Alternativní paliva motorových vozidel a potenciál jejich požáru a výbuchu

Trend růstu počtu motorových vozidel na CNG (stlačený zemní plyn) v ČR dokládá statistikami za období 2004–2019 vč. počtu plnících stanic, objemu prodaných paliv CNG/LNG (zkapalněný zemní plyn) v tab. 1 a dále LNG a LPG (zkapalněný ropný plyn) v porovnání s benzínem a naftou za období 2015–2019 v tab. 2. Uvádí prognózu počtu vozidel např. na CNG v letech 2020, 2025, 2030 a 2040 a v použité literatuře výčet vybraných norem a předpisů.

Podstatnou část článku tvoří charakteristika:

• CNG, LNG a LPG vybranými PTCH (požárně technickými charakteristikami) těchto paliv,
• zařízení na AP ve vozidlech vč. palivových nádrží a jejich provozně-technických parametrů,
• možných scénářů nebezpečí vzniku požáru/výbuchu jednotlivých typů AP a jejich následků,
• dostupných výpočetních metod (empirických, fenomenologických a CFD) k odhadům vybraných parametrů fyzikálních a chemických výbuchů, tryskových požárů, BLEVE a ohňových koulí.

O tom, jak bezpečné je dosavadní provozování všech vozidel v ČR dokládá statistikami počtu sledovaných příčin jejich požárů od r. 2015 do 2. kv. 2020 a z toho samostatně:

• nákladních automobilů na plynná paliva,
• osobních automobilů na LPG a CNG,
• autobusů na LPG a CNG.

Úvod

Již dlouhodobě usilují OSN, EU a většina států světa o zajištění mj. energeticky úsporné pozemní, vodní a letecké dopravy pomocí AP s těmito dílčími cíli:

• postupně omezovat spotřebu motorové nafty (MN) a benzínu automobilového (BA), jejichž cena narůstá se snižováním jejich fosilních zásob,
• snížit emise znečisťující životní prostředí ze spalovacích motorů dopravních prostředků.

Za tím účelem EU vydala řadu legislativních dokumentů k implementaci do národních předpisů členských států [1], [2], [3],…

ČR vypracovala návazně strategické dokumenty v oblasti energetiky, dopravy a životního prostředí [4], [5], [6] mj. s těmito strategickými cíli rozvoje:

• elektromobility,
• vozidel na CNG,
• vozidel na LNG,
• vodíkové technologie v dopravě,
• výzkumu a vývoje v oblasti alternativních paliv.

V ČR zajišťuje tento rozvoj více než 10 firem. Podle statistiky ČPS (Českého plynárenského svazu) ke dni 17. 4. 2020 je tento rozvoj patrný z následujících tab. č. 1 a 2.

V r. 2019 provozovaly plnící stanice CNG v ČR:

• Společnost Innogy Energo (63),
• Společnost Bonnet Gas Investment, a.s. (40),
• Energetická skupina E. ON patřící mezi největší české dodavatele elektřiny a plynu (3).

Všechny plánují zprovoznit další nové stanice.

Stlačený zemní plyn označovaný zkratkou CNG (Compressed Natural Gas), zkapalněný zemní plyn – LNG (Liquefied Natural Gas) a zkapalněný ropný plyn – LPG (Liquefied Petroleum Gas) mají v ČR trend rozvoje, neboť jsou ekologicky čistější variantou k BA a motorové naftě. Mají proto dotační podporu, což dokládá růst počtu vozidel, čerpacích stanic a spotřeby těchto pohonných hmot, viz tab. č. 1 a 2 výše. Podle prognózy má narůstat např. počet vozidel na CNG takto: v r. 2025 cca 130 000, v r. 2030 cca 200 000 a v r. 2040 cca 300 000.

V následující tab. č. 3 jsou jako příklad uvedeny dostupné typy dvoupalivových (bi-fuel) zážehových automobilů ŠKODA na CNG a BA.

Dostupné a provozované jsou též automobily na CNG, LPG řady dalších firem: Fiat, Renault, Dacia, Seat, Mitsubishi, Lada, UAZ, Opel.

