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Brandbekämpfung von Lithium-Ionen-Batterien Gefährdungspotential von Lithium-Ionen-Batterien und Batteriekraftwerken

41. Jahresfachtagung der VDSI-Fachgruppe

Hochschulen und wissenschaftliche Institutionen

PyroBubbles®

Kontakt: Genius Entwicklungs GmbH Daniel Heinz Am Theresenhof 2 15834 Rangsdorf Tel.: 03375-24 609 60 E-Mail: d.heinz@genius-patent.de

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Genius Entwicklungsgesellschaft Entwicklung von Sonderlöschlösungen / abwehrender und vorbeugender Brandschutz Zusammenarbeit mit wissenschaftlichen Einrichtungen und eigenes Netzwerk vom BMWi (z.B. OvGU Magdeburg, BTU Cottbus, TU Berlin, Hochschule Eberswalde) Wiss. Beirat: Prof. Krause (OvGU), Prof. Rehak (OUT), Dr. Rodner (BAM) Genius Technologie GmbH ist der exklusiver Vertriebspartner mit gleichen Gesellschaftern wie Genius Entwicklungsgesellschaft mbH

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Das Brandschutzmittel PyroBubbles®

• Mikroporöses Granulat mit Durchmessern 0,5 - 5 mm

• Granulat / Schüttgut

• Schüttdichte: ca. 235 kg/m³

• Chemische Zusammensetzung: spezielle Glasmischung,

Hauptbestandteil SiO2

• 100 % anorganisches Material, nicht brennbar, A 1 – DIN 4102

• Materialprüfanstalt Dresden (MPA) zertifiziertes Löschmittel für

Brandklassen A, B, D und F

• Prüfungen der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung

(BAM)

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Welche Eigenschaften zeichnen das Granulat aus?

• Thermische Beständigkeit ( Schmelzpunkt 1.050°C )

• Chemische Beständigkeit (bspw. -Flusssäure)

• Schwimmfähigkeit

• 100% Natürlich

• Wasser ist 4 x und Sand 8 x schwerer als PyroBubbles®

• kaum Folgeschäden durch das Löschmittel

• Wiederverwendbarkeit, hohe Lebensdauer und geringste

Unterhaltskosten

• Hohe Wärmekapazität und Schmelzenergie (Kokonbildung und

Kühlwirkung)

• Inertisierung und Isolation (niedrige Temperaturleitfähigkeit)

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Anwendungsbereiche PyroBubbles®

• überall wo brennbare Flüssigkeiten, Metallspäne und -stäube vorhanden sind,

• wenn es gilt, Schäden durch das Löschmittel zu verhindern,

• wenn Brandlasten nicht mit Wasser gelöscht werden können/ sollen,

• um eine Dauerisolierung brandgefährlicher Stoffe/Anlagen(-teile) vorzunehmen,

• zum sicheren Transport von defekten und kritischen Lithium-Ionen-Batterien

nach ADR. Beispiele:

• Produktionsanlagen • Härtebäder • Metallverarbeitende Betriebe Spezialchemie • Pumpen und Turbinen • Kabelsysteme Transformatoren • Elektromobilität (Lithium-Ionen-Akkus) • Produktionsmaschinen • Fette und Öle • Lagertanks für brennbare Flüssigkeiten • Gefahrguttransporte • Gießereien

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Pressemitteilung in Zusammenhang mit Lithium-Ionen-Batterien

Brand nach Kurzschluss in Duisburg

Quelle: Einsatzbericht auf feuerwehr.de

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Pressemitteilung in Zusammenhang mit Lithium-Ionen-Batterien

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Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien

• Speichersysteme auf Blei-, Nickel- und Natriumbasis werden zunehmend von

Lithium-Ionen-Batterien abgelöst

• Beispielsweise im Jahr 2013 wurden 410.000 E-Bikes verkauft (8% Steigerung

gegenüber 2012)

• Vorteil: hohe Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien

• Nachteil: Sicherheitstechnisches Gefährdungspotential bei Instabilität Brandgefahr durch Selbstentzündung heftige Brandereignisse mit einer sehr schnellen

Brandausbreitung Kerntemperaturen bis zu 1.000 °C

Auslöser von durchgehenden Lithium-Ionen-Batterien • Logistikschäden (mechanische Krafteinwirkung, wie Stöße, Verbiegen usw.) • Thermische Belastung (Zersetzen von Seperatorfolien) • Überladung • Tiefenentladung • Kurzschluss (intern) • Kurzschluss (extern) • Interne chemische Zersetzungs- und Ablagerungsvorgänge (Dendritenbildung)

