Jens Erbstößer. Lithium-Batterien. - Unterschätzte Brandgefahren - Lösungen für die Praxis - Hintergrund-Informationen - Erste Brandversuche

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1 VDSI Bezirksgruppe Rhein-Main Lithium-Batterien - Unterschätzte Brandgefahren - Lösungen für die Praxis - Hintergrund-Informationen - Erste Brandversuche Jens Erbstößer Erbstößer GmbH Dillberg 15 D Marktheidenfeld Fon * Fax kontakt@erbs.de * 1

2 Lithium-Batterien - die Entwicklung für neue Anwendungen geht weiter.. 2 Quellen: / / /

3 Aber auch.. Esslingen (pol) - Wegen auslösender Rauchmelder ist am Donnerstagabend ein Brand in einer Garage rechtzeitig entdeckt und gelöscht worden. Gegen Uhr schrillten die Rauchmelder auf. Als der Hausbesitzer Rauch aus der Garage kommen sah, alarmierte er sofort die Feuerwehr. Diese löschte den Brand. Die angrenzenden Wohnräume waren nicht betroffen und mussten nur belüftet werden. Das Feuer beschädigte mehrere Fahrräder, Werkzeuge und andere Gebrauchsgegenstände. Verletzt wurde niemand. Vermutlich hat ein Kurzschluss in einem Akkuschrauber den Brand ausgelöst. Der Schaden wurde auf Euro geschätzt. 6 Rückruf KTM- und Flyer-Pedelecs: Brandgefahr durch Panasonic Akkus 5! Erhebliche Brandgefahr: Amazon wirft "Hoverboards" aus dem Sortiment 1! Euro Schaden Einen Großeinsatz hatten die Feuerwehren, als es in der Firma Refu gegen 8.30 Uhr zu einem Chemieunfall gekommen war. Es brannte eine Lithium-Industriebatterie 2! Koffer mit Akkuschrauber geriet in Brand: Zwei Löschzüge der Schermbecker Feuerwehr wurden alarmiert, von denen zwei Feuerwehrmänner aufgrund der starken Rauchentwicklung unter Atemschutz in das Einfamilienhaus vorrückten.im Keller fanden sie den Brandherd und löschten ihn. Anschließend wurde das Gebäude mit Hilfe eines Hochleistungslüfters rauchfrei gemacht. Personen wurden nicht verletzt. 3! Hotelbrand: Bei dem Feuer in einem Hotel in Bad Bevensen vor einer Woche kam ein Mann ums Leben. Laut Hotelbesitzer wurde der Brand durch den defekten Akku eines Elektrofahrrad ausgelöst. 4! 1: Quelle Heise Online 2016 / 2:Quelle: Pfullinger Tagblatt 2015 / 3:Dorstener Zeitung 4: Quelle Welt: 2013 / 2015: Akkus / 6 Esslsinger Tagblatt 05/ Warum? LiBa enthalten Energie und i.d.r. brennbare Elektrolyte sowie weitere brennbare Bestandteile Schäden können erfolgen durch: Elektrischer Stress Mechanischer Stress Thermischer Stress (Korrosion)

4 Brand, verursacht durch E-Bike-Akku, am Marktheidenfeld 4

5 Prinzipieller Aufbau von LiBa 5

6 Zellaufbau & gebr. Materialen (unvollständig) Kathodenmaterial (meist auf Aluminiumfolie als Elektroden Material) Schichtoxide aus Kobalt, Nickel Mangan oder LiMO 2 mit M = Co, Ni, Al: Beim Laden u. vor allem beim Überladen verarmt das Material an Lithium Sauerstoffpotential nimmt zu = zunehmend brandfördernd Häufigste Substanz: Li 1-x CoO 2 (LCO)-> PKW, E-Bike, mobile Geräte Spinelle aus Mangan LiM2O4 mit M = Ni, Mn Häufigste Substanz: Li 1-x Mn 2 O 4 (LMO) Sauerstoffpotential bei Laden ist wesentlich geringer als bei LCO-Zellen -> Power Tools, Garden Tools, Medizingeräte Phosphate LiMOPO 4 mit M = Fe, Co, Ni, Mn Häufigste Substanz: Li 1-x FePO 4 (LFP) ->stationäre Speicher (Solar, etc.) Annodenmaterial (meist auf Kupferfolie) Graphit (C/Sn-Komposite Legierungen) Elektrolyt besteht aus organischen Lösemitteln: Name Siedetemperatur C Flammpunkt Ethylencarbonat Dimethylcarbonat Diethylcarbonat Ehtylmethylcarbonat Quelle: Wikipedia Leitsalz: Lithiumhexafluorophosphat LiPF6: 75% Fluor Quelle: SW Merkblatt Einsatz an stationären Lithium-Solarspeichern 6

