E-Autobrandversuch in einem Tunnel
Abb. 1: Brandversuch BEV (battery electric vehicle) (Quelle: Lunghammer/TU Graz)

Forschung

29. March 2022 | Teilen auf:

Brandrisiko durch Elektroautos in Straßentunneln

Erkenntnisse aus dem Forschungprojekt BRAFA – Brandauswirkungen von Fahrzeugen mit alternativen Antriebssystemen

Das tatsächliche Gefahrenpotenzial bei einem Unfall mit E-Autos ist noch relativ unbekannt, verunsichernde Bilder von brennenden E-Fahrzeugen sind hingegen bereits weit verbreitet. Eingehende Untersuchungen zu diesem Thema sollen Aufschlüsse über die Auswirkungen von Bränden von batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugen in Straßentunneln liefern.

Bekannt ist, dass batterieelektrisch betriebene Fahrzeuge (BEV, battery electric vehicle) mit auf Lithium-Ionen-Technologie basierenden Energiespeichern sich im Brandfall anders verhalten als jene mit konventionellen Verbrennungsmotoren (ICEV, internal combustion engine vehicle).

Aber was passiert genau, wenn E-Fahrzeuge im Tunnel brennen? Wie heiß wird es, und welche Gase entstehen? Welche Gefahr besteht für Personen, die sich zum Zeitpunkt des Unglücks im Tunnel aufhalten? Welchen Risiken sind Einsatzkräfte ausgesetzt? Welche Schäden gibt es an der Tunnel-Infrastruktur? Und wie löscht die Feuerwehr ein brennendes E-Fahrzeug im Tunnel am effizientesten?

Forschungsprojekt BRAFA

Abb. 2: Einsatz einer Löschdecke (Quelle: Lunghammer/TU Graz)

Um diesen spannenden Fragen auf den Grund zu gehen, wurde in Österreich vom zuständigen Bundesministerium für Klimaschutz, Umwelt, Energie, Mobilität, Innovation und Technologie zusammen mit dem Autobahnbetreiber ASFINAG ein Forschungsprojekt in Auftrag gegeben.

Die Technische Universität Graz, die Montanuniversität Leoben, der Österreichische Bundesfeuerwehrverband und das Beratungsunternehmen ILF Consulting Engineers Austria haben nun im Rahmen des Forschungsprojekts "BRAFA – Brandauswirkungen von Fahrzeugen mit alternativen Antriebssystemen" die sicherheitsrelevanten Auswirkungen von Bränden von batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugen in Straßentunneln untersucht und verschiedene Methoden zur Brandbekämpfung bewertet [1].

Die Ergebnisse der umfassenden experimentellen und numerischen Untersuchungen liefern neben wertvollen Erkenntnissen zunächst vor allem eines: Beruhigung. Das Gefahrenpotenzial ist auf der Basis dieser Untersuchungen nicht als wesentlich kritischer zu bewerten als bei Bränden von Pkws mit herkömmlichen Verbrennungskraftmotoren. Tunnelanlagen, die den europäischen Mindestsicherheitsanforderungen für Hochleistungsstraßen entsprechen, sind fit genug für die Herausforderungen, die mit brennenden E-Fahrzeugen einhergehen.

Projektpartner und Fördergeber

Am Projekt beteiligt waren folgende Institutionen:

  • Technische Universität Graz (Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik – P. Sturm, P. Fößleitner, D. Fruhwirt, Institut für Fahrzeugsicherheit – S. Heindl)
  • Montanuniversität Leoben (Department für Subsurface Engineering, Forschungszentrum am Berg – R. Galler, R. Wenighofer, B. Reinwald)
  • Österreichischer Bundesfeuerwehrverband- S. Krausbar
  • ILF Consulting Engineers Austria GmbH (O. Heger, B. Kohl)
  • Förderprogramm Verkehrsinfrastrukturforschung ViF (Bundesministerium für Klimaschutz, Umwelt, Energie, Mobilität, Innovation und Technologie, ASFINAG, ÖBB)
  • Projektabwicklung Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft (FFG)

Realbrandversuche

Abb. 3: Einsatz einer Löschlanze (Quelle: Quelle: IVT/TU Graz)

Während der bisherige Wissensstand vor allem auf Brandversuchen mit einzelnen Batteriezellen und kleinen Akkupacks beruhte und das Gefahrenpotenzial ganzer brennender Pkws daraus abgeleitet wurde, gewann das Projektteam erstmals neue Erkenntnisse aus groß angelegten Realbrandversuchen.