S ohledem na nebezpečí požáru a výbuchu CNG, LNG a LPG byla přijata řada techn. předpisů a norem specifikujících požadavky na techn. provedení tlakových lahví, palivových rozvodů a jejich bezpečnostních prvků, v neposlední řadě na jejich instalaci, revizi, viz např. [8]–[16]. Příklad umístění 2 tlakových lahví na CNG a jejich palivového rozvodu, viz obr. 1 a multifunkčního ventilu tlakové nádoby, viz obr. 2 níže.

1. Nebezpečí požáru a výbuchu motorových paliv CNG, LNG a LPG

Nebezpečí, která představují propan, butan, zemní plyn (metan), CNG a LPG, charakterizují jejich fyzikální a požárně-technické charakteristiky, viz následující tab. č. 4. Data jsou odvislá zejména od chem. složení, které kolísá podle zdroje/dodavatele. PTCH byly stanoveny AZL (akreditovanou zkušební laboratoří) s tímto složením vzorků (% obj.):

• Zemní plyn: metan (97,91), etan (0,765), propan (0,247), iso-butan (0,038), n-butan (0,047), iso-pentan (0,006), hexan (0,042), dusík (0,799), oxid uhličitý (0,133), sirovodík (0,003),
• Propan: propan (98,9), propen (0,06), n-butan (0,07), iso-butan (0,76), etan + inerty (0,21)
• n-Butan: n-butan (72,1), iso-butan (23,2), propan (2,1), buten (2,3), etan + inerty (0,1), pentan (0,2).

Vysvětlivka: ρ_kap.f. = hustota kapalné fáze (při teplotě bodu varu a tlaku 101,325 kPa), ρ_plynu = hustota plynu (při teplotě bodu varu a tlaku 101,325 kPa), T_VZN = teplota vznícení, DMV  = dolní mez výbušnosti, HMV = horní mez výbušnosti, MEBS = maximální bezpečná experimentální spára, (dp/dt)_max = maximální rychlost nárůstu tlaku, IPV = indukční perioda výbuchu, P_max = maximální výbuchový tlak, PEL = přípustný expoziční limit, NPK = nejvyšší přípustná koncentrace. Všechny tyto charakteristiky jsou stanovovány podle platných zkušebních norem, viz např. [20]–[23].

CNG je plněn do tlakových lahví pod tlakem do 200 bar. Je odorizován obvykle tetrahydrothio-fenem (0,0003 %) nebo terc.-butylmerkaptanem (0,0003 %).

LPG je směsí propanu a butanu. Zimní směs obsahuje cca 60 % propanu a 40 % butanu, letní směs cca 60 % butanu a 40 % pentanu s obsahem odorantu (viz CNG). Podrobné Informace pro nakládání s těmito plyny jsou uvedeny v bezpečnostních listech jejich výrobců/dovozců/prodejců včetně jejich složení a klasifikace podle nařízení CLP [19]. Vybrané technické parametry nádob na dotčená alternativní paliva, viz tab. č. 5.

Z tab. 4 je patrno, že zemní plyn a bioplyn (metan), propan a butan, a tím i jejich formy CNG, LNG a LPG jsou vysoce hořlavé a ve směsi se vzduchem v rozmezí jejich koncentračních mezí výbušnosti snadno zapalitelné a výbušné.

Obecně lze usuzovat následující možné scénáře příčin úniků z palivových nádrží motorových vozidel:

• únik paliva netěsnostmi potrubních rozvodů od palivových nádrží motorů,
• havárie vozidla s nárazem na pevnou překážku, nebo srážkou s jiným vozidlem atp, a následným únikem paliva např. po proražení otvoru do nádrže nebo rozbití celé nádrže,
• vozidlo zachvátí požár a jeho plameny nebo sálavé teplo působí na palivové nádrže. Zdrojem tohoto tepla může být též požár v sousedství tohoto vozidla.

