Schutz von Lithium-Ionen-Batterien

Bereits im Jahr 2015 führte VdS gemeinsam mit dem Gesamtverband der Deutschen Versicherungswirtschaft (GDV) Brandversuche mit Lithium-Ionen-Batterien durch. An E-Bike-Akkus konnten erste Erkenntnisse zum Brandverhalten erlangt und ein Forschungsbericht erstellt werden.

2019 wurde dann ein Merkblatt mit Hinweisen zum Sprinklerschutz von Lithium-Batterien (VdS 3856) veröffentlicht, das den damaligen Stand der Erkenntnisse widerspiegelte. Vor allem für kleine Batterien oder Geräte mit Batterien (Akkuschrauber etc.) wurden erstmalig Lösungsmöglichkeiten für Regal- und Blocklagerung beschrieben. Für Batterien mit hohem Energiegehalt (>50 kWh/ Lagereinheit) konnten noch keine Konzepte angeboten werden.

Verschiedene Einrichtungen, wie beispielsweise das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) oder FM, forschten weiter und gaben Empfehlungen heraus. Sowohl das FM- Datenblatt 7-112 als auch das Technische Merkblatt VdS CEA 4001 TB003 – Lithium-Ionen-Batterien stellen Möglichkeiten dar, ein Lager mit Lithium-Ionen-Batterien bzw. Endprodukten, die Lithium-Ionen-Batterien enthalten, mit mehr als 50 kWh pro Lagereinheit zu schützen. Anders als im Merkblatt VdS 3856 teilen diese beiden die Lithium-Ionen-Batterien je nach SOC (State of Charge), also dem Ladezustand ein.

Legende: [1] Min. 2,4 m zwischen Öffnungen in der Batterie; [2] Am Steher max. 30 cm Öffnung in der Barriere.

Mit dem im Oktober 2024 erschienenen Datenblatt 7-112 (Lithium-Ion Battery Manufacturing and Storage) bündelt FM die Anforderungen zum Schutz vor Risiken mit Lithium-Ionen-Batterien. Jedoch liegt der Fokus nicht nur auf deren Lagerung, sondern auch auf dem Schutz des Produktionsprozesses. In dem Datenblatt werden zusätzlich zu den Anforderungen an die Löschanlage auch bauliche und organisatorische Maßnahmen beschrieben, wie die Abtrennung von Produktionsschritten untereinander oder die Abschaltung von Lüftungsanlagen im Brandfall.

Die Blocklagerung von Lithium-Ionen-Batterien mit einem SOC von max. 60 % ist bis zu einer Lagerhöhe von 4,50 m möglich. Die Deckenhöhe ist dabei auf 12 m begrenzt. Die Sprinkleranlage ist nach Datenblatt 8-9 je nach verwendeter Verpackung auszulegen. Zwischen den Lagerblöcken oder anderem brennbaren Material ist ein Freistreifen von 3 m freizuhalten.

Die Lagerung als „Low-Piled Storage“ in Kunststoffbehältern bis 20 m² Lagerfläche und einer maximalen Lagerhöhe von 1,80 m ist mit umliegenden Freistreifen von 3 m möglich. Der SOC muss jedoch kleiner gleich 60 % betragen. In einer Tabelle sind die Auslegungsparameter für verschiedene Deckenhöhen und Sprinklertypen zusammengefasst. 

Eine Regallagerung nur mit Deckensprinklern ist bis zu einem SOC von 60 % möglich. Die Lagerhöhe ist auf 4,50 m bzw. 3 Ebenen und die Deckenhöhe auf 12 m begrenzt.

Wenn die maximale Deckenhöhe von 12 m oder der maximale SOC von 60 % überschritten werden sollen, müssen Regalsprinkler vorgesehen werden. Um eine Brandausbreitung im Regal zu begrenzen, müssen horizontale Barrieren über jeder Ebene und vertikale Barrieren an den Regalständern bzw. nach maximal 1,80 m eingebaut werden. Die Betriebszeit der Anlage beträgt zwei Stunden.

In automatischen Kleinteilelägern dürfen nur Endprodukte, die Lithium-Ionen-Batterien enthalten, eingelagert werden, deren SOC kleiner 60% beträgt. Eine konzentrierte Lagerung von Lithium-Ionen-Batteien in automatischen Kleinteilelägern ist nicht möglich.

Das Technische Merkblatt VdS CEA 4001 TB003 ist eine Übersetzung des Technical Bulletin CEA 4001-TB- 003-LI-ION Batteries von Insurance Europe, welches 2022 veröffentlicht wurde. Die Änderungen, die VdS vorgenommen hat, sind in diesem Merkblatt mit eckigen Klammern gekennzeichnet. Da im Technical Bulletin einige Fehler sind, sollte unbedingt die korrigierte und ergänzte VdS-Fassung verwendet werden. Ob ein besonderer Sprinklerschutz bei der Lagerung von Lithium-Ionen-Batterien oder Waren, die Lithium-Ionen-Batterien enthalten, erforderlich ist, wird zunächst in einer Tabelle differenziert. Beispielsweise werden Endprodukte, die Lithium-Ionen-Batterien mit maximal 1 kWh enthalten und deren SOC maximal 60 % beträgt, in HHS 3 oder in die aufgrund des Kunststoffgehalts basierende Klassifizierung eingestuft, je nachdem, was höher ist.

Auch eine begrenzte Menge von 2 m³ Lithium-Ionen-Batterien inkl. Verpackung pro Wirkfläche kann in HHS 3 eingestuft werden, wenn sie in Pappkartons verpackt sind und der SOC max. 60 % beträgt. Wenn nur ein Deckenschutz vorgesehen ist, muss die Wasserbeaufschlagung mindestens 12,5 mm/min über eine Wirkfläche von 260 m² betragen. Regalsprinkler werden in diesem Fall gemäß Abschnitt 11.5 der VdS CEA 4001 nach HHS 3 ausgelegt.

