Gefahrenquellen und Sicherheitsmaßnahmen

Autorin: Dr. Dana Meißner

Im Rahmen der Bemühungen für den Klimaschutz kommen immer mehr Fahrzeuge auf den Markt, die mit alternativen Kraftstoffen wie beispielsweise komprimiertem Erdgas (CNG) oder Autogas (LPG) betrieben werden. Parallel gibt es einen großen Zuwachs in der Elektromobilität, wobei verschiedene Formen wie Hybridfahrzeuge oder vollelektrisch angetriebene Autos angeboten werden. Dieser Trend scheint inzwischen unumkehrbar und wird durch politische Entscheidungen unterstützt. Resultierend findet sich ein immer breiter werdender Mix aus konventionellen, alternativ betriebenen und Elektrofahrzeugen auch im Schiffstransport wieder.

Dabei gibt es zwei wesentliche Arten des fahrzeugtransportierenden Schiffsverkehrs, die sich in ihren Gefährdungen und auch in den möglichen bzw. notwendigen Sicherheitsmaßnahmen unterscheiden: der Fährverkehr mit RoRo-Schiffen und der Autotransport mit Car-Carriern. Generell treffen jedoch für beide Schiffsverkehre seespezifische Besonderheiten zu, die bei der Anpassung von Sicherheitsmaßnahmen zu berücksichtigen sind:

• Auf die transportierten Autos wirken Schiffsbewegungen und permanente Vibrationen ein.
• Die feuchten und salzigen Bedingungen stellen besondere Herausforderungen an Materialien.
• Aufgrund der Konstruktion aus Stahl ergeben sich andere Umstände im Zusammenhang mit Gefahren durch elektrischen Strom.
• Die meisten Schiffe haben andere Parameter für ihr Stromnetz (440 V, 60 Hz) als das typische Netz (400 V, 50 Hz) an Land.
• Zum Löschen von Elektrofahrzeugen werden große Wassermengen empfohlen – an Bord von Schiffen könnte dies zu Problemen hinsichtlich der Stabilität führen.
• Wenn es an Land zu einem Unfall kommt, kann das beschädigte Auto von anderen Autos isoliert werden, indem andere Fahrzeuge in der Nähe weggefahren werden. An Bord herrscht oft eine so enge Parksituation, dass die Zugänglichkeit auch für Personen eingeschränkt ist. Ein havariertes Fahrzeug ist daher schwer zu isolieren, und es besteht ein erhöhtes Risiko der Brandausbreitung.
• Externe Hilfe durch routinierte Feuerwehrkräfte kommt in der Regel erst verspätet zum Einsatz. Die Crew ist oft auf sich allein gestellt.

RoRo-Fährschiffe

Roll-on-Roll-off-Schiffe (RoRo-Schiffe) sind Fahrzeug-Fähren, die sogenannte begleitete Transporte durchführen. Das heißt, dass die an Bord mitgenommenen Autos in der Regel mit einem dazugehörigen Fahrer an Bord kommen. Typisch für diesen Schiffstyp sind Fährschiffe, wie sie viele Menschen von Urlaubsreisen z. B. nach Skandinavien kennen. RoRo-Schiffe können auch hauptsächlich im Warenverkehr unterwegs sein. Die Ladung besteht dann vor allem aus Lkw, deren Fahrer sich an Bord eine Ruhepause gönnen können. Die Routen sind kurz und dauern maximal 1–2 Tage, üblicher sind wenige Stunden. Derartige Schiffe sind mit wasserbasierten Löschanlagen ausgerüstet, da auf dem Fahrzeugdeck immer damit gerechnet werden muss, dass sich dort noch Personen aufhalten, auch wenn dies den Passagieren während der Überfahrt nicht gestattet ist.

Ausgelöst unter anderem durch die Bilder von brennenden Elektrofahrzeugen in den Medien sahen sich die Fährreedereien in den letzten Jahren vor die Frage gestellt, ob die an Bord üblichen Sicherheits- und Brandbekämpfungsmaßnahmen für diese neue Situation ausreichend sind. Parallel kam von Passagieren zunehmend die Nachfrage nach einem möglichen Aufladen ihrer Elektrofahrzeuge während der Reise – bei einer Überfahrtsdauer z. B. von Rostock nach Trelleborg von ca. 7 Stunden ein verständlicher Wunsch. Man kann das verbieten, was einerseits einen Wettbewerbsnachteil gegenüber anderen Reedereien nach sich ziehen könnte und andererseits der erwünschten Akzeptanz der Elektromobilität durch die bequeme umfassende Nutzbarkeit entgegenstehen würde. Zudem ist der Passagier „rücksichtslos“: Es sind mehrere Fälle bekannt, in denen die Ladekabel von Fahrzeugen einfach in Steckdosen an Bord gesteckt wurden, die nicht für diese Zwecke vorgesehen waren – ein Verhalten, das tatsächlich zu einer Gefahrensituation führen kann! Das bedeutet: Wenn man ein legales Transportieren und ggf. auch Aufladen nicht gestattet, müsste man dafür sorgen, dass es auch nicht illegal möglich ist.

Bis auf wenige Ausnahmen zeichnet sich derzeit ab, dass RoRo-Fährschiffe sich den neuen Anforderungen stellen und sich auf den vermehrten Transport von Elektrofahrzeugen wie auch auf die Bereitstellung von Lademöglichkeiten an Bord einstellen. Das Forschungsprojekt ALBERO (Transport alternativ betriebener Fahrzeuge auf RoRo-Fährschiffen) hat dabei einen wesentlichen Beitrag für die Konzipierung angepasster Sicherheitsmaßnahmen geleistet, die im Folgenden kurz zusammengefasst werden sollen.

