Lösemitteldämpfe kündigen Brandentwicklung eine gewisse Zeit vor der ersten Flamme an
Brände von Lithium-Ionen-Batterien haben ein hohes Schadenspotenzial und sie sind schwer zu bekämpfen. Bevor es lichterloh brennt, verströmen die Batterien aber spezifische Elektrolyt-Lösemitteldämpfe, die sich mit speziellen Sensoren detektieren lassen und so eine frühe Brandbekämpfung und andere Maßnahmen zur Sicherung von Mensch und Gerät ermöglichen.
Lithiumhaltige Batterien und Akkus sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Sie überzeugen mit einer hohen Energiedichte und einer kaum wahrnehmbaren Selbstentladung bei normalen Raumtemperaturen. Daher werden sie nicht nur in Notebooks, Laptops und Smartphones verbaut, sondern auch in Haushalts- und Gartengeräten sowie in medizinischen Geräten. In der Elektromobilität stellen sie die Hauptenergiequelle dar. In der Industrie kommen Lithium-Ionen-Batterien oder Akkus beispielsweise in Batteriecontainern für Solarkraftwerke, in kommerziellen Batterieräumen von Industrieunternehmen sowie in Rechenzentren zum Einsatz. Egal in welchen Bereichen und Branchen und in welcher Stückzahl sie eingesetzt werden, sie sind naturgemäß entflammbar und damit nicht ungefährlich. Neben thermischen und elektrischen Gründen, wie Überhitzung und Überladung, können mechanische Faktoren, wie Beschädigungen bei Transport oder Lagerung zu Bränden führen, bei denen stark reizende, ätzende und giftige Dämpfe und Substanzen freigesetzt werden können. Ohne schnelle Brandbekämpfung bzw. geeignete brandschutz- und anlagentechnische Maßnahmen ist mit einer größeren Brandausbreitung sowie einer Kontamination mit korrosiven und toxischen Stoffen zu rechnen. Für Unternehmen bedeutet das nicht nur die Reinigung und im schlimmsten Fall die Entsorgung von Maschinen, Anlagen und Geräten. Weitere Folgen können Produktionsausfälle, Datenverluste und Reputationsschäden sein.
Elektrolytverbindungen detektieren
Der „Lithium-Ionen Bändiger“ warnt vor Batteriebränden, bevor die ersten Flammen austreten. Er detektiert die vor der Entzündung austretenden Lösemitteldämpfe.
Bild: Xtrails
Was in anderen Bereichen durch Brandfrüherkennungsanlagen bereits üblich ist, nämlich Brandaerosole in einem frühen Stadium zu detektieren, ist auch im Bereich der Lithium-Ionen-Batterien möglich. Obwohl es für den Laien plötzlich und unerwartet zu einem Brand kommt, kündigt sich dieser bereits unsichtbar an. Denn bevor tatsächlich Rauch und Flammen auftreten, werden in der Ausgasungsphase produkttypische Gase, so genannte Elektrolyt-Lösemitteldämpfe, freigesetzt, die schwerer als Luft sind und frühzeitig detektiert werden können. Speziell für diese Übergangsphase vom Austreten des Gases bis hin zur Entstehung von Rauch und Flammen, was zwischen 2 und 30 min dauern kann, gibt es ein Detektionssystem, dessen Abgassensoren sehr empfindlich auf Elektrolytverbindungen von Lithium-Ionen-Batterien reagieren. Diese Sensoren sind mit allen Bauformen und Chemikalien von Lithium-Ionen-Akkus kompatibel und erfordern keine Kalibrierung. Der dazugehörige Controller verarbeitet und verwaltet das Sensorsignal. Dadurch erkennt er, wann und wo Batterie-
elektrolyt austritt. Die Funktionsweise der Überwachungsgeräte für Ausgasungen ist simpel: Das Rohsignal des Sensors wird erfasst und ein speziell entwickelter Ereigniserkennungsalgorithmus verarbeitet dieses Signal. Für die Gaserkennung wird eine bestimmte Grenze an Ausgasungen festgelegt. Dabei liegt der untere Grenzwert unter 1 ppm und einer Ansprechzeit von leidglich 5 sek. Dank der gezielten Möglichkeit der Detektion, können sogar einzelne Zellfehler in einem frühen Stadium detektiert werden.
Platzierung der Sensoren
Die Überwachungssensoren werden in der Nähe oder direkt am Batterie-Rack platziert, um Ausgasungen aus dem Rack zu detektieren. Obwohl der Luftstrom für den Sensorbetrieb nicht zwingend erforderlich ist, sollte dennoch das Luftströmungsventil bei der Platzierung der Sensoren beachtet werden. Tritt beispielsweise Luft von der Rückseite des Racks ein und an der Vorderseite aus, sollte der Sensor an der Vorderseite des Racks platziert werden. Nur so kann er die austretende Luft optimal detektieren. Dahingegen werden die Referenzsensoren so im Raum verteilt, dass sie die Lufteingänge, beispielsweise bei Türen oder Belüftungsanlagen, überwachen. Bei dieser wichtigen vorbeugenden Brandschutzmaßnahme kommt es selbstverständlich auf die exakte Platzierung aller Sensoren an, daher sollte die Bestimmung der Lage sowie die Ausrichtung immer dem Fachpersonal überlassen werden. Grundsätzlich lässt sich sagen, dass sich das System für einen Temperaturbereich zwischen -10 bis +60 °C und einer Feuchtigkeit von 5 bis 95 % (Relative Luftfeuchtigkeit RH) eignet. Damit ist es für viele Bereiche und Branchen, in denen Lithium-Ionen-Batterien bereits zur Grundausstattung gehören, prädestiniert.
Mit der Anzahl und Größe von Stromspeichern mit Lithium-Ionen-Batterien nimmt auch die Wahrscheinlichkeit von schwerwiegenden Bränden zu. Frühzeitige Detektion ist deshalb ein wichtiger Ansatz zur Schadensminimierung.
Bild: Clipdealer
Frühzeitige Erkennung reduziert Schäden auf ein Minimum
Da innerhalb von wenigen Sekunden ein Gausaustritt erkannt wird, kann ein thermisches Durchgehen oft verhindert und katastrophale Folgen vermieden werden. Neben der Reduktion von Schäden sowie Ausfallzeiten kann der Austritt schädlicher Stoffe reduziert werden. Zudem erhöht sich dank einer unabhängigen und redundanten Sicht auf den Batteriezustand die Lebensdauer des Produkts. Aufgrund der Gasdetektion der Elektrolyt-Lösungsmitteldämpfe können frühzeitig Korrekturmaßnahmen, wie beispielsweise das Herunterfahren der Energiespeicher in einem Rechenzentrum eingeleitet werden, um den thermischen Durchgang des gesamten Batteriesystems mit unkontrollierbaren Temperaturen und Folgen zu verhindern. Trotz der Gasdetektion können thermische Instabilitäten oder Brände auftreten, weshalb parallel ein geeignetes Brandschutzkonzept erstellt werden sollte. Kommt es dennoch zum Worst Case, steht die Evakuierung der Personen, die nicht für die Gefahrenabwehr zuständig und ungeschützt sind, aus dem Gefahrenbereich an. Die anschließende Brandbekämpfung sollte den Experten überlassen werden.
Die Erfahrung hat gezeigt, dass es bis dato keine hundertprozentig zufriedenstellende Löschlösung für Lithium-Ionen-Batterien gibt, die als alleinige Brandschutzmaßnahme überzeugt. Daher stellt die Gasfrüherkennung momentan die sicherste Methode dar, wenn es auf jede Minute ankommt. Denn durch die Gasdetektion werden fehlerhafte Batteriezellen und somit aufkeimende Brände in der Entstehungsphase detektiert und es kann umgehend reagiert werden. Schlussfolgernd werden Schäden so gering wie möglich gehalten.