Specifika prakticky možných scénářů požárů/výbuchů motorových vozidel s pohonem na:

• CNG:
  
  • unikající proud plynu z otvoru nádrže nebo netěsnosti potrubního palivového rozvodu po bezprostředním zapálení může hořet tryskovým požárem (turbulentním difusním plamenem). Pokud k zapálení dojde později, může nastat požár vzniklého oblaku nebo chemický výbuch,
  • pokud je působení požáru vzniklého uvnitř vozidla nebo požáru v těsném sousedství na palivovou nádrž tak silné, že její bezpečnostní tlakový ventil ji nestačí dostatečně odtlakovat, tato se může vzrůstem vnitřního přetlaku cca za 10 či více minut roztrhnout ve formě fyzikálního výbuchu, který provází vznik rázové vlny. Ta má spolu s odlétajícími fragmenty ničivé účinky na okolí,
  • výbuch mraku promísených hořlavých plynů ve vzduchu může mít charakter deflagrace, nebo pokud rychlost hoření překročí rychlost zvuku, může přejít v detonaci, která je pravděpodobnější v uzavřeném prostoru s překážkami a má vyšší výbuchový tlak s ničivými účinky na osoby a budovy.
• LNG:
  
  • pokud je palivová nádrž proražena nad hladinou zkapalněného plynu, začnou pod tlakem unikat její páry a vytvářet oblak v okolním ovzduší,
  • pokud je nádrž proražena pod hladinou zkapalněného plynu, začnou prudce unikat obě fáze (páry-kapalina). Kapalina klesá na povrch pod automobilem, kde se prudce vypařuje a začne vytvářet viditelný oblak par se vzduchem spolu s parami, které unikaly v plynné fázi (ochlazením vzduchu nastane kondenzace vodních par, vzniku mlhy). Po bezprostřední iniciaci opět může vzniknout tryskový požár, při pozdější iniciaci požár vzniklého mraku a kaluže nebo výbuch,
  • prasknutí celé nádrže působením požáru může vést k tzv. BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion) – výbuchu par expandujících z vařící se kapaliny. Provází ho též zapálení hořlavého oblaka, vznik tzv. ohňové koule a rázová vlna s odlétajícími fragmenty nádrže do oblaku v okolí. BLEVE může též nastat, když je vozidlo převrácené a z bezpečnostního tlakového ventilu nastane velký únik zkapalněného plynu. Aby BLEVE nastal, musí být kapalina zahřátá nad tzv. kritický stav plynu, viz následující tab. č. 6.
    
    

    Tab. 6 Kritický stav LNG a LPG

    Zkapalněný plyn	Kritický stav [°C]	Prac. teplota v nádrži [°C]
    LNG	−93	−162
    LPG	53	cca 15

• LPG:
  
  • možné scénáře a následky jsou obdobné jako u LNG. Úniky paliva též mohou vést k tryskovému požáru a požáru kaluže, vytvoření hořlavého nebo výbušného oblaku se vzduchem případně k BLEVE provázaném rázovou vlnou.

2. Dostupné techniky modelování požárů a výbuchů

Pro hodnocení rizik požárů a výbuchů je v současné době publikována řada modelů, viz např. [24]–[28]. Liší se rozsahem aplikací, přesností, cenou a náročností (CFD) a rozsahem vstupních parametrů. Počítačové modely CFD navazují na výpočetně jednodušší výpočty empirické. Lze je obecně členit na modely:

1. Empirické: jsou založeny na analýze experimentálních dat. V uživatelské praxi jsou hojně využívány:
   
   • TNT model ekvivalence,
   • TNO,
   • Metoda Baker – Strehlow,
   • Metoda více energetického přístupu,
   • Metoda odhadu (podle Sedgwick Energy Ltd).
2. Fenomenologické: jde o zjednodušené fyzikální modely výbuchu pod označením např.:
   
   • SCOPE (Shell Code for Over-pressure Prediction in gas explosion), verze 2 a 3,
   • CLICHE (Confined Linked Chamber Explosion).
3. CFD (Computational Fluid Dynamics) modely: jsou numerickým řešením diferenciálních rovnic, kterými jsou popsány dotčené procesy požáru nebo výbuchu: dynamika proudění tekutin a toku tepla a kouře na zvolené počítačové síti. Lze uvést např.:
   
   • FLACS (Flame Acceleration Simulator) s přesností výpočtu přetlaků výbuchových vln do 30 %.
     https://www.gexcon.com/products-services/flacs-software/,
   • FDS (Fire Dynamics Simulator). https://pages.nist.gov/fds/,
   • SMARTFIRE, verze 4.3 k simulaci požáru. https://fseg.gre.ac.uk/smartfire/,
   • FLUENT: k modelování proudění, turbulence, toku tepla, hoření, https://www.techsoft-eng.cz/software/ansys-fluent,
   • CFAST (Consolidated Fire and Smoke Transport model): zónový model. https://pages.nist.gov/cfast/index.html,
   • EXODUS: modelování evakuace osob při požáru a jeho možných účinků (tepelné sálání, kouř, toxicita zplodin hoření). https://fseg.gre.ac.uk/exodus/index.html.

