc

Vystudoval obecnou antropologii a filozofii na FHS UK v Praze. Externě spolupraceje s MM Průmyslovým spektrem.

Než si v krátkosti představíme některé hasičské postupy pro hašení elektromobilu, bude vhodné upozornit na to, že nám na následujících řádcích nepůjde o vyčerpávající identifikaci případných rizik spojených se selháním trakční baterie ani o představení celé rozmanité škály hasičských postupů a nástrojů při nich užívaných, a už vůbec ne o to, vynést závěrečný soud nad případnou bezpečností či nebezpečností elektromobilů. Stejně tak nechceme co do bezpečnostních rizik srovnávat bateriová elektrická vozidla s těmi se spalovacím motorem, případně s vozidly na jiný alternativní pohon (LPG, CNG, …). I kdybychom totiž chtěli, zabránila by nám v tom ta skutečnost, že při současném mizivém počtu elektromobilů jednoduše ještě neexistují data, která by nám mohla o bezpečnostních rizicích spojených s trakčními bateriemi něco věrohodného a relativně jednoznačného povědět.

Lithioiontové baterie užívané v elektrických vozidlech (ta hybridní neuvažujeme, Li-Ion baterie v nich užívané jsou výrazně menší) se od těch vyvíjených pro jiná užití (typicky mobily, notebooky) významně liší. Jde za prvé o to, že trakční Li-Ion baterie se vyskytují a pohybují v prostředí mnohem náročnějším a rizikovějším, za druhé o to, že disponují stovkami článků a řádově vyšší skladovanou energií. Je pravda, že selhání Li-Ion článku kvůli defektům způsobeným při jeho výrobě je nepravděpodobné, jak ostatně dokládají údaje pro 18650 články: hodnota jejich případného selhání je 1 na 10 milionů až 1 na 40 milionů článků (vycházíme ze studie Vehicle Battery Safety Roadmap Guidance, Daniel H. Doughty, 2012). Tato malá pravděpodobnost vnitřního zkratu článku zapříčiněného nějakým výrobním defektem je dána i tím, že všechny články prošly laboratorními testy, že všechny společnosti orientované na produkci baterií provádějí 100% rentgenové inspekce a užívají testy určené právě k detekci článků s vnitřním zkratem (vycházíme z údajů právě zmíněné studie). Jakmile ovšem uvažujeme o trakční baterii shromažďující stovky článků a ukládající násobně víc energie, stává se i možnost vnitřního zkratu způsobeného defektem při výrobě bezpečnostní výzvou.

K zahoření elektroinstalace a následnému požáru s možností přenosu na baterii může dojít i kvůli nesprávnému nabíjení, především co se kvality domácích rozvodů, prodlužovaček a zásuvek týká. (Ilustrační foto: autor)

K problematice trakčních baterií

Li-Ion baterie totiž obsahují jak oxidační činidlo (katodu), tak palivo (anodu a elektrolyt) v jedné neprodyšně uzavřené nádobě, přičemž oxidační činidlo s palivem může vytvořit směs podobnou explozivním materiálům – na rozdíl od nádrže paliva, v níž kyslík není. Katoda a anoda musejí být od sebe odděleny polymerním separátorem umožňujícím průchod kladně nabitých lithiových iontů, ale zabraňujícím průchodu elektronů, tedy vnitřnímu zkratu. Separátor zároveň dále zvyšuje bezpečnost článků proti dotyku elektrod při mechanické deformaci díky své vysoké mechanické odolnosti (rezistenci vůči proražení) a teplotní stabilitě. Za normálních podmínek přeměňují oxidační činidlo a palivo uloženou energii elektrochemicky, tj. při zanedbatelné produkci tepla a plynu. Jakmile však dojde k tomu, že spolu mohou materiály elektrod reagovat chemicky (např. právě při průrazu separátoru, ať už k němu došlo z vnějších, anebo vnitřních příčin), začnou oxidační činidlo a palivo přeměňovat chemickou energii na teplo a plyn, a to s chemickou energií mnohonásobně převyšující energii v nabitém článku.

