2.1 Sicherheit von Energieträgern
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In case of a vehicle fire, an installed LPG (liquefied petroleum gas) tank with a malfunctioning safety device poses severe hazards. To investigate the consequences in case of tank failure, we conducted 16 tests with toroidal shaped LPG vehicle tanks. Three tanks were used for a Hydraulic Burst Test under standard conditions. Another three tanks were equipped with a statutory safety device and were subjected to a gasoline pool fire. The safety device prevented tank failure, as intended. To generate a statistically valid dataset on tank failure, ten tanks without safety devices were exposed to a gasoline pool fire. Five tanks were filled to a level of 20 %; the re-maining five were filled to a level of 100 %. In order to gain information on the heating process, three tem-perature readings at the tank surface, and three nearby flame temperatures were recorded. At distances of l = (7; 9; 11) m to the tank, the overpressure of the shock wave induced by the tank failure and the unsteady tem-peratures were measured. All ten tanks failed within a time of t < 5 min in a BLEVE (boiling liquid expanding vapor explosion). Seven of these resulted directly in a catastrophic failure. The other three resulted in partial failure followed by catastrophic failure. A near field overpressure at a distance of l = 7 m of up to p = 0.27 bar was measured. All ten tests showed massive fragmentation of the tank mantle. In total, 50 fragments were found. These 50 fragments make-up 88.6 % of the original tank mass. Each fragment was georeferenced and weighed. Fragment throwing distances of l > 250 m occurred. For the tanks with a fill level of 20 %, the average number of fragments was twice as high as it was for the tanks that were filled completely.
Compressed natural gas (CNG) is a widely used automotive fuel in a variety of countries. In case of a vehicle fire where the safety device also malfunctions, a failure of the CNG automotive cylinder could occur. Such a cylinder failure is associated with severe hazards for the surrounding environment. Firstly, a comprehensive analysis is given below, summarizing various accidents involving CNG automotive cylinders and their consequences. In an extensive experimental program, 21 CNG automotive cylinders with no safety device were tested. Of the 21, burst tests were carried out on 5 Type III and 5 Type IV cylinders. Furthermore, fire tests with 8 Type III and 3 Type IV cylinders were conducted. Apart from cylinder pressure, inner temperature and cylinder mantle temperature, the periphery consequences, such as nearfield blast pressure and fragmentation are documented. The maximum measured overpressure due to a Type III cylinder failure was p = 0.41 bar. Each traceable fragment was georeferenced. All-in-all, fragment throw distances of d > 300 m could be observed. As one key result, it can be stated that the tested Type IV CNG cylinders showed less critical failure behavior then the Type III cylinders under fire impingement.
Es wurden insgesamt 57 Einzelversuche zum Versagen von Druckgasbehältern durchgeführt. Untersucht wurden dabei 11-kg-Propangasflaschen, PKW-Radmuldentanks für LPG sowie CNG-Tanks vom Typ III (Compositetanks mit Aluminiumliner) und Typ IV (Compositetanks mit Polymerliner). Mit 18 hydraulischen Berstversuchen wurde das Versagensverhalten unter kalten Bedingungen charakterisiert. In 39 Unterfeuerungsversuchen mit den gefüllten LPG- und CNG-Tanks, davon 36 mit Tanks ohne Sicherheitseinrichtung, wurde das Behälterversagen durch Brandbeaufschlagung untersucht. Neben verschiedenen Behältermanteltemperaturen und dem Behälterinnendruck wurde auch die Temperatur des gespeicherten Mediums dokumentiert. Dadurch war es möglich, genau zu dokumen-tieren, unter welchen Bedingungen und bei welchem Zustand der Behälter versagt hat. In einem Großteil der Unterfeuerungsversuche mit Behältern ohne Sicherheitseinrichtungen kam es zur Bildung eines Feuerballs, einer massiven Druck- und Temperaturwirkung auf den Nahbereich sowie einer Vielzahl von Fragmenten im Nah- und Fernbereich. In einer Entfernung von l = 7 m wurden Überdrücke von bis zu p = 0,41 bar gemessen. In 30 Unterfeuerungsversuchen kam es zur Fragmentierung des Behälters. Dabei konnten 159 Fragmente mit Wurfweite und Masse dokumentiert werden. Die dabei maximal festgestellte Wurfweite eines Fragments lag bei
l = 311 m.
Es wurden insgesamt 57 Einzelversuche zum Versagen von Druckgasbehältern durchgeführt. Untersucht wurden dabei 11-kg-Propangasflaschen, PKW-Radmuldentanks für LPG- sowie CNG-Tanks vom Typ III (Compositetanks mit Aluminiumliner) und Typ IV (Compositetanks mit Polymerliner). Mit 18 hydraulischen Berstversuchen wurde das Versagensverhalten unter kalten Bedingungen charakterisiert. In 39 Unterfeuerungsversuchen mit den gefüllten LPG- und CNG-Tanks, davon 36 mit Tanks ohne Sicherheitseinrichtung, wurde das Behälter¬ver¬sagen durch Brandbeaufschlagung untersucht. Neben verschiedenen Behältermantel¬temperaturen und dem Behälterinnendruck wurde auch die Temperatur des gespeicherten Mediums dokumentiert. Dadurch war es möglich, genau zu dokumentieren, unter welchen Bedingungen und bei welchem Zustand der Behälter versagt hat. In einem Großteil der Unterfeuerungsversuche mit Behältern ohne Sicherheitseinrichtungen kam es zur Bildung eines Feuerballs, einer massiven Druck- und Temperaturwirkung auf den Nahbereich sowie einer Vielzahl von Fragmenten im Nah- und Fernbereich. In einer Entfernung von l = 7 m wurden Überdrücke von bis zu p = 0,41 bar gemessen. In 30 Unterfeuerungsversuchen kam es zur Fragmentierung des Behälters. Dabei konnten 159 Fragmente mit Wurfweite und Masse dokumentiert werden. Die dabei maximal festgestellte Wurfweite eines Fragments lag bei l = 311 m.
The number of cars which use a battery for propulsion, like BEV (battery electric vehicle) or PHEV (plug-in hybrid electric vehicle), is increasing. Following, the probability of these car types being involved in car accidents will increase. In a worst-case accident scenario, the installed batteries could go under thermal runaway (TR). A TR could be initiated by various causes, e.g., high temperatures from outside, mechanical damage of the cells/modules/batteries or internal and external short circuits. During such an event, large amounts of heat and toxic and/or flammable gases are released. This poses a great hazard to people and property in the immediate vicinity. The paper describes a large-scale test series on the lithium-ion battery TR consequences of automobile cells and modules up to E = 6.85 kWh. Near field temperatures of ΔT > 800°C in a distance of l = 2 m were measured. During an overcharge test, fragment throwing distances of l > 30 m were detected. Subsequent gas explosions of the released gases were documented. Hydrogen fluoride (HF) was measured in all tests, from cell to module. The highestmeasured concentration was cHF = 76 ppm, which is significantly higher than the 30-min-level for AEGL 2 (acute exposure guideline level 2). Based on the experimentally determined consequences, concrete measures for the accident analysis are subsequently drawn.
Der Vortrag stellt den aktuellen Bearbeitungsstand des Teilvorhabens an der BAM dar. Neben dem eigentlichen Aufbau werden auch Herausforderungen bei der Beschaffung der Einzelkomponenten sowie Ergebnisse aus der Literaturrecherches zu den Auswirkungen von Li-Batteriespeichern beim thermischen Durchgehen vorgestellt. Als Abschluss wird noch ein Ausblick auf die anstehenden Probeversuche gegeben.
For a comprehensive safety assessment of stationary lithium-ion-battery applications, it is necessary to better understand the consequences of thermal runaway (TR). In this study, experimental tests comprising twelve TR experiments including four single-cell tests, two cell stack tests and six second-life module tests (2.65 kW h and 6.85 kW h) with an NMC-cathode under similar initial conditions were conducted. The temperature (direct at cells/modules and in near field), mass loss, cell/module voltage, and qualitative vent gas composition (Fourier transform infrared (FTIR) and diode laser spectroscopy (DLS) for HF) were measured. The results of the tests showed that the battery TR is accompanied by severe and in some cases violent chemical reactions. In most cases, TR was not accompanied by pregassing of the modules. Jet flames up to a length of 5 m and fragment throwing to distances to more than 30 m were detected. The TR of the tested modules was accompanied by significant mass loss of up to 82%. The maximum HF concentration measured was 76 ppm, whereby the measured HF concentrations in the module tests were not necessarily higher than that in the cell stack tests.
Subsequently, an explosion of the released vent gas occurred in one of the tests, resulting in the intensification of the negative consequences. According to the evaluation of the gas measurements with regard to toxicity base on the “Acute Exposure Guideline Levels” (AEGL), there is some concern with regards to CO, which may be equally as important to consider as the release of HF.
Der Vortrag stellt den aktuellen Bearbeitungsstand des Teilvorhabens an der BAM dar. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der ersten Versuchsserie mit Batteriezellen und -modulen bis zu 6.8 kWh. Aus diesen Versuche werden die wesentlichen Ergebnisse gezeigt, insbesondere die Teperatur-, Spannungs, Gas- und Gewichtsmessung beim thermischen Durchgehen.
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.