Brandschutz: Herausforderungen durch Lithium-Ionen- Akkus

Egal ob E-Bike, Elektrofahrzeuge, Notebook oder in der Medizintechnik – in fast allen Branchen kommen vorwiegend wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien und -Akkus  zum Einsatz, die hohe Brandschutzanforderungen erfüllen müssen.

Die Batterien werden weltweit produziert und vertrieben, auch bei der BMZ Group mit Stammsitz in Karlstein, Region Frankfurt am Main. Seit mehr als 25 Jahren stellt BMZ  Batterielösungen für die Industrie und auch für Endverbraucher her. Am Standort „Zeche Gustav“ bei Karlstein ist vor kurzem ein neues Logistikzentrum mit Gefahrgut-Lager speziell zur Kommissionierung und Lagerung von Lithium-Ionen-Batterien sowie Lithium-Ionen-Zellen entstanden. Das Zentrum verfügt über eine Fläche von etwa 7 000 m² und über 10.000 Palettenstellplätze. Ein besonderes Brandschutz- und Löschsystem, geprüft und zugelassen von der Prüfstelle des VdS und damit im Versicherungsmarkt akzeptiert, sichert dabei das Zentrum.

Lithium-Ionen-Akkus zählen zu den Gefahrgütern, womit zunächst bei deren Transport spezielle Vorschriften zu beachten sind. Lithium-Ionen-Akkus weisen im Vergleich zu herkömmlichen Batterien eine besondere Eigenschaft auf: Kommt es im Innern der Zelle zu einem Kurzschluss  durch einen technischen Defekt oder mechanische Beschädigung können sie von selbst anfangen zu brennen. Dies ist auf die Verwendung der eingesetzten Materialien zurückzuführen, die bei der Zersetzung Wärme abgeben (exotherme Reaktion). Der Effekt wird durch die als Kathodenmaterial verwendeten Übergangsmetalloxide, die unter Freisetzung von Sauerstoff reagieren, zusätzlich noch einmal verstärkt. Dieser Prozess wiederholt sich im Innern ständig, die entstehende Wärme kann nicht abgeführt werden (thermal runaway).

Dieses Phänomen tritt bei anderen bekannten Batterietechnologien nicht auf. Dort kommt es bei Überladung lediglich etwa zu einer Ausgasung, die zu Leistungsverlusten führt, die Batterie aber nicht zerstört. Brennende Lithium-Ionen-Akkus können zunächst nicht gelöscht, sondern müssen erst über einen längeren Zeitraum (mindestens 48 Stunden) herunter gekühlt werden, was die Feuerwehr vor einige Herausforderungen stellen kann. Die im Gefahrgutlager untergebrachten Lithium-Ionen-Akkus fallen unter die UN Klassen 3480, 3481, 3090, 3091 sowie 3171. Auch externe Kunden können das Lager für die Einlagerung von Gefahrgut nutzen. Sämtliches Gefahrgut wird dabei auf Zusammenlagerungsverbote mit den UN-Nummern überprüft. Erst danach wird über eine Einlagerung entschieden, denn nicht jedes Gefahrgut darf gleichermaßen zusammen untergebracht werden, selbst wenn es in dieselbe Klasse fällt.

Das Grundproblem bei der Konzeptionierung des Gefahrgutlagers ist der Mangel an rechtlichen Vorgaben gewesen. Rein rechtlich betrachtet, können Lithium-Ionen-Akkus wie andere Güter auch gelagert werden. „Der entscheidende Faktor sind hier die Versicherer, die solche Lagerzentren niemals abnehmen würden, wenn eben nicht ein spezielles Brandschutzkonzept zugrunde liegt“, erklärt Thomas Oschmann von der BMZ Group. Orientierung bietet das amerikanische Industriesachversicherungsunternehmen FM Global, das sich bereits 2016 mit der Frage der Einlagerung von Lithium-Ionen-Akkus beschäftigt hat. Um zu einer praktischen Aussage zu gelangen, wie Akkus zu lagern und gegebenenfalls zu löschen sind, wurden umfangreiche Tests durchgeführt. Das Szenario umfasste verpackte 20-Ah-Polymerbatterien in Wellpappkartons mit schweren Kunststofftrennwänden bei nominal 50 % Ladezustand, die in einem Regallager in drei Ebenen mit einer Gesamthöhe von 4,60 Metern und einer Hallenhöhe von 12.20 Metern gestapelt wurden.

Die Paletten wurden extern entzündet und das gesamte Brandgeschehen aufgezeichnet, mit Daten wie Hitzeentwicklung, Gas- und Flammenausbreitung und die Effektivität eines Sprinklersystems. Wasser ist zur Kühlung nach wie vor am besten geeignet, wobei die Versuche gezeigt haben, dass sich etwa die Ladezustände der Akkus auf den thermal runaway und damit auf die Hitzeentwicklung und die Brandausbreitung auswirken. Das bedeutet, dass auch die Lagerung unterschiedlicher Lithium-Ionen-Akkus einen Einfluss auf den Brandverlauf haben kann. Die umfangreichen Ergebnisse dieser Tests trugen maßgeblich zur Umsetzung des Brandschutzkonzepts des Gefahrgutlagers der BMZ Group bei, so dass sich mit allen Beteiligten (Versicherer, VdS, TÜV, Landratsamt und Feuerwehr) gemeinsam ein integriertes und abgestimmtes Brandschutzkonzept entwickeln und umsetzen ließ (siehe Kasten auf S. ).