7 Thermisches Durchgehen & Primär-Sicherheit Anode: Reaktion zwischen Elektrolyt und Li x C 6 (x 1) Kathode: ab 125 C bis 130 C und x<0,5 Reaktion zwischen Elektrolyt und Li x CoO 2 (Li x NiO 2 /Li x Mn 2 O 4 ) Reaktion: 10 Li 0,5 CoO 2 + C 3 H 4 O 3 -< 5 LiCoO CoO + 3 CO H 2 O Bei weiterer Temperatursteigerung: 6 Li 0,5 -> 3 LiCoO 2 + Co 3 O 4 + O 2 (brandfördernd -> geblähten Akkus) LiPF 6 als Leitsalz: LiPF LiF + PF 5 giftig (unter Ausschluss von Wasser) PF 5 + H 2 O -> POF HF (Fluorwasserstoffgas) (mit Wasser) LiPF 6 + H 2 O -> LiF + POF HF POF H 2 O -> H 3 PO HF (Flusssäure) Lösemittel: CO, CO 2, organische Produkte Quelle Univ. Prof. Dr. Roland Goertz Lehrstuhl f. abwehrenden Brandschutz, Bergische Universität Wuppertal Temperaturen bis ca. 600 C + Große Gasmengen zu Beginn, danach lang anhaltendes Ausbrennen *Quelle Vötsch/Weiss Zellinterne Sicherungen Batteriepack Ladegerät Stromversorgung PTC-Positive Temperatur coefficient ->übermäßige Ausdehnung des Bauteils->Stromfluß wird reduziert + CID-current interrupt device - >bei internem Druck verformt sich Sicherheitsventil -> Kathodenkontakt reißt ab + Sicherheitsventil - >Sollbruchstelle Stabiles Kunststoffgehäuse Schutzschaltung 7 Kommunikation Stromaufbereitung und Schutz Ladekontrolle Quelle VdSi-Vortrag Nürnberg Korrekte AC/DC- Umwandlung Stromaufbereitung und Schutz

8 Was ist mit Lagern? GDV-Merkblatt VdS 3103: 201X-XX (Veröffentlicht 2016) Allgemeine Sicherheitsregeln (Auszug) Einhaltung der Vorgaben der jeweiligen Hersteller und technischen Produktdatenblätter Verhinderung äußerer Kurzschlüsse (Schutz der Batteriepole, z.b. durch Verwendung von Polkappen) Batterien Vor mechanischen Beschädigungen schützen (beschädigte sofort entsorgen) Dauerhaft vor hohen Temperaturen oder Wärmequellen schützen Separiert lagern (Mischlagerungen unterbinden) Abstand von 2,5 m (mind.!) zu brennbaren Materialien einhalten, falls keine automatische Löschanlage vorhanden ist Beschädigte oder defekte LiBa sind aus Lager- und Produktionsbereichen umgehend zu entfernen und bis zur Entsorgung in sicherem Abstand oder branschutztechnisch abgetrennten Bereichen zwischen zu lagern - nur Zellen für die eine Prüfung nach UN 38.3 dürfen gelagert werden (Prototypen in Ausnahmefällen nach positivem Ergebnis einer Gefährdungsbeurteilung) 8

