Synthèse de modélisations préliminaires de l`impact d`un feu

Synthèse de modélisations préliminaires de l’impact
d’un feu de véhicule électrique en parking souterrain
Le présent document constitue une synthèse des principaux enseignements tirés
de modélisations préliminaires de l’impact d’un feu de véhicule électrique en
parking souterrain, réalisées en février 2011. La confidentialité des données
transmises par les industriels pour réaliser cette étude ne permet pas à l’INERIS
de diffuser l’intégralité des données d’entrée et des résultats.
1.
CONTEXTE
1.1
OBJECTIFS
L’une des missions de l’INERIS est d’accompagner l’innovation technologique pour
une bonne prise en compte de la sécurité et de l’environnement, le plus en amont
possible dans les phases de recherche et développement menées par les
entreprises. Dans ce cadre, l’Institut a conduit de nombreux travaux sur la sécurité
des véhicules électriques et en particulier sur la prévention des risques liés aux
batteries.
L’INERIS a réalisé à la demande du Ministère de l’Ecologie, du Développement
Durable, des Transports et du Logement (MEDDTL) une analyse préliminaire de
risques (incendie, explosion, effets toxiques) sur l’ensemble du cycle de vie des
véhicules électriques et en particulier sur leurs batteries (conception, fabrication,
transport, stockage, utilisation, fin de vie et recyclage…). Cette analyse aboutit à
la définition de scénarios, et à leur classement par niveau de risque croissant.
Cette « cartographie » permet d’identifier d’une part, des scénarios présentant un
risque important compte tenu des informations disponibles ; d’autre part, des
scénarios pour lesquels les connaissances et informations disponibles ne
permettent pas, à ce jour, d’exclure qu’ils présentent des risques importants.
Cette analyse préliminaire de risques a identifié les situations accidentelles dans les
lieux confinés, dont les parkings souterrains, comme un scénario pour lequel les
risques ne peuvent être exclus tant que des études approfondies n’ont pas été
menées. Des premières simulations numériques et des notes de calcul ont donc été
réalisées pour le Ministère chargé de l’Ecologie. Celui-ci souhaitait pouvoir disposer
de premières données dans l’hypothèse où il soit sollicité pour prendre position
sur un projet relatif au véhicule électrique, sans pouvoir attendre les résultats de
campagne d’essais à échelle réelle.
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Afin d’obtenir des données plus représentatives de situations réelles, ces
premières modélisations numériques devront être confirmées et affinées en
exploitant les résultats d’essais à grande échelle.
En effet, l’absence de mesures expérimentales pour de tels véhicules exige de
formuler des hypothèses dans le choix des paramètres utilisés dans les
simulations. Les éléments ainsi obtenus doivent donc être interprétés avec
précaution : seule la disponibilité de résultats expérimentaux futurs permettra de
confirmer la pertinence des données issues de ces premières modélisations.
1.2
HYPOTHESES ET LIMITES
Dans l’optique de prévenir au mieux les risques potentiels, les hypothèses
retenues simulent une situation réaliste majorante. Les données présentées ne
sont donc pas représentatives de toutes les situations possibles.
Concernant les feux de véhicules, les principales hypothèses pour ces
modélisations portent sur :
• la puissance développée par l’incendie et la courbe de développement de
l’incendie1 ;
• le comportement au feu de la batterie et la durée de l’incendie d’une
batterie2 ;
• la composition des fumées pour l’incendie d’un véhicule thermique3 ;
• la quantité d’acide fluorhydrique (HF) produit par l’incendie d’une batterie4
(la répartition du dégagement de HF par rapport à la durée de combustion
du véhicule a été supposée).
La modélisation s’est également efforcée de tenir compte de la géométrie et du
système de ventilation du parking.
Ces premiers éléments sont donc à considérer avec précaution en gardant à
l’esprit l’ensemble de ces hypothèses. Des essais réels pour les différents types
de véhicules, électriques mais aussi thermiques, permettront d’affiner les résultats.
1
La courbe de puissance normalisée pour les véhicules thermiques a été utilisée (Fascicule 4 du guide des dossiers de
sécurité pour les tunnels routiers, CETU).
2
En l’absence de données, l’impact de la batterie sur le développement du foyer a été négligé.
3
Comme pour la puissance de l’incendie, les données normalisées ont été utilisées (Fascicule 4 du guide des dossiers de
sécurité pour les tunnels routiers, CETU).
4
Les données utilisées ont été extrapolées à partir des éléments fournis par des constructeurs sous réserve de
confidentialité.
