Explosion en milieu confiné des batteries électriques

Le second objectif est de réduire les conséquences sur les personnes et les infrastructures en cas d’explosion. En effet, les chargements induits par ces explosions peuvent provoquer l’effondrement partiel ou total d’infrastructures.

Incendies et/ou explosions ?

Si les risques liés aux batteries électriques ont été étudiés depuis plus de dix ans, c’est l’aléa incendie qui a majoritairement été décrit, avec des directives claires pour la conduite des opérations de secours en fonction de la nature de l’électrolyte. En milieu confiné, ces incendies sont assez voisins de ceux qui peuvent toucher les véhicules thermiques.

En revanche, l’aléa explosion, bien qu’identifié dans les différentes études, n’est pas aussi bien caractérisé et ne fait l’objet d’aucune mesure spécifique (à l’exception de l’éloignement). Le terme source peut être varié (fumées chaudes « classiques », fumées blanches « froides » au niveau du sol), de même que l’événement déclencheur (souvent un incendie, mais parfois un démarrage qui semble « spontané »). On note que ce phénomène, assez rare, est cependant très vulnérant, y compris pour les batteries de faible capacité.

Comme pour toute explosion, l’aléa en milieu confiné est bien plus dangereux qu’en champ libre :

• les zones de danger sont plus étendues dans un environnement « bidimensionnel » (ruelle, parking souterrain), et pire encore en milieu « monodimensionnel » (tunnel, couloir…) ;
• les réflexions multiples de l’onde de choc conduisent à des sollicitations complexes pour lesquelles les modèles de conséquences sont souvent inopérants, ce qui nécessite des études poussées pour déterminer les effets réels sur les structures, les équipements et les personnes ;
• le phénomène de pression quasi statique, causé par l’échauffement des gaz présents dans le milieu confiné sous l’effet des réactions exothermiques, est également un phénomène très vulnérant, qui dépend pour une explosion donnée du ratio entre la masse de la charge et le volume de la pièce. Ce phénomène sera donc exacerbé dans les milieux de faible volume, comme les garages particuliers.

Ce projet se focalisera principalement sur les batteries de véhicules électriques ; sans négliger les batteries de moindre capacité, en particulier utilisées dans les mobilités douces (vélo à assistance électrique, trottinettes, etc.). En effet, ces batteries sont majoritairement rechargées dans des locaux professionnels confinés ou au domicile et sont également susceptibles de causer des aléas de type incendie et explosion.

Expérimentations à deux échelles

Certains mélanges de gaz (« fumées chaudes » ou « fumées froides » - gaz denses) dégagés par les batteries électriques sous l’effet de différents phénomènes sont susceptibles d’être initiés par une source d’énergie et de transiter vers une déflagration et dans certains cas une détonation.

L’objectif des expérimentations est dans un premier temps d’identifier le « terme source » caractéristique de l’aléa explosion à partir de données de la littérature et de calculs thermochimiques. Ces expérimentations, menées à deux échelles distinctes, sont désormais terminées et leurs résultats se révèlent cohérents entre eux, ce qui valide la robustesse de la démarche scientifique.

À échelle 1/2, les essais ont été conduits dans une structure de 30 m × 6 m × 1,6 m, avec capteurs de surpression et caméra rapide. À l'échelle réelle, l'énergie mise en jeu équivaut à 10 kg de TNT, soit l'ordre de grandeur de l'explosion d'une batterie de voiture électrique. Les résultats montrent que ce sont également les accélérations, et non la seule surpression, qui constituent une cause significative de blessures, et que la présence d'obstacles en béton réduit significativement la surpression en aval.

À échelle 1/24, l'ensemble des essais a également été finalisé. À l'échelle réelle, cet équivalent correspond à 9 kg de TNT (explosion d'une voiture). Ces travaux quantifient pour différentes positions d’explosion l'influence du taux d'occupation du parking, de la présence d'un toit, des ouvertures et des poutres. Le toit et les murs se révèlent déterminants par leur contribution à l'amplification de la surpression. La zone de danger significatif pour les personnes et les biens s'étend jusqu'à environ 40 mètres, avec des effets létaux de 15 à 30 mètres en fonction du lieu de l’explosion. Ces données expérimentales alimenteront directement les modèles numériques.

Modélisation et simulation

Nous avons pu restituer par simulation numérique une partie des expérimentations précédentes, en nous focalisant sur l’effet de souffle et les conséquences potentielles sur les personnes. La conception théorique d’un système d’atténuation par diffraction a pu être validé à échelle réaliste, offrant une solution efficace pour la protection face aux effets de surpression.

Un premier modèle opérationnel rapide (hors système d’atténuation) a été développé sur une approche d’équivalence volumique, validée par simulation numérique.

Diffusion et communication

Les bénéficiaires potentiels identifiés sont :

• les gestionnaires d’infrastructures, avec en priorité les parkings hors voirie (souterrains) et les tunnels routiers, mais également les infrastructures de transport de véhicules électriques (camions et trains pour véhicules à livrer, ferries…). Les syndics d’immeubles possédant des parkings souterrains sont également concernés ;
• les services de secours ainsi que les collectivités territoriales (en charge de l’aménagement des territoires et de l’urbanisme) et les préfectures ;
• le grand public, pour effectuer des campagnes de sensibilisation massive aux risques liés aux batteries électriques, y compris à domicile.

Pour rendre ces résultats accessibles à l'ensemble de ces publics, le code de calcul rapide, destiné à une utilisation par des experts, a été revu sous forme d’un “jeu sérieux” développé sous Unreal Engine et destiné au grand public.

Ce “jeu sérieux” permet de comparer les zones de danger de surpression pour différents véhicules (différentes capacités de batteries) et différentes configurations paramétrables par l’utilisateur (parking aérien, parking souterrain de hauteur variable, tunnel de section variable). La comparaison est directement accessible via des scènes 3D, et les distances de danger sont synthétisées sous forme de tableau.

Le jeu sérieux CONVEX sera dans un premier temps diffusé sous forme d’un exécutable PC, et une version Web et/ou Android pourra être réalisée par la suite.