Im neuen Tunnelforschungszentrum „Zentrum am Berg“ der Montanuniversität Leoben [2], einer einige Kilometer langen Versuchs- und Trainingseinrichtung für Straßen- und Eisenbahntunnel im steirischen Erzberg, wurden mehrere Batteriemodule sowie drei elektrisch betriebene und zwei dieselbetriebene Fahrzeuge gezielt in Brand gesetzt (Abb. 1, Tabelle 1). Die Fahrzeuge – Kompaktwagen, SUV und Kleintransporter – waren teilweise Neuwagen mit Baujahr 2020 und mit der neuesten am Markt vorhandenen Lithium-Ionen-Batterietechnologie ausgestattet.

Tabelle 1: Überblick der durchgeführten Brandversuche

Versuch Fahrzeug Max. Wärmefreisetzung [MW] Durchschn. Wärmefreisetzung [MW] Anmerkung
BV01 BEV Kompaktwagen (2020) 7,0 2,7 Löschversuch nach ca. 500 s mittels Löschdecke
BV02 BEV Kleintransporter (2016) 6,1 3,4 Teilweise Messausfall
BV03 ICEV SUV (2020) 4,9 2,5 10 Minuten Brand mit ca. 2 MW, dann Anstieg auf durchschnittlich 3,5 MW über 5 Minuten
BV04 ICEV Kleintransporter (2010) 2,3 1,5 Ausschließlich Karosse, Tank war fast leer
BV05 BEV SUV (2020) 4,9 / 10,7 3 / 5 Zuerst 10 Minuten Brand der Karosse / nach 10 Minuten sehr rasche Entzündung der Batterie aufgrund Flutung mit NaCl und rapider Anstieg der Wärmefreisetzung

Mit Sensoren wurde die Wärmefreisetzungsrate gemessen, also die Brandlast eines Fahrzeugs sowie die beim Brand entstehenden Gase untersucht. Die Brandlast eines herkömmlichen Pkw liegt bei etwa 5 Megawatt (MW). Die Wärmefreisetzungsrate der brennenden E-Fahrzeuge im Tunnel war mit 6 bis 7 MW zwar etwas höher als jene der dieselbetriebenen Vergleichsfahrzeuge, das bringt aber keine neuen Risiken oder Gefahren mit sich. Im Extremfall eines Spontanbrandes der gesamten Batterieeinheit wurden Spitzen bis 10 MW gemessen (Abb. 4 und Abb. 5). Wie aber auch ersichtlich ist, treten die Wärmespitzen nur über sehr kurze Zeiträume auf.

Abb. 4: Zeitlicher Verlauf der Wärmefreisetzungsrate bei den Brandversuchen (Versuchsbezeichnung siehe Tabelle 1) (Quelle: TU Graz)

Zum Vergleich: Die Brandlast eines konventionellen Lkw liegt bei etwa 30 bis 50 MW – und auch dafür sind Tunnelanlagen ausgerichtet. Es wird beim Brand der E-Pkw zwar etwas wärmer, aber dadurch nicht grundlegend gefährlicher im Tunnel. Die gemessenen Temperaturen im Fluchtbereich liegen für alle Brandversuche unterhalb der 60-Grad-Grenze. Das ist zwar keine angenehme Temperatur, aber Flucht und Brandbekämpfung sind noch möglich.

Abb. 5: Zeitlicher Verlauf der Wärmefreisetzung bei BV01 (Löschdecke) und BV05 (konventioneller Löschangriff und Löschlanze) (Quelle: TU Graz)

Rauchgase

Kritisch zu betrachten ist neben der Wärmefreisetzung auch die Zusammensetzung der Rauchgase. Es wurde festgestellt, dass es bei BEV-Bränden zu deutlich größeren CO-Emissionen kommt als bei Bränden konventionell angetriebener Fahrzeuge. Dies ist auf die chemische Zusammensetzung der Lithium-Ionen-Batterien zurückzuführen, deren Bestandteile wie organische Lösungsmittel selbst als Quelle für Sauerstoff und in weiterer Folge für CO dienen. Es ist aber auch anzuführen, dass an keinem Messpunkt kritische Konzentrationswerte – im Konkreten IDLH-Werte [3] – überschritten wurden und somit keine unmittelbare Gefahr für Leib und Leben bestand. Die konstanten O2-Verläufe bestätigen die Annahme, dass es sich auch dabei um kraftstoffgesteuerte Brände handelte. Weiters ist aber auch anzumerken, dass die mechanische Belüftung der Tunnelanlage für einen ausreichenden Luftdurchsatz, wie bei einem Realbrand in einem Straßentunnel, sorgte. Ist dieser Luftdurchsatz nicht gewährleistet, so sind natürlich höhere Konzentrationen zu erwarten.

Bei den Gasmessungen konnte festgestellt werden, dass Phosphorsäure (H3PO4) bei allen Versuchen und Messpunkten unter der Nachweisgrenze lag. Bei Fluorwasserstoff (HF) und Salzsäure (HCl) konnte im Allgemeinen die Schichtung der Rauchgase mit hohen Konzentrationen im Firstbereich und niedrigen Werten im unteren Bereich dokumentiert werden. Bei HF wurden teilweise die IDLH-Werte im Firstbereich überschritten. Bei den restlichen Messstellen und vor allem im Bereich von 1,60 m (durchschnittliche Kopfhöhe) lagen die HF-Werte merklich niedriger. Generell war festzustellen, dass bei BEV-Bränden, wie zu erwarten, merklich mehr HF freigesetzt wird als bei konventionellen Fahrzeugen. Bei HCl ist bei beiden Fahrzeugtypen (BEV bzw. ICEV) von vergleichbaren Größenordnungen auszugehen, da die Ursache in der Verbrennung des Interieurs zu sehen ist und nicht im Energiespeicher. Die HCl-Konzentrationen lagen immer unterhalb der kritischen IDLH-Werte.

Risikobetrachtung

Die Sicherheit der Nutzung eines Tunnels wird in der Regel mit sogenannten Risikomodellen bewertet. Diese Modelle basieren auf statistischen Daten zu Unfallhäufigkeit und Schadensausmaß in Abhängigkeit von unterschiedlichsten Parametern. Aufgrund des geänderten Brandverhaltens von BEV ist es auch notwendig, die neu gewonnenen Erkenntnisse in das Beurteilungsschema aufzunehmen. Es zeigte sich, dass in der Regel zwar das spezifische Brandrisiko steigt, das Gesamtrisiko sich jedoch auch bei einem hohen Anteil von BEV in der Fahrzeugflotte nicht wesentlich ändert. [...]

Weiterlesen? Der vollständige Artikel ist in Ausgabe 1.2022 des FeuerTrutz Magazins (Februar 2022) erschienen. Darin werden verschiedene Löschmethoden zur Brandbekämpfung beschrieben, außerdem geben die Autoren ein Fazit.

Quellen

[1] FFG Projektdatenbank; Projekt BRAFA; https://projekte.ffg.at/projekt/3290205

[2] Versuchs- und Forschungsanlage „Zentrum am Berg“; https://www.zab.at/

[3] IDLH-Grenzwerte (Immediately Dangerous to Life and Health); https://www.cdc.gov/niosh/idlh/default.html

zuletzt editiert am 29.03.2022