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APPROCHE DE MODELISATION
1.3
CODE DE CALCUL UTILISE
Pour comparer les effets, les modélisations ont été réalisées au moyen du code
CFD (Computational Fluid Dynamics) FDS (Fire Dynamic Simulator) développé
par le NIST (National Institute for Standard and Technologies) aux Etats-Unis. Ce
code de simulation 3D a été validé, pour modéliser des phénomènes en milieu
confiné, au travers de publications internationales.
Cet outil permet de simuler le développement d’un incendie et fournit les
distributions de température, concentration en gaz toxiques et visibilité dans
l’espace simulé. Toutefois, l’absence de données expérimentales sur le
développement d’un incendie de batteries électriques, n’a permis ni de traiter
l’aspect thermique, ni d’évaluer précisément les risques de propagation aux
véhicules voisins.
1.4
FEU DE VEHICULE : TERME SOURCE
1.4.1 PUISSANCE DEGAGEE
La puissance dégagée par un feu de véhicule dépend très fortement du type de
véhicule, de sa composition ou encore de la position du départ de feu, d’où la
nécessité d’harmoniser les pratiques. Des courbes normalisées ont donc été
utilisées dans les modélisations pour déterminer la puissance dégagée par un feu
de véhicule.
Ces courbes normalisées sont exploitées dans le cadre des ESD (Etudes
Spécifiques des Dangers) réalisées pour l’évaluation de la sécurité dans les
tunnels5.
1.4.2 COMPARAISON VEHICULES THERMIQUES ET VEHICULES ELECTRIQUES
En termes de charge calorifique, les constituants des véhicules électriques sont
considérés comme identiques à ceux d’un véhicule thermique (pneus, siège,
plastiques…) à l’exception du remplacement d’un liquide inflammable par une
batterie.
La différence d’incendie développé par chaque type de véhicules dépend donc
principalement de la différence entre ces deux éléments. La charge calorifique
associée au réservoir de carburant s’écrit : Edispo = m.∆H c
5
CETU. Guide des dossiers de sécurité des tunnels routiers, fascicule 4, les études spécifiques des dangers (ESD),
Septembre 2003.
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En l’absence de données fournies par les constructeurs pour les véhicules
électriques, les courbes de puissance sont considérées comme similaires à celles
des véhicules thermiques. Mais au-delà de la différence de charge calorifique
entre les produits, il serait nécessaire d’évaluer la cinétique « moyenne » de
montée en puissance de l’incendie d’une batterie électrique pour comprendre
comment l’incendie se développe.
1.4.3 EFFETS TOXIQUES
La combustion d’un véhicule thermique léger génère des gaz de combustion
classiques (dioxyde et monoxyde de carbone) et des gaz toxiques (cyanure
d’hydrogène et chlorure d’hydrogène, dioxyde de soufre), liés à la présence de
plastiques parmi les composants.
Les gaz pris en compte pour l’incendie d’un véhicule « thermique » sont le
monoxyde de carbone (CO) et le dioxyde de carbone (CO2), conformément aux
préconisations du guide pour les ESD6.
Dans un incendie de véhicule électrique, la combustion de la batterie génère des
gaz toxiques qui s’ajoutent aux gaz de combustion et aux autres composés
toxiques qui sont usuellement produits par le véhicule qui brûle. En particulier, lors
d’incendie de modules de batteries Lithium ion, ont été observés des
dégagements significatifs de fluorure d’hydrogène (HF) dont la toxicité est
intrinsèquement plus importante que celle du monoxyde de carbone (pour un
même temps d’exposition, une concentration de HF beaucoup plus faible
provoque des effets sur la santé).
Dans le cadre de cette étude préliminaire, pour le cas d’un feu de véhicule
électrique, la distribution de concentration en HF a été évaluée dans la zone
étudiée. Or seule la quantité totale de HF produite a été fournie dans les données
d’entrée ; le débit de production au cours de l’incendie de la batterie n’est pas
connu. Pour les calculs, l’hypothèse de le corréler à la puissance de l’incendie a
donc été retenue.
6
CETU. Guide des dossiers de sécurité des tunnels routiers, fascicule 4, les études spécifiques des dangers (ESD),
Septembre 2003.
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2.
ELEMENTS DE RESULTATS
Plusieurs configurations ont été modélisées dans l’étude. La comparaison entre
les résultats obtenus pour l’incendie d’un grand véhicule léger (puissance
normalisée de 8 MW), thermique et électrique, dans un parking de 3 000 m² au sol
et de 3 m de hauteur sous plafond, est présentée ici à titre d’illustration.