Problem: Von außen kaum festzustellen, wie stabil der Zellzustand ist (abgesehen von äußeren Beschädigungen)

Quelle: Mario Kienberger Komplett ausgebrannte 104 Zellen In Kanada kam ein Mann durch einen brennenden Laptop ums Leben 9

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Schematisches Betriebsfenster für Lithium-Ionen-Zelle (Richtwerte)

Quelle: Sicherheitsleitfaden Li-Ionen-Hausspeicher, 2014

1. Betriebsfenster 2. Auflösung Anoden-Kupfer 3. a) Li-Plating beim Überladen

b) Li-Plating bei Tieftemperatur-Laden

4. Defekt der SEI-Schicht bei Graftitanoden, Gasentwicklung, langsamer Thermal Runaway

5. Temperaturanstieg, Ausgasen, Brand

6. Ausgase, Separator schmilzt, Brand

7. Thermal Runaway, Brand, Sauerstoff-freisetzung aus Oxiden

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Brand von gebrauchten und defekten Lithium-Ionen-Batterien

Lagerung und Transport in zugelassenen Fässern mit entsprechenden Sicherheitsmaßnahmen

Fass fertig für Lagerung und Versand Inhalt: Lithium-Ionen-Batterien Vermiculite als Füllmaterial

Brandereignis (Thermal Runaway)

Zerstörtes Fass Brandübertragung auf Umgebung mit entsprechendem Sachschaden

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• Thermal Runaway führt zum Zellbrand

Zellversagen, Gasfreisetzung, Rauchbildung

Brandausbreitung

Gasfreisetzung Selbstentzündung des Akkus

Bildquellen: . Lithium-Ionen-Akkumulatoren – Abbrandverhalten und Gasfreisetzung, Tagungsband, vfdb-Jahresfachtagung 2014

Hohe Temperaturentwicklung von 500 bis 600°C und Flammenbildung (Brandausbreitungsgefahr)

Gefahrenpotential durchgehender Lithium-Ionen-Batterien

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Brandausbreitung kann nur durch Flammenunterdrückung und Isolation verhindert werden. Zellbrand muss am Entstehungsort thermisch isoliert werden, nur so ist Sachschutz effektiv möglich

Bildquellen: Lithium-Ionen-Akkumulatoren – Abbrandverhalten und Gasfreisetzung, Tagungsband, vfdb-Jahresfachtagung 2014

• Thermal Runaway führt zum Zellbrand

Zellversagen, Gasfreisetzung, Rauchbildung

Brandausbreitung Unter Flammenbeaufschlagung erfolgt stärkere Reaktion der Akku-Zellen mit höheren Temperaturen (bis 700°C), da austretende Gase sofort explosionsartig zünden

Gefahrenpotential durchgehender Lithium-Ionen-Batterien

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• Selbst bei gleicher chemischer Zusammensetzung treten unterschiedliche Wirkungs- und Verhaltensweisen durch unterschiedlichen Zellaufbau auf

beide Zelle LiMnO2

Quelle: Federal Aviation Administration 2015

Gefahrenpotential durchgehender Lithium-Ionen-Batterien

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Gasentwicklung bei Lithium-Ionen-Batterien während eines Thermal Runaway

Gase Sicherheitstechnische Eigenschaften/ Bewertung

Kohlenstoffmonoxid (CO) (bis zu 30 Vol%)

Explosionsgefahr (ab 12,5 Vol%) toxisch (ab 0,2 Vol% tödlich)

Methan (CH4) (bis zu 40 Vol%) Explosionsgefahr (ab 4,4 Vol%)

Flusssäure (HF) ätzend Toxisch (sehr giftig)

Wasserstoff (H2) Explosionsgefahr

Stickstoffoxide (NOx, N2O)

brandfördernd toxisch

weitere Hydrocarbonate (Ethene, Ethine, Benzole usw.)