Sobald die Lagerung das begrenzte Volumen von 2 m³ pro Wirkfläche übersteigt oder die Lithium-Ionen-Batterien nicht in Kartonage verpackt sind, muss die Sprinkleranlage nach Tabelle 3.a dieses Datenblatts ausgelegt werden. Dort sind die Sprinkler-Art, die Wasserbeaufschlagung und die Größe der Wirkfläche für die Lagerart ST1 bis maximal 1,50 m Lagerhöhe und 12,20 m Deckenhöhe und für die Lagerart ST4 bis max. 15 m Deckenhöhe und eine Lagerung bis 1 m unter den Deckensprinklern angegeben. Bei der Lagerung in Regalen sind Regalsprinkler vorzusehen. Die zwei verschiedenen Varianten für kartonierte und nicht kartonierte Lithium-Ionen-Batterien sind in den Abbildungen 1 und 2 zu sehen.

Außerdem wird eine Auslegung mit ESFR-Sprinklern für die Lagerarten ST1, ST2, ST3 und ST4 bis zu einer maximalen Lagerhöhe von 4,60 m und einer maximalen Deckenhöhe von 12,20 m angeboten. Die Nennkapazität jeder einzelnen Lithium-Ionen-Batterien darf 50 kWh und der SOC 60 % nicht übersteigen. Die maximalen Teillagerflächen sind gemäß Tabelle 5.02 der VdS CEA 4001 vorzusehen. Bei den ESFR-Konzepten sind zusätzlich die besonderen Randbedingungen gemäß VdS CEA 4001, Anhang L zu berücksichtigen, z.B. die Notwendigkeit von Schächten.

In automatischen Kleinteilelägern dürfen nur Endprodukte, die Lithium-Ionen-Batterien enthalten, mit maximal 1 kWh pro Artikel und einem maximalen SOC von 60 % eingelagert werden. Eine konzentrierte Lagerung von Lithium-Ionen-Batterien in automatischen Kleinteilelägern ist auch bei Verwendung dieses Merkblatts nicht möglich.

Zusätzlich zu den Hinweisen zur Auslegung der Sprinkleranlagen werden in dem technischen Merkblatt organisatorische Maßnahmen aufgezeigt, die in enger Abstimmung mit der örtlich zuständigen Feuerwehr und dem führenden Feuerrversicherer abzustimmen sind. Dabei soll insbesondere auf die Detektion auffälliger Batterien, deren Entfernen aus dem Lagerbereich, die Erreichbarkeit des Brandortes für die manuelle Brandbekämpfung und die Entfernung thermisch durchgehender Batterien unter Einwirkung der Sprinkleranlage aus dem Lagerbereich eingegangen werden. Hinweise zu allgemeinen Sicherheitsregeln im Umgang mit Lithium-Ionen-Batterien sind in der GDV-Publikation VdS 3103 aufgeführt.

Die Batterien werden im Merkblatt VdS 3856 je nach Energiegehalt in drei „Hazard Level“ von „Gering ⇒ kleiner 1 kWh/Lagereinheit“ bis „Hoch ⇒ größer 50 kWh/Lagereinheit“ eingestuft, wie in Tabelle 1 zu sehen. Die Einstufung und die daraus resultierenden Anforderungen sind unabhängig vom Ladezustand der Batterien. Die Schutzkonzepte für die Lagerung gelten für Lithium-
Ionen-Batterien oder Geräte, die diese enthalten, bis zu einem Energiegehalt von 50 kWh/Lagereinheit und wenn sie sich in vorbenetzbaren Verpackungen befinden. Die Lagerung von Antriebsbatterien für Automobile ist bei diesen Schutzkonzepten nicht zulässig. Für Geräte mit Lithium-Ionen-Batterien ist sowohl die Lagerung im Regal als auch im Block möglich.

Bei der Regallagerung ist in jeder Regalebene Sprinklerschutz vorzusehen und die Auslegung nach VdS CEA 4001 Abschnitt K.7.1 (Tabelle K.7-1, Kategorie IV) vorzunehmen. Die Geräte mit Lithium-Ionen-Batterien, die im Block gelagert werden, werden in HHS4 + K.7 eingestuft und entsprechend nach VdS CEA 4001 geschützt. Die konzentrierte Batterielagerung im Regal ist mit einer Auslegung nach VdS CEA 4001 Abschnitt 11.5 + K.7 (Kat. IV) und einem Sprinklerschutz in jeder Regalebene möglich. Zusätzlich sind horizontale Blechbarrieren oberhalb jeder Sprinklerebene gemäß VdS CEA 4001 Abschnitt 11.6.2.5.2 und in jedem Querschacht zusätzlich zu den Sprinklern im Mittelschacht Facesprinkler zu installieren. Eine Blocklagerung von Lithium-Ionen-Batterien ist bis zu einer Teillagerfläche von 20 m2 mit umlaufenden Freistreifen von 2,40 m möglich. Die maximale Lagerhöhe beträgt 1,50 m und die Deckenhöhe maximal 12 m.

In Tabelle 2 sieht man zusammenfassend eine Übersicht über die Möglichkeiten der Lagerung und Einschränkungen der einzelnen Daten-/Merkblätter. Angesichts der stetig wachsenden Zahl an Lithium-Ionen-Batterien, die in Zukunft eingelagert werden, ist der Einsatz moderner Sprinkleranlagen nicht nur ein essenzieller Schritt zum Schutz von Lagerstätten, sondern auch ein zukunftsweisender Beitrag zur Sicherheit in einer Welt, die zunehmend von der Energiewende und der Elektromobilität geprägt wird.