Rischi di incendio nei veicoli a idrogeno e strategie di sicurezza
Il settore automobilistico sta vivendo una trasformazione epocale, guidata dalla crescente necessità di ridurre le emissioni di carbonio e di abbandonare i combustibili fossili. In questo contesto, i veicoli a cella a combustibile di idrogeno (HFCV, acronimo di Hydrogen Fuel Cell Vehicles) si stanno affermando come una delle soluzioni più promettenti per una mobilità sostenibile. Grazie alle loro emissioni zero, all’alta efficienza energetica e ai tempi di rifornimento rapidi, gli HFCV sono sempre più utilizzati nel trasporto pubblico, nelle flotte commerciali e nei veicoli privati.
Tuttavia, parallelamente ai benefici ambientali, emergono nuove sfide in termini di sicurezza, soprattutto in caso di incidenti o incendi. Una recente ricerca condotta da Zhang Jiakai e Liu Zhenghao del Corpo dei Vigili del Fuoco e di Soccorso del Distretto di Haiyan, a Jiaxing, Zhejiang, analizza in profondità i rischi specifici legati ai sistemi di stoccaggio dell’idrogeno ad alta pressione nei veicoli elettrici e propone protocolli operativi fondamentali per le squadre di emergenza.
Pubblicato sulla rivista Oggi Vigili del Fuoco, lo studio offre un’analisi completa della tecnologia di stoccaggio dell’idrogeno, identifica i punti critici di rottura sotto stress termico e delinea strategie di intervento pratiche basate su dati di simulazione reali. Con l’adozione degli HFCV in costante crescita in Cina e in tutto il mondo, questo lavoro diventa un riferimento essenziale per i corpi dei vigili del fuoco, i produttori automobilistici e le autorità di sicurezza.
Veicoli a cella a combustibile: la nuova frontiera della mobilità
Gli HFCV rappresentano un balzo in avanti significativo nell’ingegneria automobilistica. A differenza dei veicoli a motore a combustione interna che bruciano benzina o gasolio, gli HFCV generano elettricità attraverso una reazione elettrochimica tra idrogeno e ossigeno all’interno di una pila a combustibile. L’unico sottoprodotto di questo processo è il vapore acqueo, rendendo questi veicoli effettivamente a zero emissioni al tubo di scappamento. Inoltre, funzionano in modo più silenzioso rispetto ai motori tradizionali e offrono autonomie paragonabili a quelle delle auto a benzina, con tempi di rifornimento molto più rapidi rispetto ai veicoli elettrici a batteria.
I componenti principali di un HFCV includono un serbatoio di stoccaggio dell’idrogeno ad alta pressione, una pila a combustibile, un sistema di controllo della potenza, un motore elettrico e spesso una piccola batteria agli ioni di litio per il recupero dell’energia in frenata. L’idrogeno è immagazzinato a bordo in forma compressa, tipicamente a pressioni di 35 MPa (megapascal), con alcuni modelli avanzati che utilizzano serbatoi a 70 MPa per aumentare la densità di stoccaggio. Questi serbatoi sono generalmente realizzati in compositi di fibra di carbonio rinforzata (CFRP) avvolti attorno a un liner metallico, progettati per resistere a pressioni estreme mantenendo un peso leggero.
Nonostante la loro sofisticazione tecnologica, gli HFCV introducono nuovi pericoli di incendio che differiscono fondamentalmente da quelli dei veicoli a benzina o degli incendi causati da batterie agli ioni di litio. Mentre gli incendi tradizionali coinvolgono liquidi infiammabili e cortocircuiti elettrici, gli incendi negli HFCV ruotano attorno al comportamento del gas idrogeno ad alta pressione in condizioni estreme come collisioni, surriscaldamento o danni meccanici.
Rischi di incendio unici nei sistemi di stoccaggio dell’idrogeno
Uno degli aspetti più critici della sicurezza degli HFCV è l’integrità del sistema di stoccaggio dell’idrogeno ad alta pressione. Secondo lo studio, le proprietà fisiche e chimiche dell’idrogeno—la sua bassa energia di accensione, la vasta gamma di infiammabilità (dal 4% al 75,6% in aria), la velocità di propagazione della fiamma, e l’invisibilità della fiamma quando brucia—lo rendono particolarmente difficile da gestire in caso di emergenza.
I ricercatori identificano tre principali scenari di rischio associati agli incendi degli HFCV: la fuoriuscita e la dispersione dell’idrogeno, gli incendi a getto causati dai dispositivi di sfiato della pressione e la rottura catastrofica del serbatoio che può portare a esplosioni fisiche o chimiche.
La fragilità da idrogeno e le perdite nel sistema
Le molecole di idrogeno sono le più piccole dell’universo, il che consente loro di penetrare attraverso difetti microscopici nelle tubazioni metalliche e nei componenti di stoccaggio. Sotto alta pressione e temperature elevate, gli atomi di idrogeno possono diffondersi nella struttura cristallina dell’acciaio e di altre leghe, causando un fenomeno noto come “fragilità da idrogeno”. Questo indebolisce il materiale, riducendone la duttilità e la resistenza a trazione, e può portare a microfessurazioni, pitting o rotture improvvise.
Nel contesto di un incendio su un HFCV, se le fiamme provenienti da un’altra parte del veicolo—come dal sistema elettrico o dall’abitacolo—si diffondono vicino all’area di stoccaggio dell’idrogeno, il calore intenso può accelerare la diffusione dell’idrogeno nel liner metallico del serbatoio o nelle valvole di collegamento. Nel tempo, ciò compromette l’integrità strutturale, potenzialmente causando perdite anche prima che il serbatoio raggiunga livelli critici di pressione.
Inoltre, la fuoriuscita ad alta velocità di idrogeno da una perdita può generare elettricità statica a causa dell’attrito con le superfici circostanti. Se i sistemi di messa a terra sono difettosi o assenti, questa carica statica può innescare una scintilla e accendere il gas in fuga, innescando un incendio o un’esplosione. Lo studio sottolinea che una corretta messa a terra elettrica di tutti i componenti che trasportano idrogeno è essenziale per prevenire tali fonti di accensione.
Ammorbidimento della matrice CFRP sotto esposizione termica
Un’altra vulnerabilità critica risiede nel rivestimento composito del serbatoio dell’idrogeno. Mentre il CFRP offre un’eccellente rapporto resistenza-peso e resistenza alla corrosione, ha un limite significativo: la degradazione termica. Quando esposto a temperature superiori ai 300°C, la matrice polimerica inizia ad ammorbidirsi e a perdere la sua coesione strutturale. In un incendio su larga scala di un veicolo, le temperature nell’abitacolo possono raggiungere i 900°C entro 30 minuti, specialmente in spazi chiusi dove il calore si accumula.
Anche se le fiamme non toccano direttamente il serbatoio dell’idrogeno, il calore radiante dai materiali in fiamme vicini può aumentare la temperatura ambiente locale abbastanza da compromettere lo strato CFRP. Una volta che il rivestimento composito si indebolisce, la pressione interna non può più essere contenuta, portando a una fuoriuscita di gas. Questo meccanismo di danno termico indiretto è particolarmente pericoloso perché può verificarsi senza segni visibili fino a quando il guasto è imminente.
Incendi a getto dai dispositivi di sfiato termico della pressione
Per prevenire la sovrapressione e la rottura catastrofica, i serbatoi dell’idrogeno degli HFCV sono dotati di un dispositivo di sfiato della pressione termica (TPRD), tipicamente posizionato sulla testa della valvola. Questo meccanismo di sicurezza è progettato per attivarsi quando la temperatura circostante raggiunge circa 109°C ± 5°C. A questo punto, un fusibile fonde, aprendo una porta di scarico che rilascia il gas idrogeno nell’atmosfera.
Sebbene questa caratteristica sia destinata a proteggere il serbatoio da scoppi, introduce un nuovo pericolo: il rilascio ad alta pressione di idrogeno può accendersi immediatamente al contatto con una fiamma o una superficie calda, creando un incendio a getto ad alta velocità. A seconda della pressione del serbatoio e delle dimensioni dell’orifizio, queste fiamme possono estendersi per diversi metri—fino a 5,2 metri nel caso di un serbatoio a 35 MPa con un diametro di sfiato di 4,2 mm.
Ciò che rende gli incendi a getto particolarmente pericolosi è la loro direzionalità e intensità. La fiamma si proietta tipicamente in un arco di 120 gradi dall’uscita del TPRD, creando una zona letale che può inghiottire personale e attrezzature vicini. Inoltre, poiché l’idrogeno brucia con una fiamma quasi invisibile di colore blu pallido alla luce del giorno, i pompieri potrebbero non riconoscere la presenza dell’incendio fino a quando non sono troppo vicini, aumentando il rischio di ustioni gravi o ferite fatali.
Esplosioni fisiche e chimiche dalla rottura del serbatoio
Se il TPRD si rompe—a causa di difetti di produzione, ostruzioni o distorsione termica estrema—il serbatoio rimane pressurizzato anche mentre il calore esterno continua ad aumentare la pressione interna. Quando la pressione supera il limite di progetto del serbatoio di circa il 20%, il recipiente può subire un’improvvisa rottura strutturale, causando un’esplosione fisica.
Questo tipo di rottura rilascia un grande volume di idrogeno compresso quasi istantaneamente. Se il gas si mescola con l’aria entro il suo intervallo infiammabile e incontra una fonte di accensione—come fiamme residue, detriti caldi o scintille elettriche—può innescare una secondaria esplosione chimica, nota anche come deflagrazione o detonazione. Tali eventi rilasciano un’enorme quantità di energia, in grado di causare danni da onda d’urto, proiezione di schegge e diffusione dell’incendio su vasta scala.
I ricercatori sottolineano che, sebbene i serbatoi moderni per l’idrogeno siano sottoposti a test rigorosi e siano generalmente robusti, le condizioni degli incidenti reali—compresi lunghi periodi di esposizione al fuoco, danni da impatto o manutenzione impropria—possono degradare le prestazioni e aumentare la probabilità di tali guasti.
Zone di sicurezza strategiche per l’intervento di emergenza
Data la natura complessa e dinamica degli incendi sugli HFCV, lo studio propone un approccio strutturato all’intervento di emergenza basato sulla zonizzazione del rischio spaziale. Partendo dai dati sperimentali sugli effetti della rottura del serbatoio, gli autori definiscono quattro distinte zone di sicurezza attorno al veicolo incidente:
La prima è la zona letale, che si estende fino a 10 metri dal veicolo. L’ingresso in questa area è rigorosamente vietato a causa dell’elevata probabilità di mortalità a causa della sovrapressione, dei detriti volanti o dell’esposizione diretta alla fiamma. Anche una breve presenza in questa zona durante lo sfiato attivo o lo sviluppo dell’incendio comporta un rischio inaccettabile.
Oltre i 10 metri si trova la zona a rischio di ferite, dove il personale può operare solo sotto rigide limitazioni di tempo e misure protettive. Questa area è particolarmente pericolosa quando sono attivi incendi a getto o quando c’è il rischio di rottura improvvisa del serbatoio. I pompieri incaricati di schierare cannoni idrici o valutare lo stato del veicolo devono completare le loro azioni rapidamente e ritirarsi immediatamente in zone più sicure.
A distanze superiori a 120 metri dal veicolo, viene stabilita la zona di controllo operativo. Questa è l’area principale di schieramento per le squadre dei vigili del fuoco, il personale di comando, gli addetti alla sicurezza e le unità di supporto. Qui dovrebbero essere posizionati il deposito delle attrezzature, il parcheggio dei veicoli e le stazioni mediche di emergenza. Sebbene non completamente priva di rischi, questa zona consente operazioni coordinate con margini di sicurezza accettabili.
Infine, oltre i 180 metri, si trova la zona di sicurezza perimetrale, riservata al personale non essenziale come forze dell’ordine, squadre mediche e spettatori. L’accesso del pubblico deve essere limitato oltre questo confine per prevenire l’esposizione accidentale e garantire operazioni di emergenza senza ostacoli.
Queste zone non sono fisse, ma devono essere adattate in base al tipo di veicolo, alla configurazione del serbatoio, alle condizioni ambientali e ai pericoli osservati. Ad esempio, gli autobus spesso montano i serbatoi dell’idrogeno sul tetto, dirigendo potenzialmente le fiamme a getto verso l’alto, mentre i camion da carico possono avere serbatoi montati posteriormente che proiettano fiamme orizzontalmente. Le piccole auto, che tipicamente alloggiano i serbatoi nella parte posteriore del bagagliaio, creano spazi di combustione più confinati, aumentando il rischio di accumulo di pressione ed esplosione.
Approcci tattici per gli interventi sugli HFCV
Sulla base della loro analisi, i ricercatori raccomandano specifiche risposte tattiche adattate a diversi modi di guasto.
Per incidenti che coinvolgono fuoriuscita di idrogeno senza accensione, la priorità è prevenire la combustione. I soccorritori dovrebbero avvicinarsi dal lato sottovento per evitare di entrare nella nube invisibile di idrogeno. I veicoli dovrebbero fermarsi a almeno 120 metri di distanza, e le posizioni di attacco dovrebbero essere impostate al di fuori dell’arco di 120 gradi dell’incendio a getto. Si raccomandano lance nebulizzanti ad alta pressione per disperdere e diluire il gas in fuga, poiché la nebbia d’acqua aiuta a ridurre la concentrazione di idrogeno al di sotto del limite esplosivo inferiore. Si devono evitare getti d’acqua diretti, poiché possono generare elettricità statica e innescare l’accensione.
Nei casi in cui un incendio a getto è già presente, non è generalmente consigliato tentare di spegnerlo direttamente. Gli incendi a getto di idrogeno sono sostenuti da un flusso continuo di gas, e il tentativo di soffocare la fiamma potrebbe portare all’accumulo di gas non bruciato, creando un pericolo di esplosione più grande. Invece, l’attenzione dovrebbe essere rivolta al raffreddamento delle strutture adiacenti e alla protezione delle aree esposte. Si possono schierare tende o barriere di nebbia d’acqua per proteggere veicoli, edifici o occupanti intrappolati nelle vicinanze. Se è necessario un salvataggio di persone, le squadre dovrebbero avanzare utilizzando protezioni termiche e mantenere una chiara via di fuga perpendicolare alla direzione della fiamma.
Quando c’è evidenza di un incendio esterno che colpisce un serbatoio dell’idrogeno e il TPRD sembra non funzionare, il raffreddamento immediato diventa critico. Cannoni idrici autonomi o monitori a distanza dovrebbero essere posizionati sottovento a una distanza di sicurezza per applicare uno spruzzo continuo di acqua sulla superficie del serbatoio. L’obiettivo è assorbire il calore e impedire che la pressione interna aumenti fino ai livelli di rottura. L’intervento manuale vicino al serbatoio dovrebbe essere evitato in ogni circostanza.
Per ambienti chiusi come garage sotterranei, tunnel o compartimenti navali, i rischi sono significativamente amplificati. La leggerezza dell’idrogeno di solito gli permette di salire e disperdersi all’aria aperta, ma in spazi confinati può accumularsi vicino al soffitto, formando miscele esplosive. I sistemi di ventilazione dovrebbero essere attivati se sicuro farlo, e potrebbero essere necessarie misure di soppressione dell’esplosione. L’evacuazione di tutto il personale dalla zona interessata è fondamentale fino a quando i livelli di gas non sono confermati sicuri.
Design del veicolo e miglioramenti futuri della sicurezza
Lo studio evidenzia anche l’importanza dell’ingegneria del veicolo nella mitigazione dei rischi di incendio. I design attuali degli HFCV variano ampiamente nella posizione e nella protezione dei serbatoi. Alcuni produttori integrano scudi resistenti agli impatti attorno al serbatoio, mentre altri utilizzano strati di isolamento termico per ritardare il trasferimento di calore. Miglioramenti futuri potrebbero includere sensori intelligenti che monitorano in tempo reale pressione, temperatura e salute strutturale del serbatoio, trasmettendo avvisi ai servizi di emergenza durante gli incidenti.
Inoltre, lo sviluppo dello stoccaggio dell’idrogeno allo stato solido—sebbene ancora in fase sperimentale—potrebbe rivoluzionare la sicurezza eliminando completamente il gas ad alta pressione. Materiali come gli idruri metallici o le strutture porose possono assorbire l’idrogeno a pressioni molto più basse, riducendo il rischio di rilascio violento. Sebbene queste tecnologie affrontino sfide in termini di peso, costo e velocità di rifornimento, rappresentano una promettente soluzione a lungo termine.
Formazione e preparazione per i vigili del fuoco
Forse il bisogno più urgente identificato nella ricerca è la mancanza di formazione standardizzata per i vigili del fuoco che affrontano incidenti con HFCV. A differenza degli incendi di veicoli tradizionali, che seguono protocolli ben consolidati, le emergenze legate all’idrogeno richiedono conoscenze e precauzioni specializzate. Gli autori chiedono l’integrazione nazionale di moduli di sicurezza HFCV nei programmi di certificazione dei vigili del fuoco, inclusi esercitazioni pratiche con veicoli dismessi, simulazioni in realtà virtuale e collaborazione con i produttori automobilistici.
Raccomandano inoltre che tutti gli HFCV abbiano marcatori di identificazione standardizzati che indichino la posizione e la pressione nominale dei serbatoi dell’idrogeno, simili alle targhette dei materiali pericolosi. I soccorritori di emergenza dovrebbero essere in grado di identificare rapidamente questi simboli e accedere a schede di salvataggio digitali tramite codici QR sul veicolo, fornendo informazioni istantanee sulle procedure di spegnimento, sulle posizioni di sfiato e sugli angoli di avvicinamento sicuri.
Le campagne di sensibilizzazione del pubblico sono altrettanto importanti. I conducenti e i passeggeri devono comprendere le caratteristiche di sicurezza di base degli HFCV, come le valvole di chiusura automatica e i sistemi di ventilazione di emergenza. In caso di collisione, gli occupanti dovrebbero evacuare prontamente e mantenere una distanza di sicurezza, proprio come farebbero con qualsiasi veicolo pericoloso.
Conclusione
Mentre la mobilità alimentata a idrogeno passa dalla fase di prototipo a quella mainstream, garantire la sicurezza antincendio deve rimanere una priorità assoluta. La ricerca di Zhang Jiakai e Liu Zhenghao fornisce una base cruciale per comprendere i rischi unici posti dai sistemi di stoccaggio dell’idrogeno ad alta pressione nei veicoli elettrici. Identificando meccanismi di guasto come la fragilità da idrogeno, la degradazione del CFRP, gli incendi a getto e la rottura del serbatoio, e proponendo linee guida operative chiare per l’intervento di emergenza, lo studio colma un vuoto critico nella dottrina dei vigili del fuoco attuale.
Il modello di zonizzazione della sicurezza proposto e le raccomandazioni tattiche offrono strumenti pratici per i corpi dei vigili del fuoco che si preparano alla prossima generazione di incendi su veicoli. Con l’aumento dell’adozione degli HFCV, la collaborazione continua tra ricercatori, produttori e servizi di emergenza sarà essenziale per perfezionare questi protocolli e adattarli alle tecnologie in evoluzione. Con la preparazione adeguata, la promessa di una mobilità pulita ed efficiente basata sull’idrogeno può essere realizzata senza compromettere la sicurezza pubblica.
Zhang Jiakai, Liu Zhenghao, Corpo dei Vigili del Fuoco e di Soccorso del Distretto di Haiyan, Jiaxing, Zhejiang; Oggi Vigili del Fuoco; DOI: 10.1227/2096-1227(2024)06-0001-04