Deutschland

Untersuchung von Bränden mit Elektrofahrzeugen in unterirdischen Verkehrsbereichen

Die Elektrifizierung der PKW-Flotte schreitet national und international voran. Die Zuwachsraten übertreffen teilweise die Prognosen, große Automobilhersteller haben bereits feste Termine für den kompletten Ausstieg aus der Produktion von PKW mit Verbrennungsmotoren bekanntgegeben. Gleichzeitig konnten erste Erfahrungen mit Unfällen und Bränden in Verbindung mit Elektrofahrzeugen gesammelt werden. Eine ausreichende Datenbasis aus tatsächlichen Havarien zum Brandverhalten von PKW mit Lithium-Ionen-Batterien liegt jedoch noch nicht vor. Aus dieser Situation heraus entstand im Jahr 2017 das Forschungsprojekt SUVEREN mit dem Ziel, die Auswirkungen von Fahrzeugen mit neuen Energieträgern (NET) auf die Sicherheit in unterirdischen Verkehrsbereichen wissenschaftlich zu untersuchen.

Bei den erst vereinzelt aufgetretenen Brandfällen wurden teilweise intensiv ablaufende Brände beobachtet, die sich von Einsatzkräften nur schwer komplett ablöschen ließen. Erste Erfahrungen mit solchen Bränden (und Aussagen von z. B. der Firma Tesla, dass bei einem Brand ihrer Autos mindestens 11 000 Liter Löschwasser notwendig seien) haben zu Fragen und Verunsicherungen geführt. Eine fundierte Abschätzung der Folgen für Anforderungen an den Brandschutz in unterirdischen Verkehrsanlagen war bisher kaum oder gar nicht möglich.

 

Erste Erkenntnisse und Empfehlungen aus dem Forschungsprojekt SUVEREN

Das Projekt SUVEREN (Sicherheit in unterirdischen städtischen Verkehrsbereichen bei Einsatz neuer Energieträger) befasste sich zwar auch mit Bränden von Fahrzeugen mit Wasserstoff- und Gasantrieben, der Fokus lag jedoch aufgrund der Dringlichkeit der offenen Fragen auf PKW mit Lithium-Ionen-Batterien. Ein Konsortium bestehend aus der deutschen Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), der STUVA und der Firma Fogtec führte die Untersuchungen durch. Das deutsche Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützte das Projekt maßgeblich durch eine Förderung.

Die Erarbeitung von konkreten und umsetzbaren Empfehlungen zum Umgang mit NET in unterirdischen Verkehrsanlagen war eines der wichtigsten Ziele von SUVEREN. Im Folgenden wird über von Fogtec bearbeitete Arbeitsinhalte und relevanten Ergebnissen berichtet.

 

Brandversuche unter realistischen Bedingungen

In der Anfangsphase widmete sich das Konsortium der sehr unzureichenden Datenlage zum Brandverhalten von Lithium-Ionen-Batterien. Für die Gewinnung belastbarer und detaillierter Kenntnisse wurden Brandversuche unter möglichst realistischen Bedingungen und im 1:1 Maßstab durchgeführt. Die Planung, Vorbereitung und Durchführung der Brandversuche oblag der IFAB GmbH, Berlin.

Im Verlauf des Projekts wurden mehrere Versuchsreihen mit unterschiedlichen Zielen durchgeführt. Die dabei verwendeten Batteriepacks und -module waren jeweils vollständig geladen und stammten aus Serienfahrzeugen eines deutschen Herstellers. In einer ersten Versuchsreihe ging es darum, grundlegende Erkenntnisse zum Brandverhalten von Lithium-Ionen-Batterien, von der Zündung bis zum Abkühlvorgang, zu gewinnen. Zur Bestimmung der Temperaturverteilung sowie der Wärmefreisetzung wurde hierfür ein neuer Versuchsstand entworfen und errichtet (Bild 1). In diesem waren diverse Gassensoren, eine Vielzahl von Thermoelementen, Geräte zur Messung der Strahlungswärme und der Masseverlustrate sowie Wärmebildkameras positioniert. Die Rauchgaszusammensetzung wurde zusätzlich mit einem, hoch empfindlichen Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer (FTIR) untersucht, welches bis in den unteren einstelligen ppm-Bereich die Rauchgase analysiert. Zusätzlich wurde das Ansprechverhalten aller wesentlicher Typen von handelsüblichen Brand- und Rauchmeldern untersucht.

 

Löschwirkung verschiedener Brandbekämpfungstechnologien

In einer zweiten Versuchsreihe wurden verschiedene Brandbekämpfungstechnologien, wie Sprinkler, Wassernebel, Schaum, F 500, Aerosol, Stickstoff, Kohlendioxid und Novec 1230, auf ihre Löschwirkung hin untersucht. Erstmals wurden damit verschiedene Brandbekämpfungssysteme unter identischen, reproduzierbaren und ingenieur-wissenschaftlichen Bedingungen verglichen.

