Was tun, wenn’s brennt? Lithium-Batterien aus Sicht der Feuerwehr

Von: Michael Aldick, Oberbrandmeister Werkfeuerwehr Adam Opel AG, Rüsselsheim

Michael Aldick, Oberbrandmeister Werkfeuerwehr Adam Opel AG, Rüsselsheim

Durch neue Anforderungen im Umweltschutz sucht die Automobilindustrie technische Innovationen und alternative Energien zum Betreiben von Fahrzeugen. Seit den frühen 40er Jahren wurde schon an elektrischen Fahrzeugen geforscht. Erst durch neue Batteriegenerationen ist es möglich, dem Wunsch nach Geschwindigkeit, Strecke und Leistung nachzukommen.

Moderne Batterien können mittlerweile rein elektrisch, ohne Zusatzmotor, eine Strecke von 300 bis 400 Kilometern, teilweise sogar mehr garantieren. Diese Leistungen sind nur möglich, wenn der Akkumulator auch die benötigte Energie schnell und sicher abrufen kann. Bis zum Jahr 2020 sollen rund eine Million Elektrofahrzeuge auf den deutschen Markt kommen. Neue, auf Lithium-Verbindungen basierende Akkus sind in der Lage, eben diese Leistungen bei vergleichsweise geringen Baugrößen zu bringen.

Nun hat sich der Mythos festgesetzt, von eben diesem Batterietyp würden immense Gefahren ausgehen. Besonders im Feuerwehrbereich existiert die oft genannte Meinung, mit dem Löschmittel Wasser würde man im Brandfall eine Ausbreitung des Brandes erreichen oder gar erst einen solchen provozieren, da evtl. freigesetzte Lithium-Metall-Verbindungen mit dem Wasser reagieren können und dabei sogenanntes „Knallgas“ entsteht. Teilweise ist von gigantischen Explosionen die Rede. Das in den Kohlenstoff eingelagerte Lithium kann mit Wasser unter Flammenbildung reagieren. Bei der Reaktion des Lithiums mit dem Elektrolyt als auch mit dem Löschwasser kann Wasserstoff entstehen. Dieser Wasserstoff kann unter Umständen mit der Umgebungsluft zündfähige Gemische bilden und schlagartig abbrennen.

Um diesen Mythos zu entkräften und Möglichkeiten im Schadensfall aufzuzeigen, wurden viele Versuche durchgeführt. Ein solcher Versuch wird im Weiteren beschrieben. Grundsätzlich unterscheiden sich neuartige Lithium-Ionen-Batterien in Gänze von den herkömmlichen Akkumulatoren-Typen und können Leistungen erbringen, die eine ökonomische Reichweite garantieren. Als Materialien für die positive Elektrode (Kathode) der Lithium-Ionen-Akkus werden heute vielfach lithierte Metalloxide (Metalle = Kobalt, Nickel, Mangan), deren Mischungen und lithiertes Eisenphosphat verwendet. Für die negative Elektrode (Anode) wird Lithium meist eingelagert in Kohlenstoffmaterialien (z.B. Grafit) oder Titanoxid verwendet. Die Zellen sind mit einem Elektrolyt gefüllt, das zum Teil flüssig vorliegt, jedoch hauptsächlich in den Elektroden und im sogenannten Separator absorbiert ist. Kleinere Zellen auf Lithium-Basis werden schon seit Langem in den verschiedensten Steuerschaltungen von PC, Uhren und anderer Kleinelektronik eingesetzt, in der Kfz-Industrie werden mehrere Zellen zu großen Zellenverbänden zusammengeschalten. In rein elektrischen sowie in Hybrid-Fahrzeugen gibt es mehrere Spannungsversorgungen, die bekannte 12-/24V-Gleichspannung als standardmäßige Kfz-Stromversorgung für Licht, Radio und sonstige Verbraucher ist weiterhin vorhanden.

Hinzukommen in der Regel, je nach Fahrzeugtyp 110V-Gleichspannung als Steuer- und Prüfspannung, die zur passiven und aktiven Überwachung des elektrischen Antriebssystems dient. Die reine Antriebsspannung von bis zu 1.000 V Hochvolt ist um ein vielfaches höher, wobei momentan zwischen 400V- und 600V-Gleichspannung die gängigsten Antriebsspannungen vorweisen. Die hierzu benötigten Starkstromleitungen (HVIL – High Voltage Interlock Loop), die durch das Fahrzeug geführt werden, unterliegen noch keiner Normierung. In der Fahrzeugtechnik haben diese jedoch nahezu immer eine orangefarbene Ummantelung und sind erkennbar allein schon dadurch, dass sie wesentlich dicker sind als die bekannten, im Fahrzeugbau verwendeten Massekabel.

Weitere Hinweise über mögliche elektrische Gefahren werden durch gut sichtbare Piktogramme visualisiert. Ist eine Lithium-Ionen-Batterie unbeschädigt und wird so verwendet, wie es der Hersteller vorsieht, geht von dieser keine Gefahr aus, lediglich die Spannung, die die Batterie liefert, ist mit der bekannten Sorgfalt zu behandeln. Kommt es nun aber zu einer Beschädigung der Batterieaußenhülle oder zu einem Bruch einer oder mehrerer Zellen, so ist die Sicherheit des Akkumulators nicht mehr im Sinne des Herstellers gewährleistet und die Batterie muss mit besonderem Augenmerk behandelt werden. Bei der Beschädigung der Batteriehülle können Elektrolyte in Form von Gel austreten, die eine Umweltgefährdung darstellen. Dieses Gel kann mit trockenem Sand oder Bindemitteln für Säure aufgenommen werden. Ein Hautkontakt ist durch Schutzausrüstung, wie z.B Handschuhe, Gesichtsschutz oder Atemschutzmaske, zu vermeiden. Prinzipiell ist eine der Situation angemessene Schutzkleidung zu tragen. Sollte dennoch ein Hautkontakt mit dem ätzenden Material stattfinden, ist mit viel Wasser zu spülen. Auch verunreinigte Kleidung kann mit reichlich Wasser gesäubert werden.

Sollte es zu einem Brand von und mit Lithium-Batterien kommen, kann dieser ebenfalls grundsätzlich mit Wasser bekämpft werden. Brände in der Umgebung sind mit herkömmlichen Löschmittel zu bekämpfen. Bei extremer thermischer Belastung kann es in den Lithium-Ionen-Akkus zu einem Schmelzen der aus Kunststoff hergestellten Separatoren und somit zu einem inneren Kurzschluss mit anschließendem Brand kommen. Durch die kühlende Wirkung von Wasser wird das Übergreifen eines Brandes auf Batteriezellen, die noch nicht die für die Entzündung kritische Temperatur (Thermal Runaway)1 haben, wirkungsvoll gehemmt. Eine Zersetzung der Lithium-Verbindungen ist nicht ganz auszuschließen, jedoch nicht in solchen Größenordnungen, in der das im Allgemeinen vermutet wird. In herkömmlichen Fahrzeugen, auch Fahrradbatterien (E-Bike), ist nicht genug Lithium bzw. Lithium-Ionen-Verbindungen enthalten, dass es zu einer Explosionsgefahr kommen kann. Bei einer Batteriemasse von ca. 200 Kilogramm beim Kfz kann von einer ungefähren Masse von ein bis zwei Kilogramm Lithium-Anteil ausgegangen werden. Natürlich unterscheiden sich die Batterien herstellerbedingt stark nach Größe, Form und Gewicht, ein Masseanteil von ca. 1 % ist aber in nahezu allen Batterien gegeben.

Aufgrund der „Zellchemie“ und des vergleichsweise geringen Anteils von reinem Lithium kann ein Leichtmetallbrand ausgeschlossen werden. Startet der Zersetzungsprozess in einer Batterie, heizt sich diese stark auf. Die optimale Betriebstemperatur liegt zwischen 10 °C und 60 °C. Erreicht die Zelle durch Zersetzung oder durch Hitzeeinwirkung die kritische Temperatur von ca. 120 °C werden bisher nicht betroffene Zellen beschädigt und es kommt zu einer Kettenreaktion, wobei es zu einer „Selbstentzündung“ von bisher nicht betroffenen Zellen kommen kann. Aus Sicht der Brandbekämpfung ist Wasser das einzige Mittel, das die entstehende Wärme ableiten kann, um die unerwünschte Reaktion in der Batterie zu unterbinden. Mit den gängigen Löschmitteln, wie Löschpulver oder Kohlenstoffdioxid, ist es zwar möglich, einen evtl. Brand schnell und effektiv einzudämmen, ein erneutes Aufflammen durch die weiterlaufende Reaktion innerhalb der Batterie ist aber in den allermeisten Fällen zu erwarten. Verschiedenste Versuchsreihen haben gezeigt, dass die Gefahren, die von Elektrofahrzeugen ausgehen, weitestgehend geringer sind als in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Die Akkumulatoren sind in Regionen im Fahrzeug verbaut, sodas bei einem Unfall die Energiespannungsträger weitestgehend unbeschadet bleiben.

Bei einem Ereignis, z.B. der Auslösung von einem oder mehreren Airbags oder gar einem Lagefehler (Überschlag des Fahrzeuges), trennen automatische Schalt- und Sicherheitssysteme die Antriebsbatterie vom Antriebsnetz und entladen dieses binnen Sekunden (Opel Ampera), sodass die Hochvolt-Batterie das einzige stromführende Teil im havarierten Fahrzeug bleibt. Das 12-/24V-Bordnetz bleibt erhalten. Für Ersthelfer wie auch für Rettungskräfte werden die Gefahren an einer Unfallstelle dadurch enorm minimiert. Bekannterweise sind die im Handel und somit auch die für den Ersthelfer verfügbaren Löschgeräte bis zu einer Spannung von bis zu 1.000 V bei einem Abstand von einem Meter zu verwenden. Auch Arbeiten an einem solchen Fahrzeug sind gefahrlos möglich, sofern die Batterie, wie schon erwähnt, unbeschädigt ist.

Bei Arbeiten an einem unbeschädigten Fahrzeug ist das Hochvoltsystem in einen sicheren Zustand zu bringen. Dabei werden alle hochvoltführenden Leitungen und Systeme sicher entladen, lediglich der Akkumulator behält noch seine Ladung. Arbeiten an der Lithium-Batterie haben in jedem Fall zu unterbleiben und ist nur gestattet für vom Hersteller beauftragtes Personal. Für Feuerwehren und andere Rettungskräfte, die auch nach dem ersten Rettungs- und Löschversuch bei einem brennenden Kfz tätig werden, gilt weiterhin, die havarierte Batterie zu kühlen und evtl. austretende ätzende Elektrolyte wie beschrieben aufzunehmen und der fachgerechten Entsorgung zuzuführen. Besondere Löschmittelzusätze bei einem Brand von Elektrofahrzeugen oder Hochvolt-Batterien sind nicht notwendig. Nach dem Brand ist zu empfehlen, die Hochvolt-Batterie zu kühlen, wobei sich die begrenzte Zugänglichkeit, meist im gesicherten Fahrzeugboden, in diesem Fall als nachteilig erweist. Die Opel AG führte im Jahr 2012 an einem serienreifen Opel Ampera eine Löschdemonstration durch, wobei zur Veranschaulichung ein Feuer im Motorraum entzündet wurde, um zu sehen, wie sich ein Schadensfeuer bei einem Elektrofahrzeug verhält. 16 Minuten nach der Entzündung stand der Motorraum des Fahrzeuges im Vollbrand, nach insgesamt 22 Minuten das ganze Fahrzeug. Bereits drei Minuten nach Beginn der ersten Löscharbeiten war keine Flammenbildung im und am Fahrzeug mehr zu sehen. Die Batterie wurde lediglich noch zwei Minuten mit Sprühstrahl zur Abführung von evtl. entstehender Reaktionswärme gekühlt.

Als Fazit bleibt festzuhalten, dass die Gefahren bei einem Unfall oder gar einem Brand eines Elektrofahrzeuges im Vergleich zu einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor nicht größer, eher im Gegenteil kleiner sind. Es treten durch die alternative Antriebsart weniger bis keine brennbaren und umweltgefährdenden Kraftstoffe aus.



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