Litiumioniakut autopalossa

Palokuntia on koulutettu ottamaan huomioon henkilöautojen uudet turvalaitteet kuten turvatyynyt ja turvavyön kiristimet. Myös hybridi- ja sähköautojen yleistyminen vaatii koulutusta. Vaikka ne ovat äänettömiä, kaasupoljinta painettaessa ne lähtevät liikkeelle. Korkeajännitteiset akut ja komponentit aiheuttavat sähköiskun vaaran varsinkin silloin, kun ne ovat vahingoittuneet kolarissa tai tulipalossa.

USA:n palontorjuntaliiton NFPA:n vuonna 2013 päättyneen tutkimusprojektin [1] tavoitteena oli hankkia hybridi- ja sähköautojen paloista sekä niiden sammuttamisesta tietoa, jota voidaan soveltaa palokuntien ohjeita päivitettäessä.

Litiumioniakut syrjäyttävät vähitellen hybridi- ja sähköautojen tähän mennessä käyttämät nikkelimetallihydridiakut. Nikkelimetallihydridiakkujen elektrolyyttinä oleva kaliumhydroksidin vesiliuos ei pala. Litiumioniakuissa ei ole litiummetallia, vaan niiden elektrolyytissä on litiumin suoloja, kuten litiumfluoridia, orgaanisessa liuottimessa. Kun akku kuumenee riittävästi, liuotin syttyy palamaan. Tällöin on mahdollista, että palossa muodostuu fluorivetyä ja/tai muita myrkyllisiä kaasuja.

NFPA:n projektissa käytettiin kahta sähköauton litiumakkutyyppiä, jotka valmistajat toimittivat täysin ladattuina. Pienempi akku varauskyvyltään 4,4 kWh on tarkoitettu hybridiautoille, joita voidaan ajaa joko poltto- tai sähkömoottorilla. Akku on metallikotelossa, joka sijoitetaan tavaratilan pohjalle takaistuimen taakse. Kotelon päällä on tavaratilan muovinen pohjalevy.

Suurempi akku on tarkoitettu hybridiautoille, joita voidaan ajaa vain sähkömoottorilla. Akun teräksinen pohjalevy on T-kirjaimen muotoinen ja sen päällä on lujitemuovikotelo. Akku sijoitetaan lattian alle etu- ja taka-akselin väliin. Sen varauskyky on 16 kWh.

Polttokoe

Suuremmalla akulla tehtiin polttokoe, jossa mitattiin palotehoa ja analysoitiin savukaasujen koostumusta. Akun alle sijoitettiin neljä nestekaasupoltinta, joiden yhteinen paloteho oli 400 kW. Polttimilla simuloitiin hybridiauton alla palavaa bensiinilammikkoa.

Muovikotelo syttyi pian polttimien sytyttämisen jälkeen. Liekki löi ulos kotelosta 10 minuutin kuluttua. Liekki kasvoi ja kannen varoventtiili avautui 12 minuutin kuluttua. Lattialle muodostunut lammikko syttyi 15 minuutin kuluttua.

Kartiokalorimetrillä mitattu paloteho saavutti suurimman arvonsa 700 kW 17,5 minuutin kuluttua. Kun tästä vähennetään polttimien teho, akun suurimmaksi palotehoksi saadaan 300 kW. Polttimet sammutettiin 20,5 minuutin kuluttua, minkä jälkeen liekit alkoivat pienetä. Viimeinen liekki sammui 90 minuutin kuluttua, mutta akku savusi edelleen ja sen pintalämpötila oli 400 ºC. Puolitoista tuntia myöhemmin pintalämpötila oli 155 ºC.

Lämpösäteilyn suurin arvo 3 m:n etäisyydellä on 3,7–4,7 kW/m². Savukaasujen ainoa terveydelle haitallinen komponentti oli häkä.

Sammutuskokeet

Molemmilla akkutyypeillä tehtiin kolme sammutuskoetta, joissa akku oli sijoitettu Marylandin pelastusopiston autopalosimulaattoriin. Simulaattori on henkilöauton korin muotoinen kotelo, josta puuttuvat ikkunat. Kokeissa akut kiinnitettiin omille paikoilleen. Kummankin tyypin kolmannessa kokeessa simulaattoriin oli asennettu etu- ja takaistuimet. Koejärjestelyllä tutkittiin kokeiden toistettavuutta sekä auton sisustuksen vaikutusta akkupaloon.

Kokeissa autojen alle sijoitetut nestekaasupolttimet paloivat 400 kW:n teholla kunnes akku syttyi. Tällöin polttimet sammutettiin ja akun annettiin palaa minuutin ajan. Kaikissa kokeissa sammutuksesta vastasi sama kokenut sammutusyksikkö vahvuudeltaan 1+1+2. Sammuttajien käytettävissä on palopostiin kytketty 45 mm:n paloletku ja suihkuputki, jonka vesivirta oli 473 l/min 5,2 baarin paineella.

Sammutuksen ja videokuvauksen helpottamiseksi takaluukun yläosa oli auki. Todellisessa palossa ikkunat olisivat rikkoutuneet ennen palokunnan tuloa ja sammuttajat olisivat avanneet takaluukun. Sammuttajille ei annettu erityisiä ohjeita. Heitä haastateltiin jokaisen kokeen jälkeen.

Pienemmän akun ensimmäisessä kokeessa polttimia käytettiin 7 minuutin ajan. Akkupalo sammui 23 sekunnissa, mutta syttyi uudelleen useita kertoja. Seitsemän lyhyen suihkauksen jälkeen palo sammui 6 minuutin kuluttua. Vettä kului 1040 litraa. Lämpötila akun luona vaihteli 400–1400 ºC. Lämpösäteilyn suurin arvo 1,5 m:n etäisyydellä oli 3,5 kW/m². Kymmenen minuutin kuluttua akun pintalämpötila oli alle 38 ºC.

Toinen koe sujui suunnilleen samaan tapaan, mutta sammutus kesti 36 minuuttia ja vettä kului 1670 litraa.

Kolmannessa kokeessa takaistuin syttyi 0,5 minuutin ja etuistuin 3,5 minuutin kuluttua polttimien sytytyksestä. Palavat istuimet kasvattivat liekkejä ja akun ensimmäinen sammutus kesti 72 sekuntia. Akkua sammutettiin neljällätoista lyhyellä suihkauksella 47 minuutin ajan. Vettä kului 4000 litraa. Lämpötila akun luona vaihteli 675–835 ºC. Palavien istuinten vaikutuksesta lämpösäteilyn suurin arvo 1,5 m:n etäisyydellä oli 11,7 kW/m².

Elektrolyytin palaminen akkukotelon sisällä havaittiin valkoisen höyryn ja valkoisen savun purkauksina kotelon aukoista. Kotelosta kuului myös paukauksia ja suhahduksia, joihin liittyi kipinöintiä ja valokaaria. Kokeiden aikana ja niiden jälkeen ei tapahtunut räjähdyksiä, kotelo ei repeytynyt eikä siitä muodostunut heitteitä. Kotelo esti palon suoran sammutuksen. Vaikka ensimmäinen sammutus sujui nopeasti, kotelosta purkautuva valkoinen höyry syttyi ja sammutettiin useita kertoja.

Kolmannessa kokeessa sammuttajat totesivat, että parempi tulos saavutetaan valelemalla koteloa hajasuihkulla ja puolta pienemmällä vesivirralla. Kokeen jälkeen koteloa valeltiin kunnes se oli jäähtynyt. Mitään merkkejä palamisesta ei havaittu. Seuraavana aamuna kotelosta purkautui valkoista höyryä, joka syttyi viiden minuutin kuluttua ja sammutettiin.

Suuremman akun ensimmäisessä kokeessa polttimia käytettiin 20 minuutin ajan. Simulaattorin lattia esti suoran sammutuksen. Sammuttajat valelivat lattiaa lyhyin suihkauksin 26 minuutin ajan. Vettä kului 6640 litraa. Lämpötila akun luona vaihteli 280–1090 ºC ja akun sisällä 570–1120 ºC. Lämpösäteilyn suurin arvo 1,5 m:n etäisyydellä oli 2,2 kW/m². Akun pinta jäähtyi ympäristön lämpötilaan neljässä ja sisäosat 12 tunnissa

Toisessa kokeessa lattiaa valeltiin 37 minuutin ajan ja vettä kului 10 000 litraa. Lämpötila akun luona vaihteli 780–890 ºC ja akun sisällä 550–790 ºC. Lämpö­säteilyn suurin arvo 1,5 m:n etäisyydellä oli 2,1 kW/m². Akun pinta ja sisäosat jäähtyivät ympäristön lämpötilaan 13 tunnissa.

Kolmannessa kokeessa etuistuin syttyi 4,5 minuutin kuluttua ja sisustuksen täyden palamisen vaihe saavutettiin kuudessa minuutissa. Polttimet sammutettiin 20 minuutin kuluttua. Sammuttajat eivät valelleet lattiaa, vaan yrittävät sammuttaa akkua eri suunnista. Tällä tavalla palo saatiin sammumaan 14 minuutissa ja vettä kului 4400 litraa.

Lämpötila akun luona vaihteli 800–1500 ºC ja akun sisällä 850–1530 ºC. Palavien istuinten vaikutuksesta lämpösäteilyn suurin arvo 1,5 m:n etäisyydellä oli 8,1 kW/m². Akun pinta ja sisäosat jäähtyivät ympäristön lämpötilaan kolmessa tunnissa.

Jokaisessa kuudessa kokeessa mitattiin simulaattorin ja suihkuputken jännitteet ja sähkövirrat. Ne olivat merkityksettömän pieniä. Kolmansissa kokeissa käytetty sammutusvesi analysoitiin. Sen pH oli 6,2 (pienempi akku) tai 7,3 (suurempi akku) ja siinä oli pieniä määriä kloori- ja fluorivetyä.

Sammutustaktiikka

Mittaukset, havainnot ja sammuttajien haastattelut toivat esiin seuraavat tulokset:

• Ensimmäisten liekkien sammuttamisen jälkeen akut syttyivät useita kertoja. Lämpötila akun sisällä oli riittävän korkea aiheuttamaan reaktion karkaamisen yksittäisissä kennoissa.
• Ennen syttymisiä kuului suhahduksia tai paukahduksia, joita seurasi valkoisen höyryn purkauksia ja/tai valokaaria tai kipinöitä, jotka sytyttivät höyryn. Tämä jatkui niin kauan kunnes akun lämpötila oli valelulla saatu niin alhaiseksi, että reaktio ei voinut karata.
• Kaksi suuremman akun sammutuskoetta kesti niin kauan, että toisen sammuttajan hengitysilma loppui kesken. Pitkään sammutusaikaan on varauduttava vaihtamalla ilmapulloja tai sammuttajia.
• Pienemmän akun kaikkia pintoja, pohjaa lukuun ottamatta, voitiin jäähdyttää. Lattialevy vaikeutti suuremman akun jäähdytystä. Todellisissa autopaloissa akun jäähdyttäminen tulee olemaan vaikeampaa kuin kokeissa.
• Hybridi- ja sähköautojen palojen savukaasut eivät ole sen haitallisempia kuin polttomoottoriautojen. Paineilmahengityslaitetta on käytettävä 15 m:n säteellä sekä sammutettavasta että sammutetusta autosta.
• Kokeissa sammutusveteen ei sekoitettu lisäaineita. Jos vettä ei saada palopostista, sammutusvesihuolto on järjestettävä.
• Jos sammutusvettä ei saada riittävästi, akun voidaan antaa palaa loppuun, jos se ei aiheuta vaaraa. Polttokokeessa palo sammui itsestään 90 minuutin kuluttua, mutta kaasua purkautui ja akku pysyi kuumana vielä tuntien ajan.
• Palanut hybridi- ja sähköauto voi syttyä uudelleen ja siksi se on sijoitettava vähintään 15 metrin etäisyydelle muista autoista sekä kaikesta palavasta materiaalista.

Saksan sammutuskokeet

Kokeet [2] tehtiin akuilla, joiden varauskyky oli 17,6 kWh ja varausaste 95 %. Kennot olivat metallikotelossa, jonka pohjan paksuus oli 2,4 mm ja kannen paksuus 1,0 mm. Akut sijoitettiin metallikehikkoon, jonka alla olevaan altaaseen kaadettiin 45 litraa heptaania. Allaspalo kesti 11 minuuttia ja sammutus aloitettiin yhdeksän minuutin kuluttua.

Palot sammutettiin suihkuputkella, jonka vesivirtaa voitiin säätää. Ensimmäisessä kokeessa sammutteena oli vesi ja vesivirta oli enintään 100 l/min. Toisessa kokeessa veteen sekoitettiin 1 % pintajännitystä alentavaa lisäainetta F-500 ja vesivirta oli enintään 75 l/min. Kolmannessa kokeessa veteen sekoitettiin 1,8 % hyytelöä muodostavaa lisäainetta Firesorb ja vesivirta oli enintään 90 l/min.

Ensimmäisessä kokeessa kahdeksan minuutin kuumennuksen jälkeen akun koteloon puhkesi pieni aukko, josta purkautui valkoista höyryä. Höyry syttyi ja paloi hetkittäin jopa kahden metrin liekillä. Aukoista lensi alumiiniroiskeita alle kahden metrin etäisyydelle. Kun allas oli sammunut, akun aukoissa paloi enintään 40 cm pitkiä liekkejä.

Liekit sammuivat 40 sekunnissa 70 litralla vettä. Akkua jäähdytettiin lyhyillä suihkauksilla. Akku syttyi toisen kerran 2,5 minuutin kuluttua. Sammuttaminen kesti 17,5 minuuttia ja vettä kului 400 litraa. Puolen tunnin kuluttua sammutuksen aloittamisesta akun savuaminen loppui. Kolmen ja puolen tunnin kuluttua akku upotettiin vesialtaaseen, jossa se kupli useiden tuntien ajan.

Käytetyssä sammutusvedessä todettiin kohonneita fluoridi- ja kloridipitoisuuksia. Tällaista vettä ei voisi laskea viemäriin, vaan se tulisi kerätä käsiteltäväksi.

Toisen kokeen kuumennuksen aikana akussa tapahtui useita oikosulkuja ja sen varoventtiili avautui useita kertoja. Liekit sammuivat 14 sekunnissa 15 litralla sammutetta eivätkä syttynyt uudelleen. Kuten ensimmäisessä kokeessakin, akusta purkautui paljon valkoista höyryä ja savua. Tämän vuoksi akkua jäähdytettiin useita kertoja lyhyillä suihkauksilla. Sammutetta käytettiin alle 80 litraa. Lopuksi akku upotettiin vesialtaaseen, jossa se kupli useiden tuntien ajan.

Sammutusveden epäpuhtauksia ei voitu analysoida pienen vesimäärän vuoksi. Vesialtaan veden analyysituloksista pääteltiin, että sammutusvesi voitaisiin laskea viemäriin.

Kolmannessa kokeessa akku paloi kiivaammin kuin kahdessa ensimmäisessä. Varoventtiili avautui yhdeksän minuutin kuluttua. Oikosulut polttivat koteloon pieniä aukkoja. Liekit sammuivat viidessä sekunnissa eivätkä syttyneet uudelleen. Sammutus kesti 12 sekuntia ja sammutetta kului 40 litraa. Sammutteen kokonaiskulutus, akun jäähdytys mukaan luettuna, oli 120 litraa.

Sammutusveden epäpuhtauksia ei voitu analysoida pienen vesimäärän vuoksi. Lisäaine esti vesialtaan veden analysoinnin. Kuitenkin sammutusvesi olisi voitu laskea viemäriin.

Pintajännitystä alentavan lisäaineen F-500 ansiosta sammute tunkeutui akkukotelon sisään sammuttaen palavat kennot. Tavanomaiset vaahdotteet oletettavasti toimisivat samalla tavalla. Lisäaine Firesorb muodostaa vedestä lämpöä eristävää hyytelöä. Autopalossa tämä sammute ei luultavasti pääsisi yhtä helposti akun pinnalla kuin kokeessa. Vaikka kokeissa käytettiin eri sammutteita ja vesivirtoja, lisäaineiden voidaan joka tapauksessa todeta vähentävän tarvittavaa sammutusveden määrää.

Tietoruutu

Litiumioniakussa on akun koosta riippuva määrä kennoja. Kannettavan tietokoneen akussa on 6–12 kennoa ja auton akussa jopa tuhansia. Yhden kennon jännite on noin 3,6 V. Tarvittava akkujännite saadaan kytkemällä kennoja sarjaan ja varauskyky kytkemällä kennosarjoja rinnan.

