Brandschutz bei Lithium-Ionen-Batterien

Immer wieder kommt es zu Brandfällen durch Lithium-Ionen-Batterien – und die Verwendung wiederaufladbarer Akkus nimmt weiter zu. Dieser Beitrag behandelt Methoden zur Branddetektion und Brandbekämpfung sowie Präventivmaßnahmen und enthält eine Checkliste zur Lagerung von Lithium-Ionen-Batterien.

Brandschutz bei Lithium-Ionen-Batterien
Abb. 1: Hoverboards mussten schon mehrfach zurückgerufen werden, weil der Akku beim Ladevorgang in Brand geriet. (Bild: Pixabay/PaddyNeu (Nr. 2003088))

Dezember 2018 / Von Dr. jur. Wolfram Krause. Lithium-Ionen-Batterien (Sekundärbatterien) finden in unserem Alltag millionenfach Verwendung. Sie werden aufgrund ihres hohen Energiespeichervermögens zunehmend als wiederaufladbare Zellen oder Batterien bei z.B. Handy-Akkus, Notebooks, Elektrowerkzeugen, aber auch in der Elektromobilität (Hybrid- und Elektroantriebe) eingesetzt. Doch dabei gibt es eine Herausforderung zu lösen: die technisch bedingte Gefahr einer Selbstentzündung. Und wenn Lithium-Ionen-Batterien einmal brennen, kommt es häufig zu einer ungewöhnlich raschen Ausbreitung des Feuers.

Mögliche Brandursachen

Generell ist davon auszugehen, dass die heutigen Lithium-Ionen-Batterien hochwertig produziert und hermetisch abgeriegelt sind. Dennoch können Situationen auftreten, die Schäden verursachen und möglicherweise zu einem Brand führen: z.B. durch falsche Handhabung oder mechanisches Einwirken – etwa das Herunterfallen des Handy-Akkus oder den Crash eines Elektrofahrzeugs. Ebenso gefährlich sind hohe Temperatureinwirkungen sowie eine Überladung oder Überentladung der Batterien.

Regeln und Normen

Daher werden Lithium-Ionen-Batterien von den Vereinten Nationen seit 2009 als Gefahrgut der Klasse 9, die verschiedene gefährliche Stoffe und Gegenstände umfasst, eingestuft und unterliegen Gefahrgutvorschriften, die für den Transport gelten. Unabdingbar ist eine ordnungsgemäße Kennzeichnung sowie Verpackung. Lithium-Ionen-Zellen oder -Batterien dürfen nur dann in Verkehr gebracht und somit auch nur dann gelagert oder transportiert werden, wenn sie den Nachweis der Prüfung nach UN 38.3 erbringen. Dabei handelt es sich um acht Tests, die im Handbuch Prüfungen und Kriterien der Vereinten Nationen in Teil III erläutert werden. Diese umfassen die Prüfungen von bestimmten Transportbedingungen wie etwa Temperatur, Druck oder Aufprall, die erfolgreich abzuschließen sind.

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Was die Lagerung und Bereitstellung der Batterien betrifft, existieren derzeit keine gesetzlichen Vorschriften. Verantwortliche müssen sich gerade beim Thema Brandschutz größtenteils selbst mit Hintergrundwissen versorgen. Dabei möchte der bvfa – Bundesverband Technischer Brandschutz e.V. mit seiner aktuellen Publikation BrandschutzKompakt unterstützen. Darin werden u.a. mögliche Gefahren und Beispiele für bisherige Brandfälle präsentiert (s. Checkliste), Brandschutzmaßnahmen empfohlen und Expertenmeinungen geteilt. Zuständige Planer und Brandschutzbeauftragte sollten sich in jedem Fall darüber informieren, ob bestehende Brandschutzkonzepte ausreichen oder anzupassen sind.

Branddetektion und Brandbekämpfung

Ohne schnelle Brandbekämpfung bzw. anlagentechnische Brandschutzmaßnahmen ist im Brandfall mit einer raschen Brandausbreitung und einer Kontamination eines größeren Bereichs mit korrosiven und toxischen Stoffen zu rechnen. Daher ist es wichtig, schnell, gezielt und mit dem richtigen Löschmittel zu agieren, bevor eine größere Menge von Batterien, Batteriemodulen oder Zellen thermisch durchgeht (Thermal Runaway) und in Brand gerät.

Entscheidend ist die schnelle und sichere Branddetektion vor allem in Räumen und Lagerbereichen. Denn es besteht die Gefahr, dass vor dem eigentlichen Brandstadium brennbare Elektrolyt- und Lösemitteldämpfe freigesetzt werden, die schwerer als Luft sind. Beim anschließenden Brand steigt dann heißer Rauch auf. Daher sollte – unter Berücksichtigung der Ventilationsbedingungen im Raum – sowohl im Decken- als auch am Bodenbereich eine Brand- bzw. Rauchdetektion angebracht werden.

Zudem setzen die Batterien aufgrund der organischen Elektrolytbestandteile im Brandfall eine hohe thermische Energie frei. Dabei enthält die positive Elektrode (Kathode) gebundenen Sauerstoff und die negative Elektrode (Anode) meist eine Lithium-Interkalationsverbindung mit einem hohen ebenfalls brennbaren Grafitanteil. Entsteht ein Feuer, werden die freigesetzten verbrannten oder unverbrannten Stoffe mit dem Löschwasser weggespült und können Erdreich oder Grundwasser kontaminieren. Um diese Umweltgefahr zu minimieren, sind Schutzmaßnahmen notwendig, um Löschmittel und Batteriebestandteile aufzufangen und zu entsorgen, etwa durch die räumliche oder bauliche Trennung bei der Lagerung von Batterien und durch spezifische Rückhaltevorrichtungen.

Weitere Informationen gibt es im Merkblatt VdS 3103:2016-05 des GdV (Gesamtverband der deutschen Versicherer e.V.) und der VdS (VdS Schadenverhütung GmbH), das hilfreiche „Hinweise zur Schadenverhütung bei der Bereitstellung von Lithium-Batterien in Produktions- und Lagerbereichen [gibt]. Dabei werden die Batterien abhängig von Lithiumgehalt, Gewicht und Leistung in drei Kategorien unterschieden“. [1] Außerdem werden konkrete Gefahren beschrieben, die von den Batterien ausgehen, allgemeine sowie spezifische Sicherheitsregeln empfohlen und Erkenntnisse aus Brandversuchen mitgeteilt.

Für die richtige Lagerung von Lithium-Ionen-Batterien und die erforderlichen Brandschutzmaßnahmen sind jedoch Einzelfallbetrachtungen durch den Versicherer unabdingbar – insbesondere, wenn es sich um viele, auch viele kleine, Batterien handelt oder um größere. Eine entsprechende Einordnung gibt die Kategorisierung im Merkblatt.

Allgemeine Sicherheitsmaßnahmen

Umfassende Brandschutzkonzepte sind also mit dem Versicherer individuell zu definieren, aber es gibt verschiedene Präventivmaßnahmen, die man vorab berücksichtigen sollte (s. Checkliste). Einige Sicherheitsmaßnahmen, um die Brandgefahr zu reduzieren, insbesondere bei der Lagerung größerer Mengen an Batterien oder bei solchen mit mittlerer und starker Leistung (> 100 Wh je Batterie) sind z.B.:

  • „Separierung und Mengenbegrenzung
  • Lagerung in feuerbeständig abgetrennten Bereichen oder mit Einhaltung eines Sicherheitsabstands (räumliche Trennung von 5 m)
  • automatische Löschanlagen“. [1]

Checkliste für die Lagerung von Lithium-Ionen-Batterien

  • Beachtung der Richtlinien im GDV-Merkblatt VdS 3103 (05-2016)
  • Überprüfung des bestehenden Brandschutzkonzepts
  • Einzelfallbetrachtung mit dem Sicherheitsingenieur des Versicherers
  • Bei Bedarf Weiter- oder Neuentwicklung eines ganzheitlichen Brandschutzkonzepts
  • Installation einer automatischen Wasserlöschanlage für schnelles Kühlen und Vermeiden einer Brandausweitung
  • Im Brandfall schnelle Brandbekämpfung in den ersten Minuten
  • Einbau von Brandmeldeanlagen mit Weiterleitung an eine dauerbesetzte Einsatzstelle
  • Berücksichtigung baulicher und organisatorischer Randbedingungen wie z.B. passgenaue Einsatzstrategien für Feuerwehren sowie bauliche oder räumliche Trennung von nicht durch Löschanlagen geschützten Bereichen
  • Entfernung von beschädigten oder defekten Lithium-Ionen-Batterien
  • Reduzierung der Menge der gelagerten Batterien auf das notwendige Minimum
  • Nur Batterien mit Nachweis der Prüfung nach UN 38.3 lagern
  • Auf Batterien von namhaften Herstellern mit entsprechenden Qualitäts- und Sicherheitsstandards zurückgreifen