Jak jsme si již pověděli, pravděpodobnost toho, že článek tímto způsobem selže v důsledku výrobního defektu, je mizivá (s výhradou, že to platí právě pro jednotlivé články). Jaká je však pravděpodobnost, že k tomu dojde v důsledku vnějšího poškození, např. v důsledku autonehody? Společnost Dekra uspořádala v r. 2019 nárazový test Nissanu Leaf, kdy akumulátor odolal jak čelnímu nárazu v rychlosti 84 km.h-1, tak nárazu bočnímu v rychlosti 75 km.h-1 (informuje o tom kupř. server auto.cz, J. Baborský, P. Slováček, 11. 1. 2020). Nutno však podotknout, že problém může nastat u elektromobilů s velkou baterií (zmíněný Leaf disponuje relativně malou baterií cca okolo 20 až 30 kWh), která vyplňuje celou podlahu. Pak je zejména boční náraz choulostivý a baterie musí být proti poškození chráněna jak její masivní vnitřní konstrukcí, tak i vnější konstrukcí vozidla. Co se ale týká všeobecně pravděpodobnosti vzniku požáru trakční baterie, ať už z příčin vnitřních, způsobených nějakou konstrukční vadou, nebo vnějších, neznamenají elektromobily žádnou novou bezpečnostní výzvu. „Baterie zkrátka nepředstavují větší riziko požáru než nádrž benzinu či nafty,“ dodává dr. Hrzina z katedry elektrotechnologie na ČVUT.

Když už začne hořet, máme problém

Vraťme se ovšem k tomu, že jakmile spolu začnou materiály elektrod reagovat chemicky, začne docházet k unikání tepla a plynu, přičemž když už k tomu dojde, nebude možné probíhající chemickou reakci zastavit. Jak v rozhovoru pro ekn.cz uvedl dr. Hrzina, „zastavit probíhající reakci ve sloučeninách bohatých na kyslík v kombinaci s lithiem a dalšími prvky je většinou složitější než uhasit hořící uhlovodík, u něhož stačí zamezit přístupu vzduchu“ (ekn.cz, 15. 1. 2020). Baterie, zdánlivě uhašená po několika desítkách minut až hodině, se tedy může znovu vznítit, protože materiály v ní použité obsahují mimo jiné významné množství kyslíku. Nelze tedy ani tak hovořit o hašení požáru trakční baterie, jako spíše o jejím ochlazování. K němu by se v budoucnosti mohl používat systém CCS COBRA (Cold Cut Cobra), nástroj všeobecně využívaný k řezání pomocí vodního paprsku. Tím se utváří jemná vodní mlha, která se při kontaktu s rozpáleným povrchem mění na páru. Odpařování vody vyžaduje velké množství energie, a tím se hořící baterie účinně chladí.

Po prvotním zdánlivém uhašení trakční baterie se elektromobil ukládá do kontejneru s vodou, do jakési přísné karantény, aby se pokud možno zcela eliminovalo riziko opětovného vznícení baterie v důsledku stále probíhajících reakcí. Podle Stanislava Cihelníka, koordinátora Hasičského záchranného sboru Škody Auto, slouží takové „karanténní opatření k dochlazování a prevenci dalšího požáru, než je vůz odborně zlikvidován“ (auto.cz, 11. 1. 2020; další podrobnosti např. v článku Podrobný návod, jak uhasit hořící Teslu. Budete potřebovat hodně vody, K. Kilián, 17. 11. 2019, nebo v článku Utopit, hlídat… a vyhodit. Požáry elektromobilů i hybridů bývají fatální, iDNES.cz, 25. 6. 2020). Ostatně bez odborné demontáže baterie nelze riziko požáru vyloučit.

Je vhodné zmínit se ještě o nebezpečí při samotném hasebním nebo vyprošťovacím zásahu. I když se elektrický systém vozidla při havárii s vyšší hodnotou negativního zrychlení automaticky odepne, zůstávají samotné svorky baterie stále pod napětím. Jeho hodnota v poslední době stále roste (z původních 200 V na 600 i 800 V) v důsledku snah o zvýšení účinnosti snížením proudu. Taková napětí se stejnosměrným proudem jsou velmi nebezpečná. Řešením by byly vnitřní odpojovače mezi sériově řazenými články, což je ovšem velmi nákladné a zatím prakticky neproveditelné.