Die Situation an Bord

Für die Schiffsführung ist es wichtig, einen Überblick über die Art und jeweilige Anzahl der transportierten Fahrzeuge zu haben. Die Abfrage der Antriebsart bereits während der Buchung einer Fährüberfahrt erscheint daher sinnvoll. Dies gäbe der Mannschaft die Möglichkeit, bestimmte präventive Maßnahmen zur Gefahrenreduktion bereits während des Beladens durchzuführen, indem man z. B. einen Gefahrguttransport nicht neben ein Elektroauto oder ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug stellt. Da zu erwarten ist, dass für die Einschränkung eines Brandes an einem Elektrofahrzeug besonders viel Wasser notwendig ist, sollten diese, falls möglich, auf einem Deck oberhalb der Wasserlinie transportiert werden, um ein einfaches Abfließen des Löschwassers zu gewährleisten. Die Ausweisung gesonderter Stellplätze für Elektrofahrzeuge scheint aufgrund der starken Zunahme solcher Autos nicht mehr praktikabel.

Auch für den Notfall wäre es sinnvoll, wenn die Antriebsart eines Fahrzeugs einfach und schnell erkennbar wäre. Bisher geht jedes Land anders damit um, in Deutschland haben wir das E auf dem Nummernschild, was jedoch nicht verpflichtend ist. Hier sollte in Europa ein einheitliches Erkennungssystem entwickelt werden, z. B. über die Farbe oder Prägung des Nummernschildes, was eine schnelle Erkennbarkeit der Antriebsart quasi im Vorbeifahren ermöglicht. Hafenarbeiter, Stauer und die Crew an Bord können so effektiver arbeiten, Einsatzkräfte können im Havariefall schneller die passenden Maßnahmen einleiten.

Brandschutz und Brandbekämpfung

Auch wenn man inzwischen weiß, dass das Risiko für das Auftreten eines Brandes bei Elektrofahrzeugen geringer ist als für konventionelle Fahrzeuge [1][2][3], so ist die Gefahr der Brandausbreitung als höher zu bewerten, denn:

• Löscharbeiten dauern in der Regel länger als bei konventionellen Fahrzeugen, da der Kühleffekt auf die Lithium-Ionen-Fahrzeugbatterie durch äußerlich aufgetragenes Wasser gering ist.
• Es kann immer wieder zu Folge-Zündungen weiterer Zellen kommen. (Der übliche Begriff der Rückzündung ist genaugenommen nicht korrekt, da sich eine einmal durchgegangene Einzelzelle nicht nochmals entzünden wird, sehr wohl aber eine benachbarte, wenn sie entsprechend überhitzt worden ist.)
• Glühende oder brennende Teile aus beschädigten Batteriemodulen können meterweit weggeschleudert werden.
• Durch Druckentlastungsöffnungen austretende Stichflammen können benachbarte Fahrzeuge in Brand setzen.

Die oftmals sehr enge Parksituation auf einem Fährdeck begünstigt zusätzlich den Übergriff eines Brandes auf benachbarte Fahrzeuge.

Das Löschen eines Elektrofahrzeug-Brandes ist in der Tat schwierig, da ein einmal in Gang gesetzter thermal runaway kaum zu stoppen ist. Der Fokus sollte daher auf der Verhinderung einer Brandausbreitung liegen! Wie Versuche zeigten, ist der Einsatz der an Bord üblichen Sprinklersysteme dafür prinzipiell geeignet, sofern eine rechtzeitige Auslösung gelingt. [4] [5] Für Elektrofahrzeuge kann eine zusätzliche Beaufschlagung mit Wasser von unten sinnvoll sein, um einen besseren Kühleffekt für die Batterie zu erzielen. Das kann z.B. mit mobilen Löschsystemen erreicht werden, die neben oder unter ein Fahrzeug gelegt werden und Wasser von unten an das Fahrzeug sprühen. Eine Unterteilung in kleinere Brandabschnitte kann ebenfalls zur Brandbegrenzung beitragen. Dies kann durch permanente bauliche Unterteilungen auf den sonst durchgehenden Fahrzeugdecks oder durch breite Brandschutzrollos erfolgen, die erst im Falle eines Brandes herabgelassen werden. Dafür müssten beim Beladen entsprechende Abstände freigehalten werden. Je nach Zugänglichkeit des havarierten Fahrzeuges können auch Brandbegrenzungsdecken helfen, eine Brandausbreitung zu verlangsamen und somit wertvolle Zeit zu gewinnen.

Nicht zuletzt ist es empfehlenswert, ausreichende Abstände zwischen den geparkten Fahrzeugen zu gewährleisten – eine Maßnahme, die auch die Brandausbreitung konventioneller Brände verlangsamen würde. Messungen an Bord zu Zeiten voller Auslastung zeigten vielfach Abstände von nur ca. 30 cm. Die Anwendung einer Brandbegrenzungsdecke ist unter diesen Bedingungen kaum möglich. Hier sollten sinnvolle Kompromisse zwischen Sicherheitsaspekten und ökonomischen Interessen getroffen werden.

Gefahrenfrüherkennung/Monitoring

Generell ist die Überwachung von Fahrzeugdecks hinsichtlich einer möglichst frühen Branderkennung sinnvoll, einfach umzusetzende Methoden wären Kameraüberwachung, ggf. auch mit Thermokameras und regelmäßige Rondengänge durch geschultes Personal. Die Anwendung von Gassensorik ist eine weitere Möglichkeit, die jedoch durch komplexe Strömungsverhältnisse, hohe Luftwechselzahlen und die aus den konventionellen Fahrzeugen freigesetzten Abgase ihre Grenzen hat.

Die Hochvoltbatterie von Elektrofahrzeugen wird durