In Europa wird das Ziel verfolgt, die CO₂-Emissionen durch den Straßenverkehr zu reduzieren. Elektrofahrzeuge sollen dazu beitragen, was für den Brandschutz die Frage nach möglichen Auswirkungen auf die Brandbekämpfungstaktik aufwirft. In der Presse wird oft über Brände mit Elektrofahrzeugen berichtet, was Bedenken und Ängste schürt. Um Einsatzkräfte zu unterstützen, haben Feuerwehrverbände und -organisationen Merkblätter mit Anweisungen zum Umgang mit in Brand geratenen Elektrofahrzeugen erstellt. Jedoch gibt es wenig aufbereitete Ergebnisse von Realbrandexperimenten, bei denen Löschmaßnahmen durchgeführt wurden. Ein Forschungsprojekt untersuchte daher Brandbekämpfungsstrategien für Elektrofahrzeuge, bei denen der Batteriebrand die Ursache ist.
Dazu wurden neben den üblichen Hohlstrahlrohren und Löschdecken auch zwei Systeme getestet, die es den Einsatzkräften ermöglichen, Lösch- und Kühlwasser in die Batteriesysteme einzubringen. Zusätzlich kam ein spezielles externes Kühlsystem zum Einsatz, das unter dem Fahrzeug positioniert wurde, um das Batteriesystem zu kühlen. Zwei weitere Experimente untersuchten den Mehrwert von Brandbegrenzungsdecken. Es wurden auch zwei Referenzversuche durchgeführt, bei denen keine Brandbekämpfung stattfand. Zusätzlich wurden chemische Untersuchungen des Rauchgases, Löschwassers und der persönlichen Schutzkleidung durchgeführt, um mögliche spezielle Gefahren für Personen und die Umwelt zu identifizieren und die derzeitigen Einsatzhinweise zu aktualisieren. Die Versuche wurden im Institut für Brand-und Katastrophenschutz Heyrothsberge durchgeführt. Die Wirksamkeit dieser Techniken wurde anhand gemessener Werte für Lösch-/Kühlwasservolumenströme, Einsatzzeit, Temperatur und Wärmestrahlung bewertet.
Aufbau von Lithium-Batteriesystemen in Fahrzeugen
Batteriesysteme in Elektrofahrzeugen bestehen aus Batteriemodulen, die aus Zellblöcken bestehen. Lithium-Ionen-Batteriezellen mit Einzelspannungen von meist 2,2V bis 4,2V werden aufgrund ihrer hohen Energiedichte verwendet. Da Traktionsbatterien als Hochvolt-Systeme gelten, müssen bei der Brandbekämpfung die vorgeschriebenen Sicherheitsabstände mit Hohlstrahlrohren eingehalten werden. Die Batteriemodule sind in einem Gehäuse mit einem Kühlsystem und einem Deckel geschützt. Der untere Teil des Gehäuses, der Batterietrog, ist entweder mechanisch stabiler oder mit einem Schutz ausgestattet, um Beschädigungen zu vermeiden. Das verdeckte Einbauen der Batteriesysteme im unteren Bereich des Fahrzeugs macht Kühl- und Löschmaßnahmen oft schwierig.
Thermal Runaway
Eine Beschädigung einer Batteriezelle oder eines Batteriemoduls kann zu einem Brand des Batteriesystems führen. Dies kann durch Überladung, Tiefenentladung, Wärmeexposition oder mechanische Schäden verursacht werden. Die chemischen Komponenten einer Zelle reagieren miteinander und setzen dabei Wärme frei, was zu einem Temperaturanstieg, einer Volumenvergrößerung und einem Druckaufbau führt. Dieser Prozess wird als Thermal Runaway bezeichnet und kann sich auf das gesamte Batteriesystem ausbreiten. Die frei werdende Wärme kann weitere Batteriezellen konditionieren und den Thermal Runaway auslösen.
Versuchskonzeption
Um den Brand eines Batteriesystems zu initiieren, wurde ein Metalldorn an vorbereiteten Stellen in das System eingetrieben, was zu einem Kurzschluss in einer Batteriezelle und einem darauf folgenden Thermal Runaway führte. Diese Art der Initiierung stellt den schlimmsten Fall dar. Nach 15 Minuten wurde mit der Brandbekämpfung begonnen, um eine maximale Vergleichbarkeit der Versuche zu gewährleisten. Insgesamt wurden 14 Fahrzeuge der Hersteller BMW, Opel und Volkswagen für Brand- und Löschversuche zur Verfügung gestellt. Darunter waren 2 BMW i4, 5 Opel Corsa e, 1 Opel Mokka e, 5 Volkswagen ID.4 und 1 Volkswagen ID.5.
Messtechnik
Im Verlauf des Projekts wurde der Versuchsaufbau erweitert und es wurden an 18 Messstellen die zeitabhängigen Temperaturverläufe gemessen. Es gab Lösch- und Kühlwasserströme, Einsatzzeiten und Rauchgasanalysen. Die Lösch- und Kühlwässer wurden hinsichtlich Kontaminationen untersucht und auch PSA-Proben wurden entnommen. Alle Versuche wurden videodokumentiert und es wurden Wärmebildkameras verwendet.
Ergebnisse
Die Brände, die trotz gleicher Vorbereitungsprozeduren und baugleichen Fahrzeugen in 15 Minuten Entwicklungszeit verliefen, waren oft unterschiedlich. Dadurch lagen zum Zeitpunkt des Löschangriffs verschiedene Brandzustände vor, auf die sich die Einsatzkräfte einstellen mussten.
Der Brandverlauf bei Beteiligung des Batteriesystems gliedert sich in drei Phasen
Phase 1: Ausgasen/Stichflamme/Funkensprühen - Ventinggase treten aus dem Fahrzeug bzw. der Batterie aus und können sich aufgrund der brennbaren Bestandteile entzünden. Das kann zu einer Brandausbreitung auf andere Fahrzeugteile führen und die Konditionierung weiterer Batteriemodule fördern. Ein E-Fahrzeug kann bis zu 30 Minuten in dieser Phase verweilen.
Phase 2: Exponentielle Zunahme der Brandintensität - Wenn die freigewordene Wärme im Batteriesystem hoch genug ist, um ein Thermal Runaway auszulösen und keine einsatztaktischen Maßnahmen ergriffen werden, geht das Fahrzeug in die nächste Brandphase über. Diese ist durch eine schnelle Brandausbreitung und Flammenbildung an Radkästen, im Bereich der Schweller sowie an Front und/oder Heck gekennzeichnet.
Phase 3: Vollbrand - Das Fahrzeug befindet sich unter Beteiligung des Batteriesystems im Vollbrand. Die Flammen haben sich von der Front und/oder dem Heck über das gesamte Fahrzeug ausgebreitet und sind in den Innenbereich des Fahrzeugs vorgedrungen.
Die Brandversuche zeigen, dass die Einsatztaktik an die verschiedenen Brandphasen angepasst werden muss, da die Übergänge zwischen den Phasen fließend sind.
Brand- und Löschexperimente
In den Versuchen zur Brandbekämpfung wurde ausschließlich Wasser als Löschmittel eingesetzt und keine Zusätze verwendet.
Referenzversuche
Zwei Referenzversuche mit verschiedenen Fahrzeugmodellen wurden durchgeführt, um das Abbrandverhalten ohne Brandbekämpfungsmaßnahmen zu bestimmen. Diese Ergebnisse können verwendet werden, um den möglichen Nutzen von Einsatzmitteln zur Löschmitteleinbringung zu bestimmen. Die Versuche zeigten unterschiedliche Abbrandverläufe in den Brandphasen.
Fazit
Die Feuerwehr muss sich bei der Ankunft an der Einsatzstelle auf verschiedene Brandszenarien einstellen, die von einem Austreten von Ventinggasen bis hin zum Vollbrand reichen können.
Schadstoffuntersuchungen in Lösch- und Kühlwässern
In einigen ersten Untersuchungen wurden Schadstoffgehalte im aufgefangenen Lösch- und Kühlwasser untersucht. Löschwasser enthält aufgrund des höheren Verdünnungsfaktors und der geringeren Kontaktzeit mit dem Brandobjekt in der Regel weniger Schadstoffe als Kühlwasser, das beim Tauchvorgang von havarierten Fahrzeugen anfällt und bis zu 24 Stunden in Abrollbehältern gelagert wird. Die Analysenergebnisse zeigen, dass die Schadstoffgehalte der untersuchten Wasserproben zu hoch waren, um sie ohne Behandlung in das öffentliche Kanalnetz zu leiten. Daher sollte die Brandbekämpfung mit so wenig Wasser wie möglich durchgeführt werden, wobei gezielter Löschwassereinsatz, reduzierte Volumenströme und lageangepasste Einsatzmittel zielführend sind. Löschwasserrückhaltung sollte auch in Betracht gezogen werden, wie bei anderen Brandereignissen.
Einsatzempfehlungen auf Grundlage durchgeführter Brand-/Löschversuche
Bei der Erkundung sollten die Maßnahmen zur Rettung von Insassen und zur Brandbekämpfung zeitgleich vorbereitet werden. Es ist darauf zu achten, dass Insassen erst dann gerettet werden können, wenn das Fahrzeug stromlos geschaltet und der Brandschutz sichergestellt ist. Bei der Informationsbeschaffung sollte auf den Einsatz von Wärmebildkameras und Gasmesstechnik geachtet werden, um die Gefahrenlage besser abschätzen zu können. Die Brandbekämpfung sollte nach Möglichkeit von außen durchgeführt werden, um das Eindringen von Einsatzkräften ins Fahrzeug zu vermeiden. Ein direkter Strahl sollte vermieden werden, um eine Explosion des Akkus zu verhindern. Stattdessen ist eine indirekte Löschung durch Sprühen von Wassernebel oder Schaum empfehlenswert. Zudem sollten auch Nachlöscharbeiten durchgeführt werden, um ein Wiederaufflammen des Brandes zu vermeiden.
Brandbegrenzungsdecken: Erkenntnisse und Empfehlungen zur Brandsicherheit
Im Rahmen eines Projekts wurden zwei Brandversuche mit Brandbegrenzungsdecken als Alternative zu herkömmlichen wasserführenden Einsatzmitteln durchgeführt. Die Versuche zeigten, dass die Flammenbildung effektiv begrenzt werden konnte, jedoch konnte die Wärmeexposition im Batteriesystem nicht gestoppt werden. Dadurch traten über einen längeren Zeitraum zyklisch Ventinggase aus. Trotzdem wurden Brandbegrenzungsdecken als geeignet für den Einsatz auf Quarantäneplätzen bei Abschleppunternehmen eingeschätzt, da sie spätere Brände verhindern und die Ausbreitung auf benachbarte Objekte verhindern können.Die Untersuchungen führten zu einem größeren Erfahrungsschatz und einer Optimierung der Taktik, was zu geringerem Löschwasserverbrauch und verkürzten Einsatzzeiten führte.
Im Rahmen der Versuche mit Brandbegrenzungsdecken wurden verschiedene Erkenntnisse gewonnen. Das angewendete Brandbegrenzungsdecken -Modell führte zur sofortigen Löschung der Flammen durch Sauerstoffreduktion. Das Einbringen von Löschwasser in das reagierende Batteriesystem kann das Durchreagieren der Zellen fördern. Brandbegrenzungsdecken können auf Parkplätzen und Quarantäneplätzen bei Abschleppunternehmen geeignet sein, um mögliche (Rück-)Zündungen zu verhindern. Die Freisetzung von Ventinggasen kann jedoch nicht unterdrückt werden. Brandbegrenzungsdecken kann auch in speziellen Einsatzlagen wie Trinkwasserschutzgebieten eingesetzt werden, um die Kontamination von Oberflächenwasser zu verhindern und die Brandweiterleitung durch Wärmestrahlung zu reduzieren.
Brandbegrenzungsdecken als Alternative zu wasserführenden Einsatzmitteln: Erkenntnisse und Empfehlungen
Im Projekt wurden zwei Brandversuche mit Brandbegrenzungsdecken als Alternative zu herkömmlichen wasserführenden Einsatzmitteln durchgeführt. Die Versuche zeigten, dass die Flammenbildung wirksam begrenzt werden konnte, jedoch nicht die durch Wärmeexposition im Batteriesystem verursachte Reaktion. Dadurch traten zyklisch Ventinggase aus. Brandbegrenzungsdecken wurden als geeignet für den Einsatz auf Quarantäneplätzen bei Abschleppunternehmen eingeschätzt, um Brandausbreitung zu verhindern. Zur Sicherstellung des Brandschutzes wird empfohlen, mindestens zwei Löschfahrzeuge mit einer Staffelbesatzung einzusetzen und einen Leitungsdienst mit einfachen Führungsmitteln hinzuzufügen. Der Zugang zu fahrzeugspezifischen Rettungsdatenblättern über ein Tablet/Smartphone mit Internet wird als essenziell erachtet. Die Mitführung einer Wärmebildkamera zur Identifizierung von Hot Spots und Öffnungen für Löschmittel wird empfohlen. Die Untersuchungen führten zu einem größeren Erfahrungsschatz und einer Optimierung der Taktik, was zu geringerem Löschwasserverbrauch und verkürzten Einsatzzeiten führte. Fundierte Aus- und Fortbildung sowie regelmäßiges Training wurden als entscheidend für die Brandsicherheit betont.
Brandbekämpfung mit Brandbegrenzungsdecken: Erkenntnisse und Einsatzempfehlungen
Im Rahmen der Versuche mit Brandbegrenzungsdecken wurden verschiedene Erkenntnisse gewonnen. Das angewendete Brandbegrenzungsdecken -Modell führte zur sofortigen Löschung der Flammen durch Sauerstoffreduktion. Allerdings konnten die durch Wärmeexposition im Batteriesystem verursachten Reaktionen nicht gestoppt werden, was zu zyklischen Ventinggasfreisetzungen führte. Ein Fahrzeug, das mit Brandbegrenzungsdecken abgedeckt und mit Wasser gelöscht wurde, entzündete sich später erneut, da nicht alle Batteriezellen vollständig thermisch durchgegangen waren. Das Einbringen von Löschwasser in das reagierende Batteriesystem kann das Durchreagieren der Zellen fördern. Die Verwendung von Brandbegrenzungsdecken führte zu längeren Einsatzzeiten im Vergleich zu anderen Versuchen, jedoch waren die Verbräuche für Lösch- und Kühlwasser ähnlich. Die Freisetzung großer Mengen von Ventinggasen bei der Verwendung von Brandbegrenzungsdecken macht den Einsatz in geschlossenen Räumen unpraktisch. Brandbegrenzungsdecken können jedoch auf Quarantäneplätzen bei Abschleppunternehmen geeignet sein, um mögliche Rückzündungen zu verhindern. Die Freisetzung von Ventinggasen kann jedoch nicht unterdrückt werden. Brandbegrenzungsdecken kann auch in speziellen Einsatzlagen wie Trinkwasserschutzgebieten eingesetzt werden, um die Kontamination von Oberflächenwasser zu verhindern und die Brandweiterleitung durch Wärmestrahlung zu reduzieren.
Brandbekämpfungsmaßnahmen
Bei der Erkundung eines Brandes an einem vollelektrischen Fahrzeug sollten Maßnahmen zur Rettung und zur Brandbekämpfung von Insassen zeitgleich vorbereitet werden. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass Insassen erst gerettet werden können, wenn das Fahrzeug stromlos geschaltet und der Brandschutz sichergestellt ist. Um die Gefahrenlage besser einschätzen zu können, sollten Wärmebildkameras und Gasmesstechnik eingesetzt werden.
Die Brandbekämpfung sollte vorzugsweise von außen durchgeführt werden, um das Eindringen von Einsatzkräften ins Fahrzeug zu vermeiden. Ein direkter Strahl sollte vermieden werden, um eine Explosion des Akkus zu verhindern. Stattdessen ist eine indirekte Löschung durch Sprühen von Wassernebel oder Schaum empfehlenswert. Es sollten auch Nachlöscharbeiten durchgeführt werden, um ein Wiederaufflammen des Brandes zu vermeiden.
Zusammenfassend sollten bei einem Brand an einem vollelektrischen Fahrzeug die Rettung von Insassen und die Brandbekämpfung zeitgleich vorbereitet werden. Eine umfassende Informationsbeschaffung und eine indirekte Löschung sind wichtig, um die Gefahrenlage zu minimieren und eine Explosion des Akkus zu verhindern.
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