Elbiler og generelle utfordringer ved litiumbatterier Sjefingeniør Jostein Ween Grav Avdeling for elsikkerhet ELBILER OG GENERELLE UTFORDRINGER VED LITIUMBATTERIER Sjefingeniør Jostein Ween Grav Enhet for elektriske anlegg (ELA) Avdeling for elsikkerhet Direktoratet for samfunnssikkerhet og beredskap 2 Oversikt 1. Nasjonal elsikkerhetsmyndighet 2. Utvikling av elbiler i Norge 3. Batteriteknologier og litiumceller 4. Hendelser og farer litiumceller 5. Tiltak og løsninger 22. mai 2015 3 1. NASJONAL ELSIKKERHETSMYNDIGHET 4 DSB - AVDELING FOR ELSIKKERHET  Nasjonal elsikkerhetsmyndighet  Forvaltningsmyndighet med hjemmel i: – Lov om tilsyn med elektriske anlegg og elektrisk utstyr  §1: Omfatter alle elektriske anlegg og alt elektrisk utstyr (unntak: radio-kommunikasjon)  §2 Elektriske anlegg skal – prosjekteres, utføres, drives, vedlikeholdes og kontrolleres slik at de ikke frembyr fare for liv, helse og materielle verdier. 5 Et trygt og robust samfunn der alle tar ansvar Forskrifter     Forskrift om elektriske lavspenningsanlegg (fel) Forskrift om maskiner (fm) Forskrift om elektrisk utstyr (feu) Produktkontroll-loven  Forskrift om elektroforetak og kvalifikasjonskrav knyttet til arbeid på elektrisk anlegg og elektrisk utstyr (fek)  Forskrift om sikkerhet ved arbeid i elektriske anlegg (fse)  Internkontrollforskriften (ik) Et trygt og robust samfunn 6 der alle tar ansvar Forvaltningsmyndigheter ELBIL DSB ansvar for elsikkerhet frem til kontakten i bilen Vegdirektoratet (SVV) ansvar for sikkerhet i selve bilen MEN: Når bilen står til lading blir den i praksis elektrisk utstyr tilkoblet en lavspenningsinstallasjon: 1. Feil ved lading kan medføre – Brann og eksplosjon i batteri 2. Elektriske feil i bilen kan gi alvorlige – – Farlig feilfunksjon i elektrisk installasjon Elektrisk sjokk – Arbeid på elbil kan være livsfarlig 7 Samarbeid DSB og SVV DSB – Nasjonal elsikkerhetsmyndighet  Samarbeid mellom DSB og Vegdirektoratet etablert i 2011 2. UTVIKLING ELBIL NORGE 9 EL-BIL Utvikling 2000: Think 10 EL-BIL Utvikling 2009: Mitsubishi MiEV 2011: Nissan Leaf 11 EL-BIL Utvikling 2013: Tesla-S model 12 EL-BIL Utvikling 2014: Golf eUP 13 2014: BMW i3 Vegmyndighetenes miljøsatsning: 200.000 elbiler i 2020 • 2012: 7.000 elbiler • 2015 april: >50.000 elbiler Øker eksponentielt fra 2014 – Statistikk fra grønnbil.no 14 Hva er spesielt med elbil? • Hjulene drives av en effektiv elektromotor – Utnytter rundt 95% av energien i batteriet – Energi tilbakeføres til batteri ved bremsing • Benytter Li-Ion batterier som energilager – Effekt opp til 100 kWt = 100 varmeovner på fullt i en time – Spenning opp til 900 V 15 Illustrasjon: Møller / VW Hva er spesielt med PLUGIN HYBRID Plug-in Hybrid Elbil: • Elbil med bensinmotor som rekkevidde-forlenger • 16 Eksempler • Opel Ampera • Toyota Prius / Avensis • WV Golf • Mitshubishi • Volvo Illustrasjon: Møller / VW 3. BATTERITEKNOLOGIER OG LITIUMCELLER 17 PRIMÆR OG SEKUNDÆRBATTERIER Primærbatterier: • Engangsbatterier (typisk knappceller) • Litiumceller: Fritt litiummetall Sekundærbatterier: • Ladbare batterier (dedikert for utstyr – mobil, pc) • Litium-Ion celler: Bundet litium • Mange varianter 18 EGENSKAPER Litium-Ion batterier – Høy energitetthet – lang tid før utladet (Tesla: 85kWh) – Høy effekt – enorm strøm ved kortslutning (50.000 A) – – – – Lukket celle – kan eksplodere – utkasting Organisk elektrolytt – brenner Elektrolytt inneholder fluorforbindelser – gir flussyre Oksygen kan frigis ved oppvarming (avh. batteritype) – Thermal runaway ved temp over 150 °C ! 