Wenn die Batterie in Flammen aufgeht Brandversuche im Zentrum für Brandforschung (ZeBra)

Brände mit gelagerten Batterien sind glücklicherweise sehr selten. Dennoch können sie beispielsweise durch technische Defekte oder externe Zündquellen verursacht werden. So entzündeten sich bei einem Akku-Unternehmen im österreichischen Vorarlberg innerhalb kürzester Zeit alle im Lager befindlichen Batterien und es kam zu einem Großbrand. Wie schnell sich ein Brand von dicht gelagerten Antriebsbatterien mit Lithium-Ionen-Technologie ausbreitet und wie diese Ausbreitung am besten begrenzt werden kann, wollen Wissenschaftler*innen des Instituts für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (iBMB) der TU Braunschweig in einem Verbundprojekt mit der Branddirektion München und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung untersuchen. Dazu fanden jetzt die ersten Experimente im Zentrum für Brandforschung (ZeBra) und damit auch die ersten Batteriebrandversuche in der neuen Experimentierhalle statt.

Propangasflamme im Kalibrierbrenner. Eine Vormessung für die weiteren Brandversuche mit Batterien. Bildnachweis: iBMB/TU Braunschweig

Für die Versuchsreihe nutzten die Wissenschaftler*innen das Batteriekalorimeter K5 im ZeBra. Insgesamt kamen zwölf Speichermodule von Elektrofahrzeugen zum Einsatz, die von drei verschiedenen deutschen Automobilherstellern für die Untersuchungen im Projekt zur Verfügung gestellt wurden.

Die Brände lösten die Forschenden durch Überhitzen mit einer Heizplatte aus, in der Brandsituation mit einem Propangasbrenner und durch mechanische Beschädigung, indem ein Nagel in das Batteriemodul eingeschlagen wurde. Gemessen wurden die Temperaturen auf der Batteriemoduloberfläche und in der Umgebung, die Wärmestrahlung der reagierenden Module und die insgesamt freigesetzte Energiemenge. Dazu wurde die Gaszusammensetzung im Rauchgasstrom ermittelt und die Masse des Batteriekörpers während des gesamten Versuchs aufgezeichnet. Im Brandraum hatten die Wissenschaftler*innen zudem verschiedene Systeme zur Brandfrüherkennung installiert. Auch eine Wärmebildkamera wurde eingesetzt.

Mehrstündige Aufwärmphasen

Erstes Zwischenfazit: Das „thermische Durchgehen“ der Batteriekörper zu provozieren, war zum Teil sehr langwierig, in einigen Fällen waren im gewählten Aufbau mehrstündige Aufwärmphasen erforderlich. Das Brandverhalten der Batteriekörper, insbesondere der mittels Heizplatte oder Propangasflamme erwärmten Modulkörper, war kurz, aber sehr intensiv. Bei Modulen, die durch eine mechanische Beschädigung zum Brennen gebracht wurden, breitete sich der Brand langsamer von Batteriezelle zu Batteriezelle aus. Bei einigen Versuchen fand überhaupt keine Entzündung statt.

Im Batteriekalorimeter K5 im Zentrum für Brandforschung (ZeBra) kamen insgesamt zwölf Speichermodule von Elektrofahrzeugen zum Einsatz. Die genutzte Batterie darf im Bild nicht gezeigt werden. Bildnachweis: iBMB/TU Braunschweig

Doch warum entstehen diese Brände überhaupt? „Es ist nicht vollständig auszuschließen, dass Batteriemodule – herstellungsbedingt oder insbesondere auch nach einer Beschädigung – interne Fehler aufweisen, die zu einer Entzündung führen können. Wenn diese kritischen Batterien nicht gesondert in gesicherten Bereichen mit entsprechenden Maßnahmen gelagert werden, kann es bei einer Entzündung zum Brandüberschlag auf andere gelagerte Batterien kommen. Im aktuellen Vorhaben untersuchen wir experimentell, wie diese Brandausbreitung in der Lagersituation erfolgreich verhindert werden kann“, sagt Projektmitarbeiter Justus Frenz (iBMB). Projektleiter Professor Jochen Zehfuß vom iBMB weist darauf hin, dass „Brände aber natürlich auch unabhängig von den Batterien entstehen. In gemischten Lageranordnungen sind die Module dann nicht unbedingt ursächlich für den Brand, aber in der Folge am Brandgeschehen beteiligt.“

Die Ergebnisse und Erfahrungen der ersten Versuchsreihe werden in die Versuchsplanung der zweiten und dritten Versuchsreihe des Projekts „Beherrschbarkeit von Großschadensfeuern in Industriehallen mit dem Gefahrgut Hochvoltspeicher und deren Ausbreitungsmodelle – (BEGIN-HVS)“ einfließen. Im Gesamtvorhaben werden die Erkenntnisse aus der ersten Versuchsreihe in die Erstellung der Sicherheitskonzepte und des Leitfadens für Brandschutzdienststellen zum Umgang mit Bränden von Hochvoltspeichern einbezogen, der zum Projektende hin federführend von der Berufsfeuerwehr München als Verbundkoordinator erstellt wird.

Zum Projekt

Das Projekt BEGIN-HVS wird im Rahmen des Programms „Forschung für die zivile Sicherheit“ in der Fördermaßnahme „Anwender – Innovativ: Forschung für die zivile Sicherheit II“ durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit über 1 Million Euro unter den Förderkennzeichen 13N16603 – 13N16605 gefördert und hat eine Laufzeit vom 01. Mai 2023 bis zum 30. April 2025.