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anfrage@degesa.deBrände in der Stromerzeugung und Energiespeicherung können sehr kostspielig sein und schnell zu einem Totalschaden der Anlage führen. Lithium-Ionen-Batterien sind echte Brandgefahren und erfordern aktiven Brandschutz.
Erneuerbare Energietechnologien wie Solar- und Windenergie sind den vorherrschenden Wetterbedingungen ausgeliefert und können nur intermittierend betrieben werden. Daraus resultiert die zentrale Herausforderung der Energiewende, einen räumlichen und zeitlichen Ausgleich von Angebot und Nachfrage des volatil erzeugten Stroms zu schaffen.
Lithium-Ionen-Batterien sind dabei das Mittel der Wahl, da sie enorme Mengen Energien auf kleinem Raum speichern können. Es wird geschätzt, dass Lithium-Ionen-Energiespeicher weltweit einen Marktanteil von über 90% aller Energiespeicher haben – Tendenz steigend.
Die Speicherung von großen Energiemengen auf kleinstem Raum geht allerdings mit entsprechenden Risiken einher. Lithium-Brände gelten als eine der größten Herausforderungen des modernen Brandschutzes.
Ob bei der Produktion, während Ladevorgängen, bei Beschädigungen oder externen thermischen Bedingungen – Lithium-Energiespeicher erfordern höchste Achtsamkeit und spezielle Maßnahmen um sichere Abläufe zu gewährleisten.
Erst 2014 hat das private Sicherheitsunternehmen Underwriter’s Laboratory (UL) die erste Sicherheitsnorm für Energiespeicher veröffentlicht: UL 9540.
UL ist die zugrunde liegende Norm, auf der viele internationale und nationale Organisationen ihre Vorschriften und Brandschutzbestimmungen aufbauen. Darüber hinaus wurde im November 2017 die Norm UL 9540A erstellt, die sich speziell mit der „Thermal Runaway Fire Propagation in Battery Energy Storage Systems“ befasst. In der Zwischenzeit wurden drei weitere Iterationen der Norm veröffentlicht, was zeigt, dass sich das regulatorische Umfeld schnell weiterentwickelt.
Darüber hinaus hat die National Fire Protection Association der USA kürzlich ihre eigene Norm für die Installation von stationären Energiespeichersystemen“, NFPA 855, veröffentlicht, die sich ausdrücklich auf UL 9540A bezieht. Der International Fire Code (IFC) hat seine strengsten Sicherheitsanforderungen für Energiespeichersysteme in der jüngsten Ausgabe 2021 veröffentlicht.
Aufgrund der hohen Energiedichte in Lithium-Ionen-Batterien geht ein erhöhtes Brandrisiko von Ihnen aus. Man denke an spontan explodierende Mobiltelefone und Laptops in Flugzeugen, die in den letzten Jahren immer wieder für Schlagzeilen gesorgt haben. Doch was genau sind die Brandrisiken?
Der Begriff „Thermal Runaway“ beschreibt einen sich selbst verstärkenden Prozess der Überhitzung in einer Batterie, der zu einem unkontrollierten Temperaturanstieg führt. Aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften und ihrer Bauweise sind Lithium-Ionen-Batterien besonders gefährdet.
Während des Thermal Runaways wird durch den Kathodenverbrauch Sauerstoff erzeugt. Das führt dazu, dass Lithium-Ionen-Brände nicht zuverlässig durch Sauerstoffentzug (z.B. durch CO²-Löschanlagen) gelöscht werden können.
Da die an der Entzündung und Ausbreitung des Feuers beteiligten Materialien eng in eine Zelle integriert sind und die Zelle selbst zum Schutz oft gut isoliert ist, wird die Brandbekämpfung zu einer Herausforderung. Die meisten Löschmittel kommen gar nicht bis an den Brand heran.
Lithium-Ionen-Batterien haben mehrere Stoffe, die als Brennstoffquelle in Frage kommen, was zum Einen die Ausbreitung und Entwicklung eines Lithium-Ionen-Brandes schwer vorhersagbar macht und die Wahl der Löschmittel weiter eingeschränkt, weil nicht alle Löschmittel für jede Art von Feuer geeignet sind.
Bei Bränden mit Lithium-Ionen-Batterien besteht immer die Gefahr, dass die Brände Stunden oder sogar Tage, nach dem sie scheinbar gelöscht wurden, wieder aufflammen.
Die freigesetzten Gase sowohl während des Ausgasens als auch bei einer Entzündung sind sowohl giftig als auch brennbar, sodass geschlossene Umgebungen, in denen Lithium-Ionen-Batterien im Einsatz sind, potenziell explosionsgefährdete Bereiche sein können.
Es gibt zwei entscheidende Zeitfenster für Brandschutzmaßnahmen bei einem Thermal Runaway:
Die Ergebnisse unabhängiger Tests haben gezeigt, dass zwischen der Erkennung von Gasen und dem thermischen Durchgehen bzw. der Erkennung von Rauch durchschnittlich 11-12 Minuten vergehen. Daraus resultiert ein erstes Zeitfenster um Präventivmaßnahmen zu ergreifen.