Brandgefahr, Explosionsgefahr

Sauerstoff (O2) brandfördernd

Durch Zersetzung der Bestandteile werden brenn-bare und toxische Gase freigesetzt:

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Quelle: Federal Aviation Administration 2015 32x Tablets,

43Wh Thermal Runaway nach ca. 15 Minuten

Gasentwicklung bei Lithium-Ionen-Batterien während eines Thermal Runaway • selbst bei einem optischen Löscherfolg (keine sichtbare Flamme) von kleineren

LiBa-Bränden treten brennbare und toxische Gase weiterhin aus den Batteriezellen aus…

Gasentwicklung bei Lithium-Ionen-Batterien während eines Thermal Runaway • … und können eine explosionsfähige Atmosphäre schaffen.

5.000 Lithium-Ionen 18650 Zellen in einem feuerbeständigen Container für Luftfracht mit Löscheinheit (Brandunterdrückung durch Interisierung)

Quelle: Federal Aviation Administration 2014

Gasentwicklung bei Lithium-Ionen-Batterien während eines Thermal Runaway

• … und können eine explosionsfähige Atmosphäre schaffen.

Quelle: Federal Aviation Administration 2014

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Funktions- und Zulassungsnachweis des Verpackungssystems LIONGUARD • Brandtests im Feuerwehrtechnischen Zentrum

Luckenwalde (Brandenburg) • E Bike Akkus, Powertools, Laptop-Akkus,

Traktionsbatterien, etc. • Batteriemasse 500g – 400 kg. • Forcierte Zündung durch thermische

Beanspruchung • Vergleichende Bewertung mit/ohne Verpackung • Ständige Tests für und mit BAM, Kunden

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Batterie Positionierung- Verfahren der Einbettung (VG I) (1) Transportbehälter mit UN Zulassung, Verpackungsgruppe I mit abgedichtetem Deckel, Öffnungsdruck der Druckentlastungsventile von mind. 0,2 bar (2) PyroBubbles (hell blau) (3) Vorschrift zur Volumenrelation von Granulat und Batterie (20cm oben/unten-12cm Rand) (4) Lithium-Ionen-Batterie(n)

Vorgaben nach BAM LIONGUARD

Zelle, Modul, System

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PyroBubbles®

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Temperaturmessung bei Realbrandversuch mit LIONGUARD M Box X 2 und 140 kg Batteriesystem

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100

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Tem

pera

tur [

°C]

Zeit [h:mm]

Temperaturverlauf - Modulsystemunterseite

Modul 1

Modul 2

Modul 3

Modul 4

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0:00 0:20 0:40 1:00 1:20 1:40 2:00 2:20

Tem

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tur [

°C]

Zeit [h:mm]

Temperaturverlauf - Behälterinnenwand

TE 9

TE 8

TE 10

TE 12

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LIONGUARD – Von XS bis XXL ein sicheres System für Lagerung und Transport

„Kleine Tochterbox“ Lagern von kleinen Batterien

Verpackungsgruppe I Lagerung und Transport im Rahmen der ADR … … bis hin zu 400 kg Batteriemasse

(ca. 3 m² Fläche)

Ausblick: Bau von Energiegroßspeicheranlagen mit Lithium-Ionen-Batterien

• Beispiel: 5 MWh Batteriegroßspeicheranlage in Schwerin (WEMAG AG) • Errichtung im Stadtteil Lankow • automatische Löschanlage in 2 der 5 Gänge

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Quelle: wemag.com Quelle: dpa; faz.net

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Kurzzusammenfassung

Temperaturen ab 80 °C reichen aus, um einen Thermal Runaway Reaktion zu erzeugen

Wirkungs- und Verhaltensweisen von Lithium-Batterien kaum vorhersagbar

Selbst ein Löschen des Flammenbrandes unterbindet nicht die Freisetzung toxischer

und brennbarer Gase (Explosionsgefahr!).

Thermal Runaway Reaktion einer Lithium-Batterien kann nicht unterbrochen werden

Konventionelle Brandschutzlösung (anlagentechnischer Brandschutz) im Realfall kaum

erfolgsversprechend

Nur eine räumliche Trennung kann die Ausbreitung des Thermal Runaways auf

umliegende Batterien und Batteriemodule verhindern.

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Brandbekämpfung von Lithium-Ionen-Batterien Gefährdungspotential von Lithium-Ionen-Batterien und

Batteriekraftwerken

Fragen …?!

PyroBubbles® Kontakt: Genius Entwicklungs GmbH Daniel Heinz Am Theresenhof 2 15834 Rangsdorf Tel.: 03375-24 609 60 E-Mail: d.heinz@genius-patent.de