Časopis 112 ROČNÍK XXI ČÍSLO 11/2022

V listopadovém čísle měsíčníku 112 vám představíme Kartoňáky – výchovně-vzdělávací projekt v oblasti požární prevence, ochrany obyvatelstva a integrovaného záchranného systému pro děti předškolního věku a pro malé školáky. Příslušníci HZS Jihočeského kraje vytvořili krátká sedmiminutová videa s tématikou požár domova, bezpečné koupání, bruslení, pouštění draka, linky tísňového volání, sirény, rozdělávání ohně v přírodě a pilotní seznamovací díl. V současné době vrcholí testování jednotlivých nástrojů, které byly vyvinuty v rámci projektu STAMINA a měly by sloužit především pro zvládnutí pandemické situace, jakou byla například pandemie covidu-19, nebo ještě nebezpečnější. Cvičení, jehož námětem bylo zachycení pacienta s velmi nakažlivou nebezpečnou nákazou, se uskutečnilo 21. června 2022 v Liberci. 

Lithium-iontové baterie se používají v řadě různých zařízení – od mobilních telefonů, přes notebooky až po elektromobily. Jejich počet narůstá a v nejbližších letech tomu nebude jinak. V souvislosti s tím se ale také zvyšuje nebezpečí vzniku požáru, a proto je nutné řešit postup hašení. Na základě pokynů výrobců pro efektivní zásah je jedním ze stanovených postupů ponoření baterie do velkého objemu vody. 

Obr.1 Baterie Bobcat	Obr.2 Patro baterie Bobcat

Typickým příkladem může být ponoření elektromobilu do hasebního kontejneru s vodou či ponoření elektrokoloběžky (či její části) do sudu s vodou. Cílem zkoušek Technického ústavu požární ochrany (TÚPO) bylo ověřit míru kontaminace vody v hasebním kontejneru, protože v případě překročení stanovených limitů by vyvstala potřeba likvidovat vodu odbornou firmou, což by stálo nemalé finanční prostředky.
Přestože je lithium-iontových baterií mnoho typů, pro účely zkoušek TÚPO jsme vybrali dvě nejvíce rozšířená konstrukční provedení baterií vyskytujících se v elektromobilech. Jde o baterie cylindrického typu, které jsou používané například u automobilů Tesla, a prizmatického typu používaného například u elektromobilů společnosti ŠKODA AUTO, a. s. Tyto dva typy se liší nejen tvarem baterií, ale i jejich složením, proto se očekávala rozdílná kontaminace vody.
Zkoušky TÚPO nebyly realizovány s elektromobily, ale pouze s částmi jejich baterií. Důvody, proč TÚPO neprovedl zkoušky s celými elektromobily, ale pouze s jejich částmi, jsou tři. Hlavním důvodem byly finanční náklady spojené s pořízením elektromobilů. Druhým důvodem byla organizační náročnost takovýchto zkoušek, protože by se musela zajistit nejen doprava elektromobilu na místo zkoušek, ale také doprava hasebního kontejneru, následná manipulace s elektromobilem a také hlídání kontejneru v místě zkoušek. A abychom dostali reprezentativní výsledky, bylo by potřeba tyto zkoušky buď provádět najednou s více elektromobily a hasebními kontejnery, nebo je provádět samostatně zkoušku po zkoušce, což by ale trvalo měsíce. Třetím důvodem bylo, že při reálných zkouškách zpravidla nedochází k úplné destrukci baterie, ale pouze k její části. Míra poškození baterie se tak liší případ od případu. Ruku v ruce s tím jde i kontaminace hasební vody, kdy v případě méně poškozené baterie můžete dostat výrazně příznivější výsledky, než by tomu bylo v případě úplné destrukce baterie. Z těchto důvodů TÚPO rozhodl provést zkoušky v laboratorním měřítku jen s částmi baterií a výsledky následně přepočetl na koncentrace odpovídající utopení elektromobilu v hasebním kontejneru. Protože se při zkouškách uvažovalo pouze o destrukci baterie, nebyla posuzována kontaminace z dalších prvků vozidla (např. olej, brzdová kapalina). 
Pro účely zkoušek s cylindrickými bateriemi byly použity jednotlivé monočlánky z dodané baterie od firmy Bobcat. Baterie (obr. 1) byla navržena např. pro využití u stavebních strojů, váží zhruba 70 kg, skládá se ze tří pater, přičemž každé patro obsahuje několik set cylindrických monočlánků (obr. 2). 
Pro účely zkoušek s prizmatickými bateriemi byly použity baterie dodané od společnosti ŠKODA AUTO, a. s. Prizmatická baterie (obr. 3) váží zhruba 650 kg a skládá se z dvanácti modulů, zkoušky jsme realizovali vždy s jedním modulem (obr. 4).   