Originální baterie v dnes dodávaných automobilech představují zanedbatelné nebezpečí, pokud jejich řídicí BMS funguje správně. Ani zkušebny pasivní bezpečnosti simulovanými haváriemi proto nemusejí být vybaveny proti bezprostředním účinkům srážek. Co je však důležité a v praxi ne snadno zajistitelné, je respektování varování BMS před postupně rostoucí teplotou některého článku. Takový vůz by se rozhodně neměl nabíjet a měl by se odstavit do několikatýdenní preventivní karantény mimo jakoukoli garáž. Totéž platí pro vozy po těžších haváriích, zejména s bočním nárazem nebo po přejetí vysoké terénní nerovnosti. Při budoucím očekávatelném používání levnějších baterií od výrobců náhradních dílů a při provozu ojetých vozidel s ne úplně jasnou historií toto nebezpečí poroste.

Hlavní a nové bezpečnostní výzvy

Protože je tedy riziko vzniku požáru trakční baterie, ať už z vnitřních, anebo vnějších příčin nízké, ale jakmile k němu přece jen dojde, má komplikované a závažné důsledky, měli bychom se v otázkách bezpečnosti baterií podle D. H. Doughty (2012) soustředit především na následující výzvy: za prvé snažit se snižovat odezvu jednotlivých článků na nepříznivé okolnosti, učinit je vůči nim rezistentnějšími, a za druhé předejít tomu, aby se selhání jednoho článku kaskádovitě šířilo na články další. Nejedná se však pouze o výrobu a vývoj baterií, nýbrž je třeba si uvědomit, že kvůli závažným důsledkům požáru trakční baterie představuje elektromobil docela novou bezpečnostní výzvu, na niž neodpovídají pouze nově zaváděné hasičské technologie a postupy, ale i protipožární opatření pro podzemní garáže anebo jejich nákladné stavební úpravy. V případě vozidel na CNG a LPG lze nutnost zajistit jejich bezpečné parkování obejít jednoduše tím, že se jim do prostor podzemní garáže zakáže přístup. Jenže elektromobilům bude muset být podle vznikající legislativy Evropské unie vyhrazeno 10 % veřejných parkovacích míst, což se bude muset zohledňovat jak při stavbě nových budov, tak při přestavbách těch stávajících a v neposlední řadě i při vypracovávání nových protipožárních a legislativních opatření (pro auto.cz, 11. 1. 2020 o tom informuje Stanislav Cihelník; dr. Hrzina o tom promluvil v rozhovoru pro pořad Rozstřel Proč hoří elektromobily?, iDNES.cz, 21. 6. 2020).

Při výrobě a vývoji baterií je tedy třeba z hlediska jejich bezpečnosti dbát o to, aby neměla odezva článků na nepříznivé podmínky podobu spuštění chemické reakce, při které dochází k nekontrolovanému úniku tepla a plynu, a aby se selhání jednoho článku nezačalo kaskádovitě šířit na ostatní články trakční baterie. Autor již zmiňované studie (D. H. Doughty, 2012) poukazuje ovšem ještě na tu obtíž, že provedené pokusy o zvyšování bezpečnosti baterie si vybíraly daň na její energii a že je tudíž třeba odpovědět i na tuto další výzvu, identifikovat okolnosti, za nichž mohou jít požadavky po bezpečnosti a vysoké energii baterií ruku v ruce. Li-Ion baterie sice nabízejí vysokou hustotu energie, nízké samovybíjení anebo absenci paměťového efektu, ale přece jen představují bezpečnostní riziko kvůli hořlavým a těkavým rozpouštědlům užívaným v elektrolytu. Vývoj bezpečných baterií se tedy musí ubírat mimo jiné cestou výzkumu nehořlavých elektrolytů anebo keramických separátorů. Pakliže ovšem mezi bezpečností a výkonem baterie existuje takový nepoměr, je nasnadě i možnost vzdát se nároků na vysoký výkon trakčních baterií, tedy vzdát se nároků na dlouhý, komfortní dojezd elektromobilů.

