Brandversuche mit Lithium-Ionen-Batterien

Zu Beginn des Projektes lagen kaum bis keine belastbaren oder öffentlich zugänglichen Informationen zum Brandverhalten neuer Energieträger vor. Aus diesem Grund lag ein Hauptaugenmerk des SUVEREN-Projekts auf der Durchführung großskaliger Brandversuche, insbesondere mit Lithium-Ionen-Batterien. In insgesamt drei Versuchsreihen sind Daten zum Brandverhalten moderner Fahrzeuge inkl. Elektrofahrzeugen und deren Batterien als Einzelbrandlast gewonnen worden. Auch die Eignung von Brandbekämpfungsanlagen und Detektionssystemen wurde in den Versuchen untersucht.

Versuchsreihe 1:

Im Mai und Juni 2019 ist die erste Serie an Brandversuchen im Rahmen des SUVEREN-Projektes durchgeführt worden. Ein Ziel war es, das grundsätzliche Brandverhalten von Lithium-Ionen-Batterien zu verstehen. Dafür wurde eigens ein Kalorimeter aufgebaut, das durch mechanische Ventilation belüftet wurde. Die getesteten Batterien enthielten prismatische oder zylindrische Zellen und wiesen Energieinhalte von 5 bis 24 kWh auf. Die Zündung der Batterien erfolgte durch Anbohren. Um Erkenntnisse über die Wirksamkeit von Hochdruck-Wassernebel bei Batteriebränden zu erlangen, wurde ein entsprechendes System im Kalorimeter installiert.

Während der Versuche wurden zahlreiche Daten erfasst. Dazu zählten:

Temperaturen auf den Batterien und im Luftraum
freigesetzte Gase (insb. FTIR)
Löschwasseranalyse
Masse
optische und IR-Kameras
Detektionstechnik

Darüber hinaus wurden Versuche mit Ersatzbrandlasten für abblasende Druckgasbehälter sowie für moderne PKW mit einer potentiellen maximalen Wärmefreisetzungsrate von 7 MW durchgeführt. Auch im Rahmen dieser Versuche wurde Hochdruck-Wassernebel eingesetzt, um die Interaktion von Brandgeschehen und Wassernebeltröpfchen in Mehrphasenströmungen zu untersuchen.

Absicherung der Brandversuche durch geschultes Personal

Einrichtung eines Multigassensors (FTIR)

Brandversuch mit abblasendem Druckgasbehälter

Versuchsreihe 2:

Weitere Brandversuche mit Lithium-Ionen-Batterien wurden im Dezember 2019 und Januar 2020 durchgeführt. Aufbauend auf der ersten Versuchsreihe im Frühjahr wurden unterschiedliche gas- sowie wasserbasierte Löschmittel auf ihre Wirksamkeit bei Batteriebränden hin untersucht. Dazu gehörten:

Sprinkler
Hoch- und Niederdruck-Wassernebel
Schaum
Aerosol
Stickstoff
Kohlendioxid
NOVEC

Auch diverse Detektionssysteme kamen zum Einsatz. Daher wurde das Kalorimeter für diese Versuchsreihe modifiziert und mit einem Flachdach ausgestattet. Die Brandlast bestand jeweils aus zwei nebeneinander liegenden Modulen zylindrischer Zellen mit insgesamt 5 kWh. Eines der Module wurde jeweils durch Überladen gezündet, die Brandausbreitung auf das benachbarte Modul sollte durch die eingesetzten Löschmittel möglichst verhindert werden.

Auch dieses Mal wurden wieder umfangreiche Daten erfasst:

Temperaturen auf den Akkus und im Luftraum
freigesetzte Gase (insb. FTIR)
Löschwasseranalyse
Masse
optische und IR-Kameras
Detektionstechnik (Punktmelder, RAS, DTS)

Anschluss der Kabel zum Überladen der Batteriemodule

Batteriezellen nach dem thermischen Durchgehen

Versuchsreihe 3:

Eine dritte Serie von Brandversuchen wurde im Oktober 2020 durchgeführt. Bei diesen Versuchen lag der Fokus auf dem Gesamtsystem „PKW in einer Parkgarage“ und der Evaluierung von stationärer Brandbekämpfung. Es sind Attrappen für Fahrzeug inkl. Batterie und Garage eingesetzt worden, um ein hohes Maß an Reproduzierbarkeit zu gewährleisten. Die Brandleistung der PKW-Ersatzbrandlast folgte der im Rahmen des Projektes entwickelten Bemessungsbrandkurve mit einer maximalen Wärmefreisetzung von 7 MW. Das Fahrzeug wurde über die Ersatzbrandlast der Batterie entzündet.

In den Versuchen wurden verschiedene Brandbekämpfungsanlagen miteinander vergleichen: Sprinkler und Hochdruck-Wassernebel sowie automatische und offene Systeme. Um die Brandausbreitung oder vielmehr die Möglichkeiten zur Brandeindämmung bewerten zu können, wurden Zielbrandlasten um das Fahrzeug positioniert und Temperaturen in der Umgebung des Fahrzeugs, insbesondere unter der Decke, gemessen.

Nach erfolgreicher Durchführung der Versuche wurden ein Konzept zur Nachweisführung für stationäre Brandbekämpfungsanlagen in Parkgaragen sowie ein Brandschutzleitfaden für Parkgaragen abgeleitet.