Wasserstoffexplosion in Prüfkammern – ein Spiel mit dem Feuer
Am 3. November 2022 kam es bei einer heftigen Explosion eines Lithium-Ionenakkus im Innovapark in Kaufbeuren zu erheblichen Gebäudeschäden, bei denen eine komplette Außenwand einer Halle zerstört wurde. Glücklicherweise kamen keine Menschen zu Schaden. Wie aber kam es dazu?
Das Brandverhalten von großen Akkus für die Elektromobilität bis hin zu gesamten Fahrzeugen wird in Testhallen genauer untersucht, bei denen ein Kurzschluss provoziert wird. Dass es dabei neben einem Brand auch zu größeren Explosionen kommen kann, ist dagegen ein neuer Aspekt, der die Anforderungen an die Prüfhallenbetreiber nicht ganz kalt lässt. Denn schon ein Batteriebrand stellt hohe Anforderungen an die Sicherheit. Die freiwerdende Energie beim Brand liegt im einstelligen Gigajoulebereich. Die Brandleistung beträgt mehrere Megawatt. Verbrennt man das ganze Fahrzeug, kann es gerne sowohl bei der Energie als auch bei der Leistung zweistellig werden. Zusätzliche Explosionslasten sind da äußerst unwillkommen.
Quelle: news-facts.eu/allgäu online verlag
Zu Explosionen kann es auch dann kommen, wenn sich Wasserstoff in einer Blase sammelt, die dann schlagartig explodieren kann. Die dabei entstehende Druckwelle kann, wie man sieht, ganze Gebäude zerstören.
In einer CFD- Simulation können wir das Verhalten von Wasserstoff oder eines beliebigen, anderen Explosivstoffs abbilden und die auf die Wände wirkenden Druckkräfte ermitteln. Wie sich das Gebäude verhält, zeigt eine anschließende FEM-Berechnung, bei der die Drucklasten aus der CFD-Simulation übernommen werden.
Die typischen ertragbaren Lasten von üblichen Betonwänden liegen im Bereich von 10-20 kN/m². Dies entspricht einem Druck von lediglich 0,1 - 0,2 bar. Bei einer Explosion eines Gases unter Umgebungsdruck vergrößert sich das Volumen circa um das 8-fache, was einem maximal erreichbaren, theoretischen Druck von 8 bar entspricht. Zuviel für jedes normale Gebäude, Gebäude werden schließlich nicht als Druckbehälter konzipiert. Je kleiner die Prüfkammer und je näher die Explosionsquelle an der Wand liegt, desto höher sind die Druckspitzen der Explosionswelle beim Auftreffen an die Wand. Die Explosion kann in einem geeigneten CFD-Strömungsprogramm, ausgehend von den stattfindenden chemischen Reaktionen, genau beschrieben werden. Nicht nur die Dauer der Explosion und der Druckverlauf an den Wänden, unter Berücksichtigung der Reflexionen der Druckwellen, lassen sich so ermitteln, sondern auch die dabei entstehenden Temperaturen.
Die Simulation zeigt sogar, wenn unverbranntes Gas aufgrund fehlenden Sauerstoffs an die Umgebung entweicht, hier wieder Sauerstoff in der Umgebungsluft findet und sich erneut entzündet. Ich hatte mal einen Mini Cooper Works, der schon von weitem zu hören war, wenn man vom Gas ging und die unverbrannten Benzindämpfe sich mit frischer Umgebungsluft am Auspuff entzündet haben. So was spricht nicht für den Motorenbauer, aber das nur nebenbei :)
Die berechtigte Frage kann man stellen, wie sich im flammenden Inferno einer brennenden Batterie überhaupt eine größere Wasserstoffblase bilden kann. Dies kann dann passieren, wenn für die Verbrennung nicht ausreichend Sauerstoff zur Verfügung steht.
Prinzipiell haben explosive Gasmischungen ein sogenanntes unteres und oberes Explosionslimit. Zu wenig oder zu viel Brennstoff verhindern eine Explosion.
Untersucht man das Explodieren einer Gasblase in einem sauerstoffhaltigen Raum, so findet die chemische Reaktion an der Oberfläche der Blase statt, vergleichbar mit einer brennenden Kugel. Geht einer der beiden Reaktionspartner zur Neige, entweder der Brennstoff oder der Sauerstoff, kommt die chemische Reaktion zum Erliegen.
Da unverbrannter Wasserstoff sehr leicht ist, sammelt er sich in Blasen insbesondere in Nischen an der Decke, wo er nicht ungehindert nach oben entweichen kann. Prüfkammern für das Testen von Batterien sollten somit eher eine nach oben geöffnete Trichterform besitzen und gut entraucht werden.
Schon die alte Hindenburg wäre vermutlich nicht explodiert, wenn sich der aus einem Leck austretende Wasserstoff nicht in Zwischenräumen der Hülle hätte sammeln können, sondern einfach nach oben entwichen wäre.
Gerne sind wir Ihnen bei der Auslegung und Absicherung von Prüfhallen behilflich. Wir könnten Ihnen auch sagen, wie Ihr Gebäude im Fall der Fälle einstürzen wird, weil Sie die Thematik unterschätzt haben. Zur Prüfhalle in Kaufbeuren können wir anhand der Bilder in der Presse sagen, dass die Gebäudewände sicherlich nicht geeignet sind, größere Explosionslasten aufzunehmen. Stahlbeton mit etwas höheren Wanddicken wäre hier das geeignetere Baumaterial. Aber das wissen die Betreiber inzwischen sicherlich selbst.
Übrigens, haben sie gewusst, dass die elektrische Brandlast eines Lithium-Ionenakkus etwa um den Faktor 10 größer ist, als die gespeicherte elektrische Leistung? Und wieder lohnt sich ein Blick auf die Energiedichten in Wiki.
Wir freuen uns, wenn wir auch Ihnen helfen können, Testkammern nur einmal zu bauen.
Ihr Stefan Merkle
PS: Sie wollen alte Munition in einem Container gezielt sprengen? Wir zeigen Ihnen, was passiert und ob und wie das geht. Aber vermutlich wollen Sie das eh nicht, oder? Für den Fall der Fälle sehen Sie nachstehend unsere Kontaktdaten.
PPS: Sie haben ein neues Testzentrum für Batterien gebaut und sind sich nicht ganz sicher, ob Sie ruhig schlafen können? Wir freuen uns auf Ihren Anruf.
PPPS: Sie planen ein neues Testzentrum für Batterien? Sie sollten unbedingt mit uns sprechen.
Kommentare und Antworten
Sei der Erste, der kommentiert