9 Was ist mit Lagern? GDV-Merkblatt VdS 3103: 201X-XX (Veröffentlicht 2016) Gestufte Anforderungen für die Handhabung und Lagerung von LiBa (ergänzend zu den allgemeinen Sicherheitsregeln - Auszug) geringer Leistung Lithiummetallbatterien (UN 3090) <2 g Li oder Lithiumionenbatterie UN 3480 (Knopfzellen, Computer, Multimedia, Kommunikation, Kleinelektro, etc.): Bei größeren Volumina über 7m 3 oder mehr als 6 Euro-Paletten, gelten die Hinweise für LiBa mittlerer Leistung mittlerer Leistung >2 g Li und 12 kg (UN 3090) bzw. > 100 Wh und 12 kg (E-Bike, Gartengeräte, div. Kleinfahrzeuge, etc.): Feuerbeständig oder räumlich getrennt lagern (mind. 5 m von anderen Bereichen + vermeiden von Mischlagerung + Lagerbereich durch Brandmeldeanlage mit Aufschaltung überwachen / bei > 60m 2 und oder Lagerhöhe > 3 m gelten Hinweise für LiBa hoher Leistung hoher Leistung >2 g Li und > 12 kg (UN 3090) bzw. > 100 Wh und /oder >12 kg (Elektromobilität, netzunabhängige Großgeräte, etc.): Separierung und Mengenbegrenzung + Lagerung in feuerbeständig abgetrennten Bereichen oder räumliche Trennung von 5 m + automatische Löschanlagen + Schutzmaßnahmen im Einzelfall klären Aber: LiBa sind Bereitstellung in Produktionsbereichen rechtlich kein Gefahr- Begrenzung der Anzahl auf das notwendige Minimum (Tagesbedarf) stoff! Geeignete Feuerlöscheinrichtungen (z.b. Feuerlöscher, Wandhydranten) im Nahbereich Lithium-Batterien sind grundsätzlich wie ein Gefahrstoff zu behandeln! 9

10 Bietet der Einsatz von Gefahrstoffschränken (entzündbare Stoffe sowie sonstige Stoffe) Abschnitt Lagerorganisation TRGS 510 Fester Lagerplatz in der Nähe der Arbeitsstätte (kurze Wege) Zentrierung der Brandlast/Gefahrstofflast Fluchtwegs-/Notfallplanung wird erleichtert Abgesaugte Schränke vermeiden explosionsfähige Atmosphären und das Einatmen von Dämpfen durch die Beschäftigten Quelle: 10

11 Primär (Brandfall) Gewährleistung einer definierten Fluchtzeit für die Beschäftigten, in der vom Inhalt des Schrankes keine zusätzliche Gefährdung ausgeht (Sich.-SR) Zeit für die Feuerwehr Rettungsmaßnahmen durchzuführen Sekundär (Brandfall) Vermeidung weiterer Gefahren durch Vermischung der Gefahrstoffe Der Sach-/Objektschutz spielt rechtlich keine Rolle! 11

12 Praxis-Erfahrung: Erwartete Eignung der Schränke durch den Nutzer für Einzelne Zellen ohne Batterie-Managementsystem Prototypen oder Entwicklungsbatterien LiBa ohne Transportverpackung und/oder offene Gehäuse Diagnosebedürftige oder defekte LiBa (Werkstattbereich) Aktive Lagerung mit angeschlossener Stromversorgung Eigene, kreative Umbauten durch den Nutzer, sollen problemlos realisierbar sein Aber: Kein Gefahrstoff nach TRGS 510:2013 daher eigentlich keine zwingend notwendige Maßnahmen vorgesehen (z.b. Lüftung, etc.). Jedoch lt. Merkblatt der deutschen Versicherer wie ein Gefahrstoff zu behandeln (Schadensabwicklung???) VDMA Tresor-Normen scheiden aus: Keine Druckentlastungsöffnungen, daher zu starke Dämmung! 12

13 Was kann ein Sicherheitsschrank zum Lagern entzündbarer Flüssigkeiten? Vorgegebene, Nutzer relevante Eigenschaften nach DIN EN " Geprüfte Feuerwiderstandsfähigkeit: Typ (15 (International), 30, 60 oder) 90 " Selbstschließende Türen mit ggf. Feststellanlage " automatische Schließung der Türen bei max. 50 C Umgebungstemperatur (dann dürfen die Türen während der Betriebszeit geöffnet bleiben TRGS 510:2010 Anlage 3: 2.7) " Selbstschließende Lüftungskanäle bei 70 C " EN DIN : Zulässige max. Innentemperatur = Umgebungstemperatur + ΔT=180 C 13

14 Welche Probleme stellen sich uns bei Lagerung in Arbeitsräumen mit Sicherheitsschränken? EN DIN Keine Daten zur Schaffung von Grenzwerten für eine Prüfgrundlage zur Lagerung in Schränken EN DIN : Ermittlung der Grenzwerte bei einem Brand von Außen nach Innen Innen- Brand mit Temperaturen von ca. 600 C? Keine Aussage Max. Innentemperatur = Umgebungstemp. + ΔT=180 C vs. Betriebstemp. 60 C u. kritischer Temp C von LiBa! Stimmt die Typangabe der Feuerwiderstandsfähigkeit auf dem Schrank mit der tatsächlichen Zeit das Schutzziel der Sicherheitsschränke zu erreichen überein? Definierte Fluchtzeit Zeit für Hilfskräfte Löschmaßnahmen einzuleiten 14