Scénář zkoušek
U baterií cylindrického typu bylo připraveno pět vzorků, dva vzorky byly bez poškození ponořeny do lahví s demineralizovanou vodou vždy o objemu 1 500 ml. Tři vzorky baterií byly vystaveny hoření hořlavé kapaliny a vždy došlo k iniciaci samotné baterie. Každý vzorek tvořily čtyři cylindrické baterie (obr. 5). 
I tyto tři vzorky byly přibližně ve stejný čas vloženy do lahví s demineralizovanou vodou o objemu 1 500 ml. Z každé láhve byl následně do skleněných vzorkovnic odebrán 100ml vzorek pro analýzu v pravidelných intervalech po 24 hodinách, 48 hodinách, jednom týdnu a jednom měsíci.

Obr.6 Zkratovací souprava
U zkoušek s bateriemi prizmatického typu byly připraveny tři vzorky, jeden bez poškození a dva po hoření. Iniciace požáru byla provedena zkratovací soupravou (obr. 6). Protože se jednalo o velké vzorky, byly vloženy do dvousetlitrových sudů naplněných vždy 150 l demineralizované vody.
Ze zásobních sudů byl do skleněných vzorkovnic následně odebrán 100ml vzorek pro analýzu v pravidelných intervalech na začátku experimentu a následně po 24 hodinách, 48 hodinách, jednom týdnu a jednom měsíci. 
Další postup byl identický pro oba typy baterií. Odebrané vzorky kontaminovaných vod byly analyzovány Vysokou školou chemicko-technologickou v Praze (VŠCHT), protože má k dispozici přístroj na stanovení přítomnosti (kvalitativní analýza) a koncentrace (kvantitativní analýza) těžkých kovů ve vodách. Přístrojem ICP-OES Integra XL bylo nejprve analyzováno z hlediska kvality změřením přibližně 
80 prvků měřitelných ICP-OES a podle odezvy přístroje bylo poté vybráno 24 prvků přítomných ve většině měřených vzorků pro kvantitativní analýzu. Kromě toho se realizovala také doplňková měření na stanovení pH a oxidačně redukčního potenciálu roztoku.

Výsledky zkoušek
Výsledky analýz byly silně ovlivněny tím, zda došlo k destrukci baterie, či nikoli. Ve výluhu z baterií cylindrického typu byly u nespálených baterií vysoké koncentrace (v jednotkách mg/l) především u železa a niklu, o něco nižší koncentrace byly v případě draslíku, lithia a dalších prvků (obr. 7).
U spálených cylindrických baterií byla ve výluhu prokázána velmi vysoká koncentrace lithia (ve stovkách mg/l), vysoké koncentrace železa, fosforu, hliníku (v desítkách mg/l) a v jednotkách mg/l dalších prvků, jako jsou sodík, hořčík, nikl (obr. 8). 

V průběhu času docházelo ve výluzích spálených cylindrických baterií k nárůstu koncentrace lithia v čase, naopak u nespálených baterií byly koncentrace všech prvků víceméně konstantní. Výluh ze spálených baterií měl také silně zásadité pH, oxidačně redukční potenciál se z počátku blížil redukčním podmínkám, ale s přibývajícím časem se zvyšoval. Nespálené baterie měly pH výluhu neutrální až mírně kyselou a oxidačně redukční potenciál značil oxidační prostředí.
U prizmatických baterií byla ve výluhu z nespáleného modulu patrná velmi vysoká koncentrace lithia (ve stovkách mg/l) a vysoké koncentrace hliníku a mědi (jednotky až desítky mg/l) – obr. 9.
Spálené prizmatické baterie měly ve výluhu násobně vyšší koncentrace nejen lithia (stovky až tisíce mg/l), ale i hliníku (desítky až stovky mg/l), a vyšší byla koncentrace i dalších prvků – sodíku, draslíku a fosforu (jednotky až desítky mg/l) – obr. 10.
I v případě spálených prizmatických baterií docházelo ve výluhu k nárůstu koncentrace lithia v čase, u nespálené baterie (resp. modulu) koncentrace lithia kolísala, ale nerostla. Výluh ze spálených i nespálených prizmatických baterií měl zpočátku neutrální až mírně zásadité pH, které ale postupem času narůstalo. Oxidačně redukční potenciál jak u spálených, tak i u nespálených baterií odpovídal oxidačnímu prostředí a v průběhu času byl poměrně stabilní.