19 "THERMAL RUNAWAY" Inntreffer når indre temperatur overstiger 150 °C Årsak: 1. Indre kortslutning i batteriet som følge av – Fysisk påført skade – Produksjonsfeil – Varme– isolasjon smelter 2. Overlading 3. Dyputladning 4. For mange fulle ladesykluser 20 Energitetthet batterier 21 Energitetthet 22 Litium-Ion batteriteknologier  Litium-Kobolt-Aluminium NCA: – 300 kWh/kg og "TRA" ved 150°C (Tesla, VW E-Golf)  Lithium-Mangan-Oksyd LMO: – 150 kWh/kg og "TRA" ved 250°C – men avgir ¨både oksygen og fluor (Nissan Leaf)  Lithium-Titanat LTO: – 80 kWh/kg – meget høy sikkerhet (Mitshubishi MiEV)  Lithium-iron oxide: Sikkert batteri men ulemper TRA = Thermal Runaway 23 Batterikonfigurasjoner 24 Sylindriske celler (runde) 25 Prismatiske celler (firkantet) 26 Pose celler – (myke – plastpose – eser) 27 Nissan LEAF 1 28 Tesla S modell 29 Dreamliner Boeing 787 1 30 4. HENDELSER OG FARER LITIUMCELLER 31 Brann ved lading 32 Brann i litium primærbatteri under transport 33 Litium batterier brenner • Litium-batterier kortsluttet under test og utviklet sterkt irriterende røyk • 26 ansatte sent til sykehus for sjekk 34 REVAC brannen i RE Gjenvinning av plast. Anlegget som brant I 2014 inneholdt: • 1.250t EE avfall • 62t metall • 312 kg batterier Ikke nok vann for slukking For lite skum Ble tilført varme fra "innsiden" Vanskelig innsats 35 Brann i TESLA batterier etter crash i L.A. Link til video av TESLA S model som brenner etter voldsom crash: https://www.youtube.com/watch?v=kE_u731EmYA – Observér utkast av brennende deler. – Teslabatteriet består av 7100 cylindirske Li-Ion celler. 36 DREAMLINER - Boing 787 1 37 1 38 1 39 1 40 5. TILTAK LØSNINGER 41 Tiltak - løsninger 42 Tiltak - løsninger 1 43 1 44 US National Fire Protection Association NFPA Report: Emergency Response to Incident involving EV Battery Hazards: http://www.nfpa.org/research/fire-protection-research-foundation/reports-andproceedings/electrical-safety/new-technologies-and-electrical-safety/emergencyresponse-to-incident-involving-electric-vehicle-battery-hazards 45 US National Fire Protection Association Rapporten viser til følgende resultater EL-bilbrann: • Forsøk viser tid for slukking fra 6 – 49 minutter • Opp til 10.000 liter vann nødvendig for nedkjøling for å hindre Thermal Runaway og videre brann • Reantenning etter 22 timer • Røykdykkerutstyr nødvendig – svært giftige gasser (fluorforbindelser). • Luftflasker må skiftes flere ganger under innsats 46 Batteriretur – EL-BIL BATTERIER Har startet retur-ordning av Li-Ion EL-BIL batterier i Sandefjord: https://www.youtube.com/watch?v=BjE3l6uH5U4&feature=youtu.be 47 Fremtiden? – Energilager solkraft: • Tesla lanserer "PowerWall" – Distribusjonsnettet for svakt: • Bilfergen "Ampere" lades via store batteribanker ved kai – Lansering av batteribanker: • http://alevo.com/gridbank/wh at-is-a-gridbank/ – Batteriteknologi utvikles – mer energitetthet – Sikrere batterier. Men de store talls lov gjelder ……… 48 www.dsb.no 49 Direktoratet for samfunnssikkerhet og beredskap www.dsb.no