Kennon anodi on grafiittia, joka voi palaa. Elektrolyyttinä on jotain litiumsuolaa liuotettuna orgaaniseen liottimeen. Myös elektrolyytti voi palaa. Katodina on erilaisia litiumin ja muiden metallien oksideja tai fosfaatteja, jotka eivät voi palaa. Akussa ei ole mitään, joka aiheuttaisi vaaraa reagoidessaan veden kanssa!

Litiumioniakun käyttölämpötila on enintään 60 ºC. Sen kennot saattavat useasta syystä (vika, väärä käyttö, oikosulku, puristus, puhkaisu, korkea lämpötila) kuumentua itsestään (ns. reaktion karkaaminen). Tämän estämiseksi akuissa on erilaisia suojaus- ja varolaitteita. Akun on läpäistävä testit, joissa sitä pidetään pitkään 70–75 ºC:n ja lyhyemmän ajan 130 ºC:n lämpötilassa.

Jos kennon ympäristön lämpötila on yli 150 ºC, se alkaa kuumeta itsestään. Kuumenevan kennon lämpötila nousee noin 650 ºC:een. Jos mitään ei tehdä, kenno toisensa jälkeen kuumenee akun sisällä.

Kuumeneva kenno pullistuu ja siihen avautuu aukko, josta elektrolyytti purkautuu ulos. Kun kuumeneminen johtuu viasta, väärästä käytöstä tai vahingoittumisesta, purkautuva elektrolyytti ei aina syty; tulipalossa se todennäköisesti syttyy [3].

Kennon kuumeneminen johtuu siis kemiallisesta reaktiosta eikä elektrolyytin palamisesta. Kun ulkopuolinen palo on sammunut, niin kuin USA:n ja Saksan sammutuskokeissa, akun ulkopuolella palavien liekkien sammutus alkusammuttimella tai tukahduttamalla ei lopeta kennojen kuumenemista.

Sen sijaan akun kotelon valelu vedellä jäähdyttää sitä ja välillisesti myös kuumenneita kennoja. Veden pintajännitystä pienentävä lisäaine nopeuttaa jäähdytystä, koska sammute pääsee akun sisälle jäähdyttämään kuumentuneet kennot. Lisäaineen vaikutus käy ilmi Saksan kokeesta. Todellisessa autopalossa akun jäähdyttäminen päältä ja sisältä on tietenkin vaikeampaa kuin em. sammutuskokeissa.

Litiumakun palokaasut eivät ole sen vaarallisempia kuin tavallisen autopalon. Ruotsissa tehdyissä kokeissa poltettiin laboratoriossa pieniä määriä elektrolyytissä olevaa litiumheksafluorofosfaattia. Palokaasuissa todettiin fluorivedyn lisäksi olevan muita fluorideja, joiden pääteltiin olevan yhtä haitallisia [4]. Toisaalta USA:ssa tehdyssä isomman litiumioniakun polttokokeen palokaasuissa ei ollut fluorivetyä eikä muita haitallisia kaasuja kuin häkää.

Teksti: Risto Lautkaski

Lähteet

1. Long, R. T. ym. Best practices for emergency response to incidents involving electric vehicles battery hazards. A report on full-scale testing results. Quincy, MA: The Fire Protection Research Foundation. July 2013. 207 s. + liitteitä. http://www.nfpa.org/research/fire-protection-research-foundation/projects-reports-and-proceedings/electrical-safety/new-technologies-and-electrical-safety/emergency-response-to-incident-involving-electric-vehicle-battery-hazards
2. Egelhaarf, M. ym. Fire fighting of Li-ion traction batteries. SAE International Journal of Alternative Power, vol. 2, no. 1, s. 37–48, 2013. http://papers.sae.org/2013-01-0213/
3. Mikolajczak, C. ym. Lithium-ion batteries hazard and use assessment. Final report. Quincy, MA: The Fire Protection Research Foundation. July 2011. 112 s. + liitteitä. http://www.nfpa.org/research/fire-protection-research-foundation/projects-reports-and-proceedings/hazardous-materials/other-hazards/lithium-ion-batteries-hazard-and-use-assessment
4. Sammuta palavat litiumioniakut vedellä. Ulkomailta. Pelastustieto 7/2015