Přepočet výsledků na reálné podmínky
Pokud bychom chtěli zjistit míru kontaminace hasební vody po utopení elektrovozidla v kontejneru pro hašení, museli bychom udělat přepočet na objem vody v kontejneru. Kontejner má vnější rozměry přibližně 6,5 × 2,5 × 2,5 m. Vozidlo se ponoří do vodní lázně, přičemž není potřeba ponořit vozidlo celé, stačí, když jsou zatopeny trakční baterie. Pokud dojde k zatopení vozidla v kontejneru zhruba do výšky jednoho metru, lze odhadnout, že v kontejneru bude asi 16 m³ vody.
Pro auto, které by mělo přibližně 10 000 cylindrických monočlánků (pro představu Tesla S má 7 104 cylindrických monočlánků), by byly koncentrace výluhu asi čtvrtinové oproti uvedeným výsledkům baterií cylin­dric­kého typu. Přepočtené hodnoty by pro li­thi­um byly v desítkách až stovkách mg/l, pro železo, fosfor a hliník v řádu jednotek mg/l, přičemž obsahy dalších prvků (např. sodík, hořčík či nikl) by byly v řádu desetin jednotek mg/l.
Pro auto s prizmatickými bateriemi utopené v kontejneru by byly koncentrace ve výluhu zhruba desetinové oproti výsledkům baterií prizmatického typu, jak bylo uvedeno. Pro lithium by byly přepočtené hodnoty v desítkách až stovkách mg/l, pro měď a hliník v řádu jednotek mg/l.
Jak v případě vozidla s cylindrickými články, tak s prizmatickými bateriemi utopeného v kontejneru s vodou, jde o horní hranice hodnot koncentrací, protože v praxi nedochází k vyhoření/vybouchnutí všech cylindrických monočlánků, resp. modulů prizmatických baterií.

Závěr
Při porovnání hmotnostních koncentrací prvků s právními předpisy, konkrétně s nařízením vlády č. 401/2015 Sb., o ukazatelích a hodnotách přípustného znečištění povrchových vod a odpadních vod, náležitostech povolení k vypouštění odpadních vod do vod povrchových a do kanalizací a o citlivých oblastech, ve znění pozdějších předpisů, vyplývá, že při nejhorším možném scénáři (de­struk­ce všech cylindrických monočlánků, resp. modulů v bateriích prizmatického typu) by došlo k překročení limitů. Nařízení vlády č. 401/2015 sice explicitně nestanovuje povolený obsah lithia, ale pro ostatní kovy se pohybuje v desetinách až jednotkách mg/l. K překročení koncentrací v případě hasební vody v kontejneru by v závislosti na míře poškození baterií docházelo také i u dalších prvků (např. sodík, hořčík či nikl). Co se týče koncentrace lithia, tak z pohledu zákona č. 254/2001 Sb., zákon o vodách a o změně některých zákonů (vodní zákon), ve znění pozdějších předpisů, se lithium nepovažuje za zvláště nebezpečný kov a při likvidaci hasební vody by mělo být postupováno tak, aby nedošlo k porušení jakosti povrchových nebo podzemních vod.
Z několika důvodů (částečná destrukce baterie, vyplavení obsahu baterií při zásahu předcházejícímu utopení elektromobilu v hasebním kontejneru) lze očekávat, že v praxi budou koncentrace těžkých kovů ve výluhu výrazně příznivější, a likvidace hasební vody by tedy mohla probíhat prostým naředěním a následnou likvidací, jež by nevyžadovala součinnost firem, a která by tak v důsledku zbytečně nezvyšovala náklady hasičů.
Tuto hypotézu je ale potřeba potvrdit u prvních několika požárů elektromobilů utopených v kontejneru a teprve na základě analýz vody stanovit definitivní postup likvidace hasební vody v kontejneru. 

plk. Ing. Ondřej SUCHÝ, Ph.D., plk. Ing. Jan KARL, Technický ústav požární ochrany, foto archiv Technického ústavu požární ochrany

Print  E-mail  X Corp.   Facebook