2.1.1 SITUATION DE REFERENCE : INCENDIE D’UN VEHICULE THERMIQUE
Le feu de véhicule thermique sert de référence pour étudier les effets d’un
incendie de véhicule électrique. Dans cette situation de référence, l’évolution des
conditions de survie pour les personnes présentes dans le parking dépend de
l’évolution de la concentration en CO. En l’absence d’informations spécifiques, les
autres grandeurs, température et visibilité, sont inchangées entre un véhicule
thermique et un véhicule électrique compte tenu des hypothèses retenues.
Il convient toutefois de noter que, si l’impact thermique en partie inférieure est
faible et que les températures restent compatibles avec une présence humaine
(Figure 1), la visibilité décroit très rapidement (Figure 2).
Figure 1 : Coupe selon X du champ de température 10 mn après le départ de feu.
Figure 2 : Visibilité dans le plan z = 1,8 m, 3 minutes après le départ de feu.
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Les champs de concentrations en monoxyde de carbone ont été modélisés 5 et
10 mn après le départ de feu et corrélés à des seuils d’effet sur la santé. Un temps
d’exposition de référence (10 mn) a été retenu, en lien direct avec le temps
d’évacuation nécessaire en cas d’incendie avec visibilité faible. L’évacuation des
usagers est généralement estimée à moins de 10 mn, compte tenu du temps de
réponse des personnes et d’autres paramètres influents (méconnaissance éventuelle
des lieux, opacité des fumées...).
Les concentrations sont reproduites sur la Figure 3 avec une échelle comportant les
seuils d’effet sur la santé.
La modélisation ne montre globalement pas d’effets significatifs sur la santé au bout
de 10 mn : la concentration mesurée sur une large partie de la surface du parking (en
bleu) correspond à un seuil d’effets irréversibles après une exposition de 30 minutes.
Des effets irréversibles pourraient être observés sur une surface très faible du
parking (en vert), puisque la concentration mesurée atteindrait le seuil d’exposition
de 10 mn. Le seuil d’effets létaux, pour 30 comme pour 10 mn, n’est pas atteint.
t = 5 mn
t = 10 mn
Figure 3 : Evolution de la concentration en [CO] dans un plan horizontal à 1,8 m
du sol avec une légende correspondant aux seuils d’effet : SEI30 : 1 500 ppm ;
SEL30 : 4 200 ppm ; SEI10 : 2 600 ppm ; SEL10 : 7 000 ppm7.
Les concentrations sont plus fortes à distance du foyer que proche de celui-ci, car
elles sont mesurées à hauteur d’homme (1,8 m). Ce constat est une conséquence
normale du phénomène de propagation des fumées d’incendie dans un espace
clos. Les fumées chaudes, dans la proximité immédiate du foyer, se comportent
comme des gaz dits « légers » (plus légers que l’air) et s’élèvent dans un premier
temps pour s’accumuler au plafond. Puis elles s’étendent progressivement sur toute
la surface sous plafond sous forme de nappes, jusqu’à rencontrer les murs les plus
proches. Cela a pour effet de contraindre les fumées, bloquées dans leur expansion
horizontale, à redescendre au sol le long des parois.
7
SEI30 et SEI10 = seuil des effets irréversibles après une exposition de 30 mn et 10 mn ; SEL30 et SEL10 = seuil des effets
létaux après une exposition de 30mn et 10 mn. La concentration de gaz est indiquée en ppm (parties par million).
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2.1.2 RESULTATS DE SIMULATION : IMPACT DES BATTERIES
Les champs de concentration en acide fluorhydrique (HF) ont été évalués sur la
base des hypothèses présentées précédemment. Pour le véhicule électrique, il
s’agit du même temps d’exposition de référence en lien avec l’évacuation que
pour le véhicule thermique (10 mn) ; le phénomène de propagation des fumées
est identique à celui décrit pour le véhicule thermique.
Les concentrations sont tracées Figure 4 pour 5 et 10 mn après le départ de feu
avec une légende présentant les seuils d’effet sur la santé. A noter que les
échelles de couleurs sont différentes entre la figure 3 (CO) et la figure 4 (HF), ce
qui ne permet pas une comparaison visuelle immédiate (les effets irréversibles à
10 mn d’exposition sont indiqués en jaune pour le HF, alors qu’ils étaient
précédemment indiqués en vert pour le CO).