15 Erbstößer Lösungsansatz - Ziel gesunder Respekt beim Umgang und Lagerung von LiBa Erstellung einer Gefährdungsbeurteilung durch den Nutzer, in Anlehnung TRGS 510: 2013 Lagerung von frischen, intakten LiBa nur in der original Transportverpackung, sofern dies die Gefährdungsbeurteilung zulässt Lagerung mit offenen Lüftungsstutzen möglichst mit Anschluss eine technisch aktive Ablufteinrichtung, die an ungefährdeter Stelle ins Freie führt Einführung aller notwendigen Elektrokabel nur mit schrankbezogen geprüften und zugelassenen Brandschutzdurchführungen Offene, defekte oder anderweitig, nicht beurteilbare, LiBa werden in besonderen Behältern gelagert, welche mit dem Löschmittel PyroBubbles gefüllt sind (lose Schüttung des Löschmittels). Genius LIONGUARD VG2 An die Stromversorgung angeschlossene oder diagnosebedürftige LiBa werden in besonderen Behältern untergebracht, in den Kissen, gefüllt mit dem Löschmittel PyroBubbles, welche die LiBa umgeben. 15 PyroBubbles ist eingetragenes Warenzeichen der Genius Technologie GmbH

16 Brandprüfung bei MPA Dresden Lagerbox LIONGUARD VG II, eingestellt in einen Sicherheitsschrank mit zerstörender Prüfung gem. EN zur Ermittlung der Temperatur in der Box Beflammung von außen t 90 min. nach ETK gem. EN Sechs Temperaturmessstellen : Die Messstellen Eins bis Vier in den Ecken, jeweils 30 mm vom Rand entfernt, in einer Höhe von ca. 130 mm unterhalb des Deckels Messstelle Fünf ( Batterie - Messstelle) mittig auf einem Vierkantstahl, ebenfalls 130 mm unterhalb des Deckels Messstelle Sechs mittig auf der Deckelunterseite LionGuard ist eingetragenes Warenzeichen der Genius Technologie GmbH 16

17 Brandprüfung bei MPA Dresden Aufzeichnung der Brandentwicklung außerhalb des Schrankes 17

18 Brandprüfung bei MPA Dresden 18

19 Warum Lagerbehälter mit PyroBubbles? Hauptbestandteil Siliziumdioxid = leicht & temperaturbeständig bis ca C Untersuchtes/geprüftes Brandschutzmittel Brandklassen ABD und F Hohlglasgranulat Baustoffklasse A1 elektrisch nur gering leitfähig Wirkungsweise: Inertisieren: Die dichte Kugelpackung hemmt den Stofftransport und verhindert wirksam die Entstehung entzündfähiger Gemische Kühlen: Das Granulat nimmt durch seine große spezifische Wärmekapazität viel Energie auf. So wird die Temperatur austretender Gase/Dämpfe reduziert und eine Selbstentzündung verhindert Adsorption: Dämpfe und Flüssigkeiten lagern sich an der hochgradig porösen Oberfläche an und können gebunden entsorgt werden (auch austretendes Elektrolyt) Wirksame Verhinderung des Temperaturanstieges der LiBa-Oberfläche auf mehr als 100 C über den Flucht-(Prüf-)zeitraum hinweg Wirksame Verhinderung des Brand-Übergangs von einer LiBa zur anderen, bei einem Schadensfall im Schrank. Das aktive Szenario wird auf den Behälterinhalt beschränkt Löschfunktion ohne aktive technische Löschanlage Einfache Entsorgung oder Wiederverwendbarkeit des nicht betroffenen Löschmittels Integration des LIONGUARD - Transportsystems in den Produktionsablauf durch unsere Sicherheitsschränke möglich (Gutachtliche Stellungnahmen der MPA liegen zum System liegt vor) LionGuard /Pyrobubbles eingetragenes Warenzeichen. Der Genius Technologie GmbH 19

20 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Möchten Sie auf aktuellem Stand bleiben? Fordern Sie unseren Leitfaden Lagerung von Lithium-Batterien in Arbeitsräumen unter an! Weitere Entwicklungen in Vorbereitung (Kombination mit Löschsystem auf Aerosol- Basis), etc. 20