Empirické modely jsou založené na korelacích realizovaných z experimentálních dat. Jejich aplikace pomocí SW Excel je velmi jednoduchá a rychlá.

Jako příklad lze uvést výpočet maximálního výbuchového tlaku (P_max), energie výbuchové vlny E a ekvivalentní hmotnosti TNT (m_TNT) při deflagraci oblaka zemního plynu (metanu) vzniklého po úniku metanu z kovové tlakové nádrže motorového vozidla uvnitř objektu.

Vstupní data:

• z nádrže teoreticky uniklo m_CH4 = 1 kg CH₄,
• adiabatická teplota plamene metanu T_ad,CH4 = 1173 °C,
• teplota okolí T_okolí = 25 °C,
• atmosférický tlak P_a = 101,3 kPa,
• spalné teplo metanu ΔH_sp,CH4 = 50 030 kJ/kg,
• účinnost výbuchu α = 1.

Výpočty:

Tlaková rázová vlna o velikosti výpočtem odhadnutého P_max by zřejmě způsobila destrukci celého objektu. Proto musí např. parkování vozidel na plynná paliva vyhovět požadavkům platných předpisů, viz např. [29]–[35].

3. Statistika požárů motorových vozidel na plynná paliva

Jak se projevilo výše popsané nebezpečí motorových vozidel na CNG, LNG a LPG provozovaných v ČR ve statistice příčin jejich požárů/výbuchů dokládá následující tab. 7.

Z výše uvedené statistiky je patrno, že ani v jednom případě požáry osobních a nákladních automobilů a autobusů na plynná paliva v ČR překvapivě nevyústily ve výbuch. Z toho lze mj. usuzovat, že certifikované nádrže/tlakové nádoby na CNG, LNG, LPG, jejich bezpečnostní prvky a rozvody paliva jsou dobře chráněny před poškozením a mají konstrukční parametry schopné odolávat do určité míry nárazům a působení tepelného namáhání. Musí však absolvovat v předepsaných termínech pravidelné povinné revize a kontroly celého palivového systému.

Závěr

Je nutno zdůraznit, že plánovaný růst počtu vozidel na AP a z toho vyplývající i růst jejich nehodovosti v EU a ČR musí provázet mj. potřebná znalost nebezpečí, které představují AP ve vozidlech svými vlastnostmi a dále možných scénářů vzniku požáru/výbuchu a jejich následků při přepravě, skladování, tankování AP a provozu vozidlech vč. jejich garážování. Nutno nadále upřesňovat dotčené platné předpisy a normy z hlediska bezpečnosti vozidel na AP, nejlépe jako výsledek aplikovaného výzkumu a vývoje.