Das Logistikzentrum besteht aus der Kommissionierungshalle mit Warenein- und Ausgang (KOM-Halle), in der auch die Verwaltung untergebracht ist, und einem Hochregallager, die durch eine Brandwand F-90A voneinander getrennt sind. Das Hochregallager ist in zehn Ebenen unterteilt, mit einer Gesamthöhe von knapp 16 Metern. „Auf den Ebenen 01, 03, 05, 07, 09 ist ein vollflächiger Sprinklerschutz installiert, und jede Sprinklerebene ist zusätzlich durch ein Hitzestaublech voneinander getrennt. Die obersten Ebenen sind durch die Sprinkler in der Hallendecke geschützt“, erläutert Oschmann. Für die obersten beiden Ebenen 09 und 10 besteht auch ein Einlagerungsverbot für Gefahrgut. Sowohl die KOM-Halle als auch das Lager überwacht ein umfangreiches Rauchansaugsystem (42 RAS-Linien).

Das RAS soll bereits kleinste Entstehungsbrände frühzeitig erkennen, um gegebenenfalls eine Palette vor Auslösung der Sprinkleranlage aus dem Regal evakuieren zu können. Ist eine Evakuierung der Palette nicht mehr möglich, greift bei Überschreitung der Auslösetemperatur der o. g. Sprinklerschutz. Die Sprinkler beziehen ihr Wasser aus einem 754 Kubikmeter großen Löschwassertank, zwei Dieselpumpen sorgen für den erforderlichen Druck an den Sprinklern, der bei definierter Maximalauslastung bis zu einer Stunde aufrecht gehalten werden kann. Da beim Löschen von Lithium-Ionen-Akkus das Löschwasser möglicherweise kontaminiert ist, ist der gesamte Lagerbereich zudem mit einer „weißen Wanne ”, einem Löschwasserrückhaltesystem, ausgestattet. Durch diese Bauweise kann verunreinigtes Löschwasser im Nachgang abgepumpt werden, wodurch eine Kontamination des Grundwassers verhindert wird. Damit wird ebenfalls, nach Überprüfung, die Einlagerung von wassergefährdeten Stoffen möglich (WGK (Wassergefährdungsklasse)).

Käme es in der Produktion zu einem Brand einer Lithium-Ionen-Zelle, würde diese in speziellen Brandboxen, die an den Produktionslinien bereitstehen, in einen abgesperrten Bereich auf dem Außengelände gebracht und dort gekühlt werden. Ähnliches gilt für einen Brand im Hochregallager. Löst ein Melder oder Sprinkler aus, wird der Alarm direkt an die Feuerwehr übertragen, die auf jeden Fall ausrückt. Je nach Tageszeit kann diese von Mitarbeitern, unter denen sich auch Angehörige der freiwilligen Feuerwehr befinden,  eingewiesen werden. Weiterhin dienen Feuerwehr-Laufkarten und das Feuerwehrtableau in der Brandmeldezentrale zur Orientierung. Da eine RAS-Linie einen größeren Regalbereich überwacht und somit eine Palette nicht genau detektiert werden kann, ist eine Sichtung des eigentlichen Brandherdes unumgänglich, was gerade in den höheren Ebenen schwierig sein kann. Ziel sollte es sein, eine rauchende Palette aus dem Regal zu evakuieren.

Hierzu muss ein Mitarbeiter, der an den im Lager eingesetzten Schmalgangstaplern ausgebildet ist, die Palette von ihrem Standort herunterholen und ins Freie befördern. „Da eine solche Aktion mitunter gefährlich für den Mitarbeiter im Brandfall sein kann, wäre eine solche Aktion absolut freiwillig. Kein Mitarbeiter soll und darf seine Gesundheit dafür riskieren“, erklärt Ralph Eberle von der BMZ Group. Sollte es nicht gelingen, die Palette aus dem Regallager zu entnehmen, müsste der Abschnitt aufgegeben werden. Alle Mitarbeiter würden im Alarmfall ohnehin sowohl die KOM-Halle als auch das Lager verlassen. Da die Führung eines Schmalgangstaplers einiges an Erfahrung benötigt, ist eine Bergung durch die Feuerwehr nicht möglich – ein ausgebildeter Mitarbeiter muss dann vor Ort sein und selbst entscheiden, ob er eine brennende Palette ohne Eigengefährdung aus dem Lager bringen kann. Nur in Ebene 00, am Boden, kann dagegen auch ein Hubwagen zur Bergung einer Palette herangezogen werden.

Das dem Logistikzentrum mit Gefahrgutlager zugrundeliegende Brandschutzkonzept dürfte bundesweit seinesgleichen suchen, denn die Größe des Lagers und die damit verbundenen besonderen Anforderungen an den Brandschutz, speziell für Lithium-Ionen-Akkus, mussten individuell entwickelt und angepasst werden. In Bezug auf das Löschkonzept mit einer Vollbesprinklerung dürfte in Sachen Akkus das letzte Wort auch nicht gesprochen sein, denn die fortschreitende Entwicklung von solchen Energiespeichern macht weitere Forschungen zum Brandverhalten sicherlich notwendig.

Bislang wird Wasser zur Kühlung favorisiert, über Löschmittel wie Löschgase oder Aerosole liegen noch keine abschließenden Erkenntnisse vor. Auch der Gesetzgeber könnte hier noch gefordert sein, tätig zu werden und Rahmenbedingungen zu definieren, was in der Ausgestaltung zu mehr Planungssicherheit führen könnte. Bis dahin hat die BMZ Group mit ihrem Gefahrgutlager einen anschaulichen Meilenstein in Sachen Brandschutz in Verbindung mit Lithium-Ionen-Akkus geschaffen.