Pokusili jsme se tedy nastínit některé možné bezpečnostní výzvy, které představuje vzplanutí trakční baterie. Ačkoli jsme si zároveň pověděli, že takovou výzvu nepředstavuje samotné riziko vzniku požáru, je přece jen třeba dodat, že k zahoření elektroinstalace a následnému požáru s možností přenosu na baterii může dojít i kvůli nesprávnému nabíjení, především co se kvality domácích rozvodů, prodlužovaček a zásuvek týká, jak na to upozorňuje dr. Hrzina. A dodává, že právě z důvodu špatného stavu vlastních kabelů by byl pro zákaz jejich užívání na veřejných parkovištích. To už je ovšem jen další doklad toho, jak je otázka bezpečnosti trakčních baterií a potažmo elektromobilů ožehavá a na jaké výzvy budeme muset při postupné elektrifikaci našeho vozového parku odpovídat (zdůrazňujeme, že se tu jedná jen o dílčí problém bezpečnostních rizik trakčních baterií). Nejde jen o výrobu a další vývoj baterií, o vypořádávání se s nepoměrem jejich bezpečnosti a výkonu, ale i o vývoj a zavádění nových hasičských technologií a postupů, o přizpůsobování stavebních předpisů a protipožárních opatření, o nákladné přestavby a změny v legislativě. Nic z toho samozřejmě neslouží jako argument proti postupnému zavádění elektromobility, ale mělo by to v každém případě být zohledňováno při veřejné debatě a respektováno při činění politických rozhodnutí, která mohou být zbrklá jen proto, že fenomén elektromobility nerespektují v jeho komplexnosti a jeho důsledky bezpečnostní, ekonomické, ale i sociální přehlížejí a soustředí se jen na jeho důsledky jako nástroj v boji za klimaticky neutrální budoucnost.

Údaje uvedené v článku byly konzultovány s odbornými garanty seriálu profesorem Janem Mackem a inženýrem Josefem Morkusem z Národního centra kompetence Josefa Božka pro pozemní vozidla. Tento díl byl navíc konzultován také s doktorem Pavlem Hrzinou z katedry elektrotechnologie, FEL ČVUT v Praze.

Mgr. Václav Zajíc, Ph.D.

Související články
MM Podcast: Každé vítězství má svůj příběh

Olga Girstlová byla v 90. letech nepřehlédnutelnou součástí vznikajícího podnikatelského prostředí tehdejšího Československa. Společně se svým otcem a manželem založili v květnu 1990 společnost GiTy. Vsadili na komoditu s obrovským potenciálem technologického růstu. Po 15 letech manželé Girstlovi však dospěli k rozhodnutí společnost prodat a dále se věnovat jiným komoditám, jako například ekologickému stavitelství. 

CIMT 2021 plně prezenční

Zatímco je celý svět paralyzovaný restrikcemi proti šíření koronaviru covid-19, v Pekingu byl dnes zahájený veletrh obráběcích a tvářecích strojů China International Machine Tool Show CIMT 2021 v plné prezenční formě a téměř shodného rozsahu, jako ročníky předešlé. Ve stejný den a po celý týden, jako Hannover Messe Digital Edition – průmyslový veletrh v plně digitální platformě.

Hannover Messe 2021

Inovace, vytváření sítí a sdílení zkušeností ve věku průmyslové transformace – to jsou klíčová motta, která představují letošní ročník digitálního Hannover Messe, na kterém více než 1 800 vystavovatelů představí svá řešení pro výrobu a energetické systémy budoucnosti. Od umělé inteligence po robotiku, od ochrany klimatu po vodík. Nejdůležitější světový průmyslový veletrh plní svoji roli jako inovační a síťová platforma a vytváří uprostřed koronové pandemie globální platformu pro výměnu zkušeností v době průmyslové transformace.

Související články
MM Podcast: Glosa - God Save the Queen

V naivní představě ekonomického perpetuum mobile zaměstnáváme v poměru k reálné ekonomice nejvyšší počet lidí ve státní a veřejné správě v rámci nejrozvinutějších zemí OECD. Rakovinotvorný rozbujelý a nevýkonný úřednický aparát, vědomě bojkotující vznik e-státu, dokonale paralyzuje správu věcí veřejných. A jeho solidarita s aktuálně zdecimovaným privátním sektorem? Home office na 100 % mzdy, její valorizace, statisícové odměny na MF za ušetřené miliardy (…). 

Související články
V hlavní roli strojař

Fakulta strojní VŠB-TUO se pro letošní rok v rámci náborové kampaně vrací k úspěšné sérii V hlavní roli strojař. Kampaň komunikuje myšlenku, že strojaři jsou hvězdy hrající hlavní roli v moderním světě. Jejím cílem je zlepšit vnímání oboru strojírenství, posílit brand fakulty, a samozřejmě také nalákat uchazeče ke studiu strojařiny.