Die verwendeten Batterien wurden über mechanische Einwirkungen oder ein Überladen zur Entzündung gebracht und zeigten zum Teil sehr schnell und heftig ablaufende Reaktionen mit Explosionen, bis zu 1,5 m langen Stichflammen und sehr hoher Wärmefreisetzung. An den Oberflächen der Batterien wurden Temperaturen bis zu 1000 °C gemessen. Die Analyse der Rauchgase ergab zwar nicht die erwarteten erheblichen Mengen an Fluorwasserstoffsäure (HF), jedoch traten bis zu zehn weitere hochtoxische und korrosive Substanzen in kritischen Mengen auf. Es konnte beobachtet werden, dass sich Batteriebrände je nach Zellzusammensetzung und Zelltyp deutlich voneinander unterscheiden können. Auch die Art der Zündung spielt hierbei eine große Rolle.

Die Versuche zur Branddetektion und -bekämpfung zeigten, dass eine erfolgreiche Intervention trotz des besonderen Brandverhaltens von Lithium-Ionen-Batterien prinzipiell sowohl manuell wie auch mittels ortsfester Brandbekämpfungsanlagen möglich ist. Eine Zusammenfassung der Ergebnisse ist gemeinsam mit einer Veröffentlichung eines Leitfadens für den Brandschutz in unterirdischen Verkehrsanlagen in der ersten Jahreshälfte 2021 geplant.

 

Elektrofahrzeugbrände in Tiefgaragen

Im Rahmen einer dritten Versuchsreihe wurden im zweiten Halbjahr 2020 Versuche zur Untersuchung von Elektrofahrzeugbränden in Tiefgaragen durchgeführt. Dafür wurde die Raumgeometrie eines Teils einer Tiefgarage nachgestellt. In dieser wurde eine repräsentative PKW-Attrappe positioniert. Primäres Untersuchungsziel war, die Auswirkungen eines Elektro-PKW-Brandes auf die Struktur des Bauwerkes und die Fluchtbedingungen zu untersuchen. Gleichzeitig wurden die Versuche genutzt, um ein System zur frühesten Detektion von Batterie-Bränden und deren Bekämpfung zu entwickeln und zu prüfen. Die Brandversuche wurden vom TÜV Süd und der DEKRA begleitet.

Die verwendete PKW-Attrappe entsprach einer Brandleistung von ca. 7 MW, basierend auf dem Bemessungsbrand für einen PKW der im Projektverlauf aus Analyse von dokumentierten PKW-Bränden abgeleitet und rechnerisch hergeleitet wurde (Bild 2). Damit ist nach aktuellem Erkenntnisstand von einer höheren Brandleistung als bei bisherigen Annahmen und Richtlinien auszugehen. Dies gilt allerdings nicht nur für Elektro-PKW sondern auch für PKW mit Verbrennungsmotoren. Die im Vergleich zu früher deutlich erhöhte potenzielle Brandleistung ergibt sich nämlich vielmehr aus der zunehmenden Größe moderner PKW und dem vermehrten Einsatz von Kunstoffen auch in der Karosserie. Es ist daher zu erwarten, dass verschiedene Empfehlungen aus der Vergangenheit einer Aktualisierung bedürfen.

Im Projekt SUVEREN wurde daher ein Brandschutzkonzept für PKW-Brände speziell in Parkhäusern und Tiefgaragen entwickelt. Aus den gewonnenen Erkenntnissen lässt sich zudem die Vermutung bestätigen, dass ein nach dem heutigen Stand der Technik (z. B. RABT etc.) errichteter Tunnel einem Brand eines oder mehrerer PKW (egal ob mit konventionellem oder Batterie-Antrieb) ausreichend und gut standhalten wird und dass die Maßnahmen zur Ventilation und Entfluchtung ausreichen.

 

Großfahrzeuge mit NET

Andere Überlegungen können in Bezug auf Großfahrzeuge wie LKW und Busse notwendig werden, die mit Batterien oder auch Wasserstoff betrieben werden. Ob und wie stark die Auswirkungen durch die Zusammensetzung der Rauchgase von Bränden mit Lithium-Ionen-Batterien Überarbeitungen der bisherigen Anforderungen an den Brandschutz notwendig machen, ist Bestandteil der derzeit laufenden Analyse der in den Versuchen gewonnenen Daten. Die zunehmende Ausrüstung von Bussen und LKW mit neuen Energieträgern sollte jedenfalls genau beobachtet werden. Für die sichere Beantwortung diesbezüglicher Fragestellungen von Feuerwehr und Betreibern sind in diesem Bereich weitere Untersuchungen mit zusätzlichen und größeren Brandversuchen notwendig.

 

Weitere Informationen zum Forschungsprojekt finden sich auf der SUVEREN-Website.

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