Au bout de 10 mn, la concentration mesurée sur la quasi-totalité de la surface du
parking correspond à un seuil pour lequel une exposition de 30 mn présenterait des
effets irréversibles voire létaux, à la différence du véhicule thermique (pour le CO, il
s’agit du seuil d’effets irréversibles à 30 mn, sur environ 60% de la surface
seulement). Le véhicule électrique pourrait donc présenter un degré de risque
supplémentaire dans les scénarios d’incendie où, en particulier, des difficultés
viendraient augmenter les temps d’évacuation au-delà de 10 mn.
Les effets irréversibles pour 10 mn d’exposition sont également atteints, sur une
surface relativement faible (environ 10%) par rapport à la surface totale du parking,
mais qui s’avère beaucoup plus importante que dans le cas du véhicule thermique.
t = 5 mn
t = 10 mn
Figure 4 : Evolution de la concentration en [HF] dans un plan horizontal à 1,8 m du
sol avec une légende correspondant aux seuils d’effet : SEI30 : 200 ppm ;
SEL30 : 377 ppm ; SEI10 : 600 ppm ; SEL10 : 1123 ppm.
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3.
CONCLUSION
Afin de comparer les effets d’un incendie de véhicule thermique et ceux d’un
véhicule électrique, et en l’absence de données expérimentales, des hypothèses
ont été retenues, pour effectuer la simulation, sur :
• la puissance développée par l’incendie,
• la courbe de développement de l’incendie,
• le comportement au feu de la batterie,
• la durée d’incendie de la batterie,
• la composition des fumées pour l’incendie d’un véhicule thermique,
• la quantité d’acide fluorhydrique produit par l’incendie d’une batterie
électrique.
Ainsi, les simulations se basent sur l’hypothèse d’un développement identique de
l’incendie entre les deux types de véhicules et s’appuient sur une courbe
normalisée. Pour les véhicules thermiques, la composition des fumées s’appuie
sur les guides en vigueur pour les ESD relatives à la sécurité en tunnel et prend le
monoxyde de carbone (CO) comme gaz toxique de référence. Pour les véhicules
électriques, la différence la plus sensible, en particulier pour les technologies
Lithium ion, réside dans le dégagement d’acide fluorhydrique (HF) issu des
batteries.
En l’absence de données précises et confirmées statistiquement, la quantité
libérée et la durée de l’incendie de la batterie ont été estimées sur la base des
données fournies par les industriels (issues d’essais de modules seuls). La nature
confidentielle de ces données ne permet par ailleurs pas à l’INERIS de diffuser
l’intégralité des données d’entrée et des éléments de résultats.
L’évaluation de l’impact thermique d’un feu de véhicule électrique, et notamment
sa propagation éventuelle à d’autres véhicules voisins, n’a pu être traitée en
raison du manque de données sur les puissances de l’incendie d’une batterie.
En l’absence de données sur l’infrastructure, il est important de noter que les
simulations 3D ont été réalisées pour un compartiment de parking souterrain en
l’absence de ventilation. L’impact de la ventilation a été évalué au moyen d’une
modélisation supplémentaire. Toutefois, les effets dépendent des positions
relatives des systèmes d’extraction, des amenées d’air et du foyer.
Les simulations montrent que, pour le véhicule thermique comme pour le véhicule
électrique, la variable critique est la visibilité qui chute rapidement rendant
l’évacuation délicate. Le temps d’évacuation a alors été évalué à moins de 10
minutes.
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On observe dans les deux cas des effets sur la santé, avec une différence entre
véhicule thermique et véhicule électrique :
• Pour le véhicule thermique, les concentrations en CO atteignent en 10 mn
le seuil des effets irréversibles pour une surface très faible du parking.
• Pour le véhicule électrique, les concentrations en HF dépassent le seuil des
effets irréversibles en 10 mn sur une surface faible (10%) par rapport à la
surface totale du parking, mais qui s’avère beaucoup plus importante que
dans le cas du véhicule thermique.
Par ailleurs, la concentration en HF pourrait constituer un degré de risque
supplémentaire dans les scénarios d’incendie où le temps d’évacuation dépasserait
10 mn.
En synthèse, si l’augmentation du potentiel toxique des fumées lié à la présence
de HF semble avérée du fait de la présence de ce composé lors d’un incendie de
batterie, la quantification de cette augmentation demeure délicate en l’absence
d’essais sur des véhicules réels et représentatifs d’un parc roulant (en particulier
en matière de technologie et de taille de batteries, et d’architecture /
compartimentage de véhicule) car elle repose sur des hypothèses qui n’ont pas
encore été toutes confirmées à ce jour.
L’INERIS recommande de conduire à brève échéance des essais moyenne, puis
grande échelle, pour confirmer et affiner les hypothèses et les données issues de
cette première modélisation.
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