Použitá literatura

1. EC White Paper. Road map to Single European Transport Area: 2011.
2. European Emission Standard EURO 6.2: 2018.
3. State of Art on Alternative Fuels Transport Systems in the EU. European Commission: 2020.
4. Usnesení vlády ČR č. 563 ze dne 11. 5. 2005 k Programu podpory alternativních paliv v dopravě – ZP.
5. Zák. č. 152/2017 Sb., kterým se mění zák. č. 311/2006 Sb., o pohonných hmotách a čerpacích stanicích PHM
6. Národní program – Životní prostředí – výzva č. 11/2018 Ekomobilita.
7. https://www.skoda-auto.cz/servis-a-prislusenstvi/navody-k-obsluze.
8. Předpis EHK OSN č. 110: 2015 : Jednotná ustanovení pro schvalování součástí motorových vozidel na CNG a/nebo LNG.
9. IČSN EN 589:2019 Motorová paliva – LPG – Technické požadavky a metody zkoušení.
10. ČSN 65 6517:2009 Motorová paliva – Stlačený zemní plyn – Technické požadavky a metody zkoušení.
11. ČSN EN 13423:2001 Provozování vozidel na stlačený zemní plyn.
12. TPG 403 01:1993 Použití propan – butanu (LPG) k pohonu motorových vozidel.
13. ČSN EN ISO 11 439:2014 Láhve na plyny – vysokotlaké láhve na zemní plyn používaný jako palivo v motorových vozidlech.
14. ČSN ISO 19 078: 2015 Láhve na plyny – Kontrola isolace láhve a revize VT lahví nainstalovaných ve vozidlech pro uložení ZP užívaného jako palivo v motorových vozidlech.
15. TPG 609 02 Regulátory na plynou fázi LPG
16. TPG 905 02 Základní požadavky na bezpečnost provozu plynových zařízení na LPG.
17. https://www.mskec.cz/data/blob/services-application_pdf-20190603024607-6684-informacni-material-3-2019-37.pdf
18. https://www.cng4you.cz/cs/download/bezpecnost/bezpecnost-cng-vozidel.pdf
19. Nařízení Evropského parlamentu a Rady (ES) č. 1272/2008 o klasifikaci, označování a balení látek a směsí v platném znění.
20. ČSN EN 1127-1 ED2: 2012. Výbušná prostředí – Zamezení a ochrana proti výbuchu – Část 1: Základní pojmy a metodologie.
21. ČSN EN 15967: 2012. Stanovení maximálního výbuchového tlaku a maximální rychlosti výbuchového tlaku plynů a par.
22. ČSN EN 60019-20-1:2010. Výbušné atmosféry – Část 20-1: Materiálové vlastnosti pro klasifikaci plynů a par – Zkušební metody a data.
23. ČSN EN 1839, ed. 2: 2017. Stanovení mezí výbušnosti a mezní koncentrace kyslíku pro hořlavé plyny a páry.
24. Guidelines for Chemical Process Quantitative Risk Analysis. N. York, USA CPS – American Institute of Chemical Engineering, 2000.
25. SFPE Handbook of Fire Protection Engineering.
26. A Guidance Manual for Modelling Hypothetical Accidental Release to the Atmosphere. American Petroleum Institute, Washington, 1996.
27. DVOŘÁK, O. a kol.: Vývoj a validace požárních modelů pro stanovení vývinu a šíření tepla, kouře, toxických plynů a tlakových vln pro simulace a interpretace scénářů požárů/výbuchů a jejich ničivých účinků. DVZ výzkumného projektu č. VD20062010A07. Praha: MV-GŘ HZS ČR-TÚPO, 2009.
28. DVOŘÁK, O.: Výpočetní odhady velikosti havarijních úniků plynů a kapalin, TZB-info, 9. 3. 2020
    (www.tzb-info.cz/pozarni-bezpecnost-staveb/20328-vypocetni-odhady-velikosti-havarijnich-uniku-plynu-a-kapalin)
29. ČSN EN 1991-1-7:2007. Euro kód 1: Zatížení konstrukcí – Část 1-7: Obecná zatížení – Mimořádná zatížení. ČNI.
30. ČSN EN 1991-1-4:2007. Euro kód 1: Zatížení konstrukcí – Část 1-4: Zatížení zásobníků a nádrží. ČNI.
31. ČERNÍN, M. a kol.: Příručka proti výbuchové ochrany staveb. Nakladatelství ČVUT v Praze, 2008.
32. Vyhl. č. 268/2011 Sb., kterou se mění vyhl. č. 23/2008 Sb., o technických podmínkách požární ochrany budov.
33. ČSN 73 6058:2011 Jednotlivé, řadové a hromadné garáže.
34. ČSN 73 0804:2015 Změna Z2 – Požární bezpečnost staveb – Nevýrobní objekty.
35. TPG 982 01:2013 Vybavení garáží a jiných prostor pro motorová vozidla na s pohonným systémem CNG.
36. NEDÉLNÍKOVÁ, H.: Požáry dopravních prostředků na plynná paliva v ČR (výtah ze statistiky požárů), MV – GŘ HZS ČR, 2020.