Wasser und andere Löschmittel

GdV und VdS empfehlen gegenwärtig Wasser als Löschmittel der Wahl. Dass Wasser ermöglicht, einen Brand mit Lithium-Ionen-Batterien unter Kontrolle zu halten, bestätigen Versuche der Versicherungswirtschaft, der Hersteller und der Feuerwehren. Wasser kann durch seine Kühlwirkung einen Thermal Runaway entscheidend abmildern und so auch das Durchgehen weiterer Zellen verhindern, anders als verschiedene alternative Löschmittel. Eine sinnvolle anlagentechnische Maßnahme sind daher Sprinkler- und Sprühwasserlöschanlagen, denn gerade bei Lagerbränden stoppt das unmittelbare Kühlen in den ersten Minuten eine weitere Brandausbreitung über die benachbarte Brandlast wie z.B. Verpackungen.

Nachteile von Wasser generell sind die elektrische Leitfähigkeit, dass es in Verbindung mit Lithium zu Knallgas führen und bei Kontakt mit dem in Batterien enthaltenen Leitsalz Fluorwasserstoff bilden kann. Neben Wasser werden teilweise auch Metallbrandpulver, Sand oder Löschgase empfohlen, diese sind aber umstritten. Gerade bei größeren Bränden sind sie nur bedingt geeignet, weil sie sich auf das brennende Lagergut nur schwer aufbringen lassen und nicht den erforderlichen Kühleffekt erzeugen.

Eine weitere Löschmaßnahme bei Bränden von Lithium-Ionen-Batterien ist die Reduktion des Sauerstoffgehalts in den zu schützenden Bereichen. Versuche am KIT (Karlsruher Institut für Technologie) zeigten, dass sich benachbartes Brandgut von LI-Batterien in normaler Luftatmosphäre entzündete, bei einer reduzierten Sauerstoffkonzentration von ≤ 14 Vol.-% allerdings nicht – weder bei der Inertisierung mit Stickstoff, noch mit Argon. Die Methode wirkt auch einer Verrauchung oder einer Kontamination der geschützten Bereiche mit toxischen und korrosiven Stoffen entgegen. Im Gegensatz zu Wasserlöschanlagen ist jedoch bei Gaslöschanlagen bzw. Sauerstoffreduzierungsanlagen eine Raumdichtigkeit erforderlich [2]. Bei dieser Löschmethode fehlt der erforderliche Kühleffekt.

Fazit

Wasser und die Sauerstoffreduktion haben sich bei Versuchen als erfolgreiche Methoden zur Brandbekämpfung bei Lithium-Ionen-Batterien bewiesen. Auch wenn die Sauerstoffreduktion einen zeitlichen Vorteil bringt und die Entzündung benachbarter Brandlasten unterbindet, ist Wasser für die Experten das derzeitige Löschmittel der Wahl. Denn nur damit wird der gerade in den ersten Minuten so wichtige Kühleffekt erbracht, um das thermische Durchgehen weiterer Batterien und somit eine Brandausbreitung zu verhindern.

in allgemein gültiges Schutzkonzept gibt es jedoch gerade bei der Lagerung von Batterien in größeren Mengen, mit hoher Leistung oder von vielen kleinen Batterien in vielen Verpackungseinheiten nicht. Daher gilt: Das richtige Brandschutzkonzept bzw. die Frage, ob bestehende Brandschutzkonzepte ausreichend sind, ist immer im Einzelfall zu erörtern und mit dem Versicherer zu klären. Das Risikobewusstsein beim Umgang mit Lithium-Ionen-Batterien sollte generell geschärft werden, denn bei angemessenem Verhalten lassen sich Gefahren vielerorts minimieren und Brände vermeiden. 

Autor

Dr. jur. Wolfram Krause ist Geschäftsführer des bvfa – Bundesverband Technischer Brandschutz e.V. mit Sitz in Würzburg. Mitarbeit in vielen Gremien, die maßgeblich an der Brandschutzgesetzgebung in Deutschland beteiligt sind.

Literatur

  • VdS 3103:2016-05 (02) – Lithium-Batterien
  • Kunkelmann, Jürgen. Forschungsbericht Nr. 192. Studie zur Brandbekämpfung von Lithium-Ionen-Batterien (Akkus) und Lithium-Metall-Batterien. Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Forschungsstelle für Brandschutztechnik. Karlsruhe: 2017

Der Artikel ist im FeuerTrutz Spezial 2018 zum Thema Sicherheitssysteme (November 2018) erschienen. Das Spezial kann kostenlos als pdf heruntergeladen werden.
Hier finden Sie weitere Informationen zum FeuerTrutz Spezial 2018: Sicherheitssysteme

Letzte Aktualisierung: 11.12.2018

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