Chytrá kombinace systémů

Vývoj obráběcích technologií v minulém století nabral na obrátkách. Dnes jsme tuto technologii dotáhli téměř k dokonalosti – jsme schopni vyrobit předměty libovolných tvarů v přesnostech na tisíciny milimetru. Dalo by se říct, že pro zlepšení zde už příliš prostoru nezbývá, přesto nás přední výrobci obráběcích strojů a nástrojů pravidelně přesvědčují o opaku. Progresivní a inovativní přístup společnosti Ceratizit je toho jen dalším důkazem. Nedávno na trh uvedla přesnou vyvrtávací hlavu Komflex z produktové řady Komet, která umožňuje automatickou korekci průměru v případě vyvrtávání přesných otvorů. Jak to nástroj dokáže, upřesňuje v následujícím rozhovoru technický ředitel společnosti Ceratizit Česká republika Ing. Jan Gryč.

MSV ve znamení materiálů i technologií

Všichni, kdo máme něco společného se strojírenstvím, pevně věříme, že se v letošním roce opět otevřou brány brněnského výstaviště pro Mekku strojařů z celého světa – Mezinárodní strojírenský veletrh. Na MSV se letos, mimo lidi z dalších oborů, setkají i výrobci plastů a též špičkových zařízení pro plastikářskou výrobu. Na naše otázky odpovídají Pavel Tuláček, jednatel společnosti Gorilla Machines, a David Svoboda, jednatel Sumitomo (SHI) Demag Plastics Machinery Česko.

Aditivně s nadzvukovou rychlostí

Společnost Hermle je známá především pro svá přesná pětiosá obráběcí centra a nadstandardní servis. Už málokdo ví, že vyvinula také stroj pro aditivní výrobu kovových dílů. Přestože je i tato technologie založena na postupném vrstvení kovového prášku na součást, nedochází zde ke spékání prášku laserovým paprskem, ale kovový prášek je tryskou doslova nastřelován na díl nadzvukovou rychlostí. Na detaily jsme se zeptali technického zástupce společnosti Hermle Pavla Němečka.

Názorové fórum odborníků

Respondenty jsme požádali o jejich názor na podobu budoucích technologií. Současná situace přinesla mnoho omezení, mezi jinými postihla také dodavatelské řetězce, znemožnila včasné dodávky do výrobních podniků a přinesla vyšší nároky na bezpečnost zaměstnanců. Jaké nové technologie podle vás mají v současné situaci největší potenciál se prosadit?

Svařování mědi pomocí vláknového laseru

Rychlý rozvoj v oblasti elektromobility vede ke zvýšení poptávky po svařování mědi. To, co ji činí pro danou aplikaci ideální (tj. vysoká elektrická a tepelná vodivost), ji zároveň činí obtížně svařitelnou konvenčními vláknovými lasery. Díky vyšší efektivitě, zhruba dvojnásobné, někteří výrobci zkoušejí používat zelené pevnolátkové lasery. Výsledkem je stabilnější a méně citlivý proces, než jaký byl možný u standardních vláknových laserů.

Procesně stabilní zpracování recyklátů

Do roku 2025 si Evropská unie klade za cíl ročně více než zdvojnásobit používání recyklátů při výrobě plastových výrobků [1, 2]. K dosažení tohoto cíle jsou kromě závazku firem působících na trhu a vyšší kapacity při zpracování plastového odpadu zapotřebí především nové technologie zpracování. Recykláty je nutné používat v daleko větší míře a v ještě vyšších poměrech. S novými procesy vstřikování na jedné straně a inteligentní podporou na straně druhé sleduje výrobce vstřikovacích strojů Engel různé a často velmi slibné přístupy. Výroba boxů a kontejnerů ukazuje na velký potenciál.

Uplatnění kovového 3D tisku

Společnost Misan z Lysé nad Labem se aditivními technologiemi kovových dílů zabývá a tato zařízení v České republice distribuuje už osm let. Dalo by se říct, že je jedním z průkopníků s těmito technologiemi na českém trhu. Z toho pochopitelně vyplývají také její bohaté zkušenosti s touto relativně mladou výrobní disciplínou. Na otázky, kde tyto technologie nacházejí uplatnění a v jakých oblastech mohou vyniknout, jsme se ptali aplikačního inženýra pro kovové aditivní technologie Jana Hudce.

Aditivní výroba velkých dílů

Porto patří k největší průmyslové oblasti Portugalska. Od roku 1956 zde sídlí přední světový výrobce strojů technologie tváření – společnost Adira.

Fórum výrobních průmyslníků

Jaké zásadní problémy vám současná doba přináší do chodu firmy, jak se je snažíte řešit a s jakým výsledkem?

Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členy naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit