Brandtesten tonen aan dat de tunnels in Oostenrijk geschikt zijn voor elektrische auto’s

Het werkelijke potentiële gevaar bij een ongeval met een e-auto is nog relatief onbekend, maar verontrustende beelden van brandende e-voertuigen zijn al wijdverbreid. We weten dat de energieopslagsystemen van e-voertuigen op basis van lithium-iontechnologie zich bij brand anders gedragen dan conventionele automotoren. Maar wat gebeurt er precies als elektrische voertuigen vlam vatten in een tunnel? Hoe heet wordt het en welke gassen komen daarbij vrij? Welke gevaren zijn er voor mensen die zich op het moment van het ongeval in de tunnel bevinden? Aan welke risico’s worden hulpverleners blootgesteld? Welke schade is er aan de tunnelinfrastructuur? En wat is de meest efficiënte manier voor de brandweer om een ​​brandend elektrisch voertuig in een tunnel te blussen?

In het door FFG gefinancierde project “BRAFA-Fire Effects of Vehicles with Alternative Drive Systems”, de Technische Universiteit van Graz (TU Graz), de Universiteit van Leoben, de Oostenrijkse brandweervereniging en het adviesbureau ILF Consulting Engineers Austria, ondersteund door ASFINAG en het federale ministerie voor klimaatbescherming, milieu, energie, mobiliteit, innovatie en technologie, onderzochten de veiligheidsrelevante effecten van branden met batterij-elektrische voertuigen (BEV’s) in wegtunnels en evalueerden methoden voor het bestrijden van branden. De resultaten van de uitgebreide experimentele en numerieke onderzoeken bieden waardevolle inzichten, maar vooral één ding: geruststelling. Op basis van deze onderzoeken zijn de potentiële risico’s niet significant kritischer te beoordelen dan bij branden in personenauto’s met conventionele verbrandingsmotoren. “Oostenrijkse tunnelsystemen zijn geschikt genoeg voor de uitdagingen van het verbranden van e-voertuigen”, concludeert Peter Sturm, professor aan het Institute of Internal Combustion Engines and Thermodynamics aan de TU Graz.

“Onze resultaten wijzen echter op een aanzienlijk verhoogd potentieel risico op branden van elektrische voertuigen in parkeergarages met meerdere verdiepingen (voornamelijk overdekte gestapelde parkeergarages). En er is ook dringend behoefte aan meer financiering voor verder onderzoek naar tunnelbranden met batterij-elektrische bedrijfsvoertuigen , dat wil zeggen e-bussen en e-trucks.”

Nieuwe auto’s verbranden in “Zentrum am Berg”

Terwijl de vorige stand van de kennis gebaseerd was op tunnelbrandtesten met individuele batterijcellen en kleine batterijpakketten, en het potentiële risico van hele brandende auto’s hieruit werd afgeleid, deed het projectteam nieuwe kennis op uit grootschalige echte brandtesten voor de eerste tijd. In het nieuwe tunnelonderzoekscentrum “Zentrum am Berg” van de Universiteit van Leoben (directeur: Robert Galler, hoogleraar Subsurface Engineering) werden batterijmodules, evenals drie elektrisch aangedreven en twee dieselaangedreven voertuigen opzettelijk in brand gestoken. De voertuigen – compacte auto’s, SUV’s en bestelwagens – waren deels nieuwe auto’s gebouwd in 2020 en uitgerust met de nieuwste lithium-ionbatterijtechnologie die op de markt verkrijgbaar is.

Onderzoekers en brandweer bevonden zich aanvankelijk in een belangenconflict tijdens de brandproeven van het project. De brandweer wilde de opzettelijk veroorzaakte branden zo snel mogelijk blussen, terwijl de onderzoekers zich bezighielden met het verzamelen van gegevens tijdens de brand. Als compromisoplossing werden bluspogingen pas gestart na een ongehinderde brandtijd van tien minuten. “Dat is ook ongeveer de vluchttijd en de tijd tot de hulpdiensten arriveren. In die eerste tien minuten hebben we waardevolle gegevens kunnen verzamelen, daarna was het de beurt aan de brandweer”, zegt Peter Sturm.

Warmteafgifte en uitstoot van rookgassen

Meer dan 30 temperatuursensoren werden gebruikt om de warmteafgiftesnelheid, oftewel de vuurbelasting van een voertuig, te meten. De vuurbelasting van een conventionele auto is ongeveer 5 megawatt (MW), of ongeveer gelijk aan een brandende stapel van 25 houten pallets. De warmteafgifte van de brandende e-voertuigen in de tunnel was met 6 tot 7 MW iets hoger dan die van de diesel-aangedreven vergelijkingsvoertuigen, maar dit brengt geen nieuwe risico’s of gevaren met zich mee. Ter vergelijking: de vuurbelasting van een conventionele vrachtwagen is ongeveer 30 MW en daar zijn ook tunnelsystemen voor ontworpen. “Het wordt wel wat warmer als elektrische voertuigen branden, maar dat maakt het in de tunnel niet fundamenteel gevaarlijker. De gemeten temperaturen in de vluchtruimte liggen bij alle brandtesten onder de 60 graden Celsius. Het is geen aangename temperatuur, maar ontsnappen en blussen is nog steeds mogelijk”, vat Peter Sturm samen.

De enige uitzondering is dat als er een spontane reactie is waarbij de hele batterij in één keer volledig in brand staat, over een paar minuten een merkbaar hogere warmteafgifte tot 10 MW te verwachten is. “We hebben deze spontane reactie echter bewust teweeggebracht om dit worstcasescenario te kunnen onderzoeken. In het echte geval treedt er een zogenaamde thermal runaway op in de batterij, waarbij de oververhitting en het vuur zich van de ene cel naar de vervolgens als een kettingreactie. Daarom gaan dergelijke batterijbranden ook lang mee”, meldt Peter Sturm.

Ook uitgestoten gassen en zware metalen stonden centraal in het project en werden opgevangen en gemeten met gerichte luchtafzuiging en hangende fleecedekens. Bovendien werden grotere hoeveelheden waterstoffluoride en koolmonoxide gedetecteerd in de branden van de elektrische voertuigen. “De thermisch geïnduceerde rooklaag in de tunnel zorgt er echter voor dat deze sterk geconcentreerde rookgassen zich voornamelijk in de bovenste delen van de tunnel verzamelen en dus buiten het voor de mens relevante gebied. Dit betekent dat de vluchtroutes niet worden beïnvloed”, legt Peter Sturm uit. Maar als bijzaak: “Een groot deel van het relatief lage risico in wegtunnels is te danken aan de ventilatiesystemen. Die bestaan ​​bijvoorbeeld niet in parkeergarages of in ieder geval niet in vergelijkbare mate. Dit betekent dat branden met Elektrische voertuigen in garages zijn een andere kwestie qua gevaar en moeten dringend nader worden onderzocht. Onze meetresultaten wijzen in ieder geval op een ernstig gevaar.”

Risicobeoordeling en tunnelinfrastructuur

Omdat het risicomodel “Turismo”, dat momenteel in Oostenrijk wordt gebruikt, net als modellen in andere landen, het vuur van batterij-elektrische voertuigen volledig uitsluit, werd ook het veiligheidsrisico voor mensen in de tunnel als onderdeel van het project berekend. Bernhard Kohl van de projectpartner die verantwoordelijk is voor risicoanalyses stelde vast dat in het extreme geval, dat wil zeggen wanneer er alleen elektrische voertuigen in de tunnel zijn, het totale risico met ongeveer 4 procent toeneemt en het brandrisico met ongeveer 12 procent vergeleken met 100 procent verbrandingsmotoren. Hierbij moet echter bedacht worden dat het moeilijk is om op basis van deze weinige brandproeven algemene conclusies te trekken. Voor de constructie en materialen van de tunnelconstructie maakt het type aandrijving van het brandende voertuig geen relevant verschil. Betonschade door spatten is te verwachten bij branden van bedrijfsauto’s in beide voertuigcategorieën; het schadepatroon is ongeveer hetzelfde.

Brandbestrijding en verontreinigd bluswater

Als onderdeel van de brandexperimenten heeft de Oostenrijkse brandweervereniging verschillende blusmethoden getest. Conventioneel blussen met water werkte het beste. “Water is het blusmiddel bij uitstek vanwege zijn zeer goede koelende werking. De ervaring leert echter dat met lithium-ionbatterijen het blussen pas lukt als het water het binnenste van de batterij kan bereiken. Externe koeling van een slechts licht beschadigde batterij is nauwelijks effectief. Eerdere operaties hebben aangetoond dat de blustijd en de blusmiddelbehoefte toenemen en dat er meerdere 1000 liter bluswater nodig kan zijn. Indien nodig moeten de hulpdiensten het beschikbare bluswater in de tunnels gebruiken “, zegt Stefan Krausbar van de Oostenrijkse brandweervereniging.

Vlamdodende blusdekens hebben geen toegevoegde waarde vanaf het moment dat het vuur overslaat naar de batterij. Reden hiervoor zijn de sterke vlammen nabij de grond, die het uiterst moeilijk maken om het hele voertuig goed af te dekken met de blusdeken en de zuurstofzelfvoorziening van de accu. Het gebruik van bluslansen die water rechtstreeks in de batterijbehuizing injecteren, is daarentegen zeer effectief gebleken. Het hanteren van de lansen is echter ingewikkeld en niet zonder gevaar, daarom vereist deze methode een speciale training van de hulpdiensten.

Het bluswater dat werd gebruikt om de brand te bestrijden, vertoonde een verhoogde verontreiniging met zware metalen, vooral met nikkel. “Het spreekt dan ook voor zich dat het verontreinigde bluswater dat in het opvangbassin wordt opgevangen duurder is om af te voeren”, zegt Günter Rattei van ASFINAG.

Verdere brandproeven met bedrijfswagens dringend nodig

Ondanks de vele geleerde lessen benadrukt projectleider Peter Sturm dat verder onderzoek meer dan wenselijk is. “Het projectbudget van 250.000 euro liet ons heel weinig manoeuvreerruimte.” De brandeffecten van batterij-elektrische bedrijfsvoertuigen – bussen en vrachtwagens – konden dus alleen worden opgeschaald door middel van numerieke simulaties op basis van aannames over brandontwikkeling, brandduur en uitstoot van schadelijke stoffen. Er is momenteel geen robuuste metrologische verificatie voor deze aannames. Uitgebreide brandexperimenten in grootschalige tests zouden de kwaliteit van de informatie daarom aanzienlijk verbeteren. Hetzelfde geldt voor het concrete gevaar van elektrische voertuigbranden in parkeergarages. “Ondanks alle vreugde over de opmars van alternatieve aandrijfsystemen, mag dit veiligheidsrelevante ‘huiswerk’ niet worden verwaarloosd”, zegt Peter Sturm, een beroep doend op wetgeving en onderzoeksfinanciering.