Sind Präventivmaßnahmen nicht erfolgreich und die Lithium-Ionen-Batterie entzündet sich, müssen Maßnahmen ergriffen werden, um den entstehenden Brand frühestmöglich einzudämmen und zu löschen.
Der Li-Ion Tamer ist das führende System zur Früherkennung von Ausgas-Ereignissen bei Lithium-Ionen-Batterien aller Chemietypen und damit die Präventiv-Lösung Nr.1 im Brandschutz für Lithium-Ionen-Batterien.
Mit einer Reaktionszeit von fünf Sekunden werden selbst kleinste Mengen Gas erkannt, sodass eine Frühwarnung an Betreiber erfolgen kann. Dabei besteht die primäre Maßnahme darin, die Batteriemanagementsysteme anzusteuern, sodass die Stromzufuhr zu den Batterien abgeschaltet werden kann. Dadurch kann ein weiterer Anstieg der Temperatur in den Batteriezellen frühzeitig verhindert werden und unter dem Punkt des thermischen Durchgehens gehalten werden. Zusätzlich kann ein Belüftungssystem angesteuert werden, um giftige und brennbare Gase abzusaugen, die sich durch das Ausgasen schon im Speichersystem angesammelt haben.
Die UL9549A quantifiziert das Ausgasen als Vorläufer des thermischen Durchgehens, während unabhängige Tests des DNV-GL nach einem zweijährigen Test zu dem Schluss kamen, dass Li-Ion Tamer ein thermisches Durchgehen von Batteriespeichern verhindern kann.
In den USA ist der Li-Ion Tamer inzwischen in vielen Versorgungseinrichtungen und in kritischer Infrastruktur als Teil der Brandschutzlösungen für Batterieenergiespeichersysteme vorgeschrieben.
Im Falle des Ausgasens gibt es keine Garantie, dass die Batteriemanagementsysteme rechtzeitig die Stromzufuhr unterbrechen oder dass die Temperatur in den Batteriezellen nicht z.B. durch mechanische Beschädigung trotzdem weiter ansteigt. In diesem Falle kommt die zweite Stufe unseres Brandschutzkonzeptes zum Einsatz: Eindämmung.
Aerosol-Löschanlagen haben sich dabei vielmals als effektivstes Löschsystem für Lithium-Ionen-Brände bewährt.
Stat-X ist das effizienteste Aerosol Löschsystem am Markt und das Mittel der Wahl vieler Lithium-Ionen-Batterie Hersteller.
Das Aerosol unterbricht primär die Kettenreaktion des Feuers und unterdrückt dadurch Brände und Flammen. Sekundär wird eine Kühlwirkung erzielt, da dem Feuer die Energie entzogen wird. Es entstehen weder gefährliche und unkontrollierbare Nebenprodukte, noch werden große Mengen Löschmittel benötigt, um einen Lithium Brand unter Kontrolle zu bringen. Das Stat-X Löschmittel hat dabei in geschlossenen Räumen eine Standzeit von bis zu zwei Stunden, wodurch eine hohe Nachfeuersicherheit gewährleistet wird.
Wie wichtig bei Lithium-Ionen-Bränden die Nachfeuersicherheit ist, zeigen tragische Beispiele der letzten Jahre. So sind in 2019 vier Feuerwehrleute in Arizona verletzt worden, als sie einen noch rauchenden Batteriespeicher-Container öffneten. In einem späteren Untersuchungsbericht des DNV-GL wurde offengelegt, dass das eingesetzte Fluorketon-Löschmittel nicht geeignet war. 30 Minuten nach der Löschung war kein Löschmittel mehr im Container vorhanden, sodass der gesamte Raum anfällig für Explosionen und Feuer war.
Die Fehlleistung bei der Auswahl des Löschmittels wurden als hauptverantwortliche Faktoren für die Schwere des Vorfalls bezeichnet.
DNV-GL-Tests haben ergeben, dass Stat-X einen Brand in einer Lithium-Ionen-Batterie effektiv löschen kann und ein erneutes Aufflammen verhindert wird, solange das Aerosol in der Gefahrenzone steht. Es wurde außerdem erfolgreich den strengen Tests der UL und der NFPA unterzogen.
Die Kombination aus Li-Ion Tamer und Stat-X ist zweifelsohne die beste Brandschutzlösung für Lithium-Ionen-Batteriespeichersysteme und bietet umfassenden Schutz und Frühwarnung.
Dennoch liegt es in der willkürlichen Natur eines Lithium-Ionen-Brandes, dass nicht jeder Vorgang exakt vorhergesagt werden kann. Wir empfehlen deshalb eine Backup-Kühlungsmöglichkeit zu installieren.
Vor allem bei großen Batteriespeicheranlagen mit z.B. mehreren Containern halten wir dies für eine wichtige Maßnahme, damit bei Hitzeentwicklung in einem Container die umliegenden nicht beeinträchtigt werden und ein Überschlag auf das gesamte System verhindert wird.
Ideal eignen sich hier Hochdruck-Wassernebel Systeme aufgrund ihrer Fähigkeit Wärmestrahlung einzudämmen. Alternativ kann ein Einfüllstutzen für Löschwasser der Feuerwehr installiert werden.
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