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- 7.5 Technische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen (5)
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- 3.0 Abteilungsleitung und andere (3)
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (3)
- 8.1 Sensorik, mess- und prüftechnische Verfahren (3)
- 2.2 Prozesssimulation (2)
- 3.1 Sicherheit von Gefahrgutverpackungen und Batterien (2)
Eingeladener Vortrag
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Die Sicherheit von Lithiumbatterien ist ein entscheidender Punkt beim Ausbau der Elektromobilität. Der Beitrag gibt zunächst einen Überblick über das Aktivitätsfeld der elektrischen Energiespeicher an der BAM. Im weiteren werden sowohl die Projekte HaCLIB (Hazard Classification ofLithium-Ion Batteries) als auch SEE-2L (Sicherheit elektrochemischer Energiespeicher in 2nd-Life Anwendung) vorgestellt. Darüber hinaus werden noch die hoheitlichen Aufgaben der BAM im Bereich des Transports von kritisch defekten Batterien erläutert.
Meta-analysis of heat release and smoke gas emission during thermal runaway of lithium-ion batteries
(2023)
Herein a meta-analysis of 76 experimental research papers from 2000 to 2021 is given about possible effects on the thermal runaway of lithium-ion battery cells. Data on the hazards of gas emissions and released heat are related to each other and differentiated by cell properties such as, cell geometry, cathode type or state of charge. Quantitative information on the total heat release in the range of 2.0–112.0 kJ Wh−1, the peak heat release rate in the range of 0.006–2.8 kW Wh−1and the smoke gas emission were extracted, normalized in terms of cell energy (Wh), combined in a data library and compared graphically. The total amount of gas emitted (3–48 mmol Wh−1) as well as the released amount of carbon monoxide (1–161 mg Wh−1) and hydrogen fluoride (2–197 mg Wh−1) were investigated as a function of the state of charge and cell geometry. The analysis reveals that the measured values are significantly influenced by the types of calorimeters and smoke gas analyzers used as well as by the type of thermal runaway trigger. This meta-analysis can serve as an important basis for any risk assessment of lithium-ion batteries.
Im Rahmen des Projekts „Complex Fires – Auswirkung von Behälterversagen“ (CoFi-ABV) sollen die Auswirkungen des Versagens von Gasbehältern für alternative Treibstoffe in Fahrzeugen unter Berücksichtigung komplexer Brand- und Explosionsszenarien untersucht werden. Es wird der aktuelle Hintergrund des Forschungsvorhabens erläutert sowie die geplanten Untersuchungen und beabsichtigten Ergebnisse vorgestellt. Hauptbestandteil des Projekts ist eine Vielzahl von zerstörenden Großversuchen. Im Vorfeld dieser Großversuche werden zur Weiterentwicklung und Adaptierung von Messtechnik Versuche im kleineren Maßstab durchgeführt. Im Folgenden werden Teile dieser Ver-suchsaufbauten im „mid-scale“ sowie die dabei verwendete Messtechnik dargestellt. Weiterhin werden erste Ergebnisse aus Wärmeeintragsversuchen zur Quantifizierung verschiedener Unterfeuerungsmethoden für die zerstörenden Großversuche vorgestellt.
Die Zahl der zugelassenen Fahrzeuge auf deutschen Straßen, welche statt herkömmlichen Otto- und Dieselkraftstoffen alternative Treibstoffkonzepte (z.B. LPG, CNG, H2) für den Antrieb nutzen, ist in den vergangenen Jahren kontinuierlich gestiegen. Der dabei zunehmende Mix an Behältertypen und die große Anzahl an alternativen Treibstoffen macht in Unfallsituationen die Berücksichtigung zusätzlicher Risiken notwendig. Zum Beispiel kann es bei einem Unfall zum Austritt von gasförmigen Treibstoffen sowie infolge eines Brandes auch zu einem Behälterversagen kommen. Das Schadensausmaß in einem solchen Fall übersteigt dabei deutlich das zu erwartende Ausmaß infolge eines PKW-Brandes mit herkömmlichen Kraftstoffen.
Many industrial processes are run at non-atmospheric conditions (elevated temperatures and pressures, other oxidizers than air). To judge whether and if yes to what extent explosive gas(vapor)/air mixtures will occur or may be generated during malfunction it is necessary to know the safety characteristic data at the respective conditions. Safety characteristic data like Explosion limits, are depending on pressure, temperature and the oxidizer. Most of the determination methods are standardized for ambient conditions.
In order to obtain determination methods for non-atmospheric conditions, particularly for higher initial pressures, reliable ignition criteria were investigated. Ignition tests at the explosion Limits were carried out for mixtures of methane, propane, n-butane, n-hexane, hydrogen, ammonia and acetone in air at initial pressures up to 20 bar. The tests have been evaluated according to different ignition criteria: visual flame propagation, temperature and pressure rising. It could be shown that flame propagation and occasionally self-sustained combustion for several seconds occurred together with remarkable temperature rise, although the pressure rise was below 3%. The results showed that the combination of a pressure rise criterion of 2% and a temperature rise criterion of 100 K seems to be a suitable ignition criterion for the determination of explosion limits and limiting oxidizer concentration at higher initial pressures and elevated temperatures. The tests were carried out within the framework of a R&D project founded by the German Ministry of Economics and Technology.
Immer wieder kommt es bei Bränden zum Bersten von Propangasflaschen. Für Einsatzkräfte von Feuerwehr und Rettungsdienst stellt ein solches Behälterversagen eine erhebliche Gefährdung dar. Im Vortrag werden systematisch die Auswirkungen im Versagensfall dargestellt und Rückschlüsse für die richtige Vorgehensweise von Einsatzkräften gezogen.
Explosionskenngrößen bilden die Grundlage für die Bewertung von Explosionsrisiken und für die Auslegung von Explosionsschutzmaßnahmen. Typische Kenngrößen für Gase und Dämpfe sind Explosionsgrenzen, Sauerstoffgrenzkonzentration (SGK), maximaler Explosionsdruck und maximaler zeitlicher Explosionsdruckanstieg sowie die Zündtemperatur. Explosionskenngrößen sind von der Bestimmungsmethode (z. B. Zündgefäß, Zündquelle, Kriterium für die Entzündung), den Umgebungsbedingungen (z. B. Druck, Temperatur) und dem Oxidator abhängig. Für sicherheitstechnische Betrachtungen im Explosionsschutz müssen die Kenngrößen zuverlässig und vergleichbar sein. Um die Abhängigkeit vom Bestimmungsverfahren zu minimieren, sind diese genormt. Derzeit sind die bestehenden
Normen fast ausschließlich für atmosphärische Bedingungen ausgelegt. Viele Prozesse in der chemischen Industrie werden jedoch unter nichtatmosphärischen Bedingungen (erhöhte Drücke, erhöhte Temperaturen, von Luft abweichende Oxidatoren) durchgeführt. Dadurch ergibt sich das Erfordernis, Explosionskenngrößen auch unter nichtatmosphärischen Bedingungen zu bestimmen. Vielfach werden bereits Explosionskenngrößen unter nichtatmosphärischen Bedingungen gemessen. Aufgrund der unterschiedlichen Bestimmungsverfahren sind die Ergebnisse nur bedingt vergleichbar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden apparative Einflussparameter unter nichtatmosphärischen Bedingungen untersucht, mit dem Ziel, normungsreife Bestimmungsverfahren für Explosionskenngrößen unter nichtatmosphärischen Bedingungen zu entwickeln.
Für Verfahren zur Bestimmung der Grenzen des Explosionsbereiches (Explosionsgrenzen, SGK) wurden Untersuchungen hinsichtlich der Mindestgröße des Zündgefäßes, geeigneter Zündkriterien und geeigneter Zündquellen durchgeführt. Aus Sicherheitsgründen sollten gerade bei hohen Anfangsdrücken möglichst kleine geschlossene Zündgefäße verwendet werden. Daher wurde das druckabhängige Mindestvolumen bis zu einem Anfangsdruck von p0 = 50 bar bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass bei atmosphärischen Bedingungen Gefäße mit einem Volumen V ≥ 11 dm³ verwendet werden müssen, um den Einfluss auf die ermittelten Werte zu minimieren. Bei einem Anstieg des Anfangsdrucks verringert sich das notwendige Gefäßvolumen. Beispielsweise kann bei p0 ≥ 50 bar ein Gefäß mit einem Volumen V = 1 dm³ verwendet werden.
Als Kriterium für eine Entzündung werden häufig visuelle Zündkriterien oder Druckschwellenkriterien verwendet. In detaillierten Untersuchungen wurden visuelle Kriterien, Druckkriterien und Temperaturkriterien für sieben Brenngase bis zu einem Ausgangsdruck von p0 = 20 bar miteinander verglichen. Das zuverlässigste Kriterium für eine Entzündung unter nichtatmosphärischen Bedingungen ist eine Kombination aus einem Druckschwellenkriterium von pex/p0 ≥ 1,02 oder einem Temperaturschwellenkriterium von ΔT ≥ 100 K.
In den bisher genormten Bestimmungsverfahren für atmosphärische Bedingungen sind verschiedene Zünder beschrieben. Auch unter nichtatmosphärischen Bedingungen muss der Eintrag der Zündenergie zuverlässig, definiert und reproduzierbar erfolgen. Es wurde der Einfluss von Druck, Gemischzusammensetzung und konstruktiven Parametern (z. B. Elektrodenabstand) auf den Zündvorgang der Zündquellen explodierender Draht, Funkenzünder und Gleitfunkenzünder untersucht. Für die Analyse des Zündvorganges wurde ein optisches Verfahren entwickelt. Weiterhin wurden die Zünder kalorimetrisch hinsichtlich ihres realen Energieeintrages verglichen. Unter nichtatmosphärischen Bedingungen eignet sich ein explodierender Draht mit einem Drahthalbwellenzündgerät (bis p = 100 bar) oder ein Gleitfunkenzünder (bis p = 10 bar).
Neben Druck und Temperatur werden Explosionskenngrößen vor allem durch den verwendeten Oxidator beeinflusst. Bisher sind kaum Werte für die Explosionsbereiche von Brenngas/Inertgas/Sauerstoff-Gemischen bei hohen Anfangsdrücken vorhanden. Daher wurden die Explosionsbereiche für die ternären Gemische CH4/N2/O2 und C2H4/N2/O2 bis zu einem Anfangsdruck von p0 = 50 bar bestimmt.
Gerade in sauerstoffreichen Gemischen können Reaktionen derart schnell ablaufen, dass die Bestimmung der Explosionskenngrößen maximaler Explosionsdruck und maximaler zeitlicher Explosionsdruckanstieg nicht möglich ist. Daher wurden Untersuchungen in binären Brenngas/Sauerstoff-Gemischen bei erhöhten Ausgangsdrücken mit verschiedenen Druckmesssystemen durchgeführt. In Gemischen mit langsameren Reaktionen sind für die Druck-Zeit-Messung piezoresistive Druckaufnehmer besser geeignet. Für die Messungen bei schnelleren Reaktionen, weiter im Explosionsbereich, eignen sich eher piezoelektrische Druckaufnehmer. Damit die Druck-Zeit-Signale dieser sehr schnellen Reaktionen ausgewertet werden können, kann eine Glättung erforderlich sein. Die Messsignale wurden mit unterschiedlichen Verfahren geglättet. Die besten Ergebnisse, hinsichtlich der Genauigkeit und der Größe des Auswertebereiches, wurden mit einem Programm zu Berechnung der Verbrennungsgeschwindigkeit mittels physikalischer Modelle erzielt. Mit der Glättungsmethode dieses Verfahrens ist es möglich auch sehr schnelle Druckanstiege in sauerstoffreichen Gemischen auszuwerten.
Resultierend aus den Ergebnissen der Untersuchungen sind Empfehlungen für zwei Bestimmungsverfahren zur Messung der Explosionsgrenzen und SGK sowie des maximalen Explosionsdrucks und des maximalen zeitlichen Explosionsdruckanstieges unter nichtatmosphärischen Bedingungen erarbeitet worden.
Immer wieder werden Feuerwehren bei Einsätzen mit brandbeaufschlagten Acetylenflaschen konfrontiert. Im Falle eines Behälterversagens stellen diese eine enorme Gefährdung für die Einsatzkräfte dar. Die BAM beschäftigt sich seit vielen Jahren mit den Auswirkungen im Falle eines solchen Behälterversagens. Der Beitrag stellt die Arbeit der BAM auf diesem Gebiet vor und zeigt verschiedene Handlungsoptionen auf, um das Risiko für die Einsatzkräfte zu verrringern. Weiterhin wird ein Merkblatt zu brandbeaufschlagten Acetylenflaschen vorgestellt, welche zusammen mit der DGUV im Jahr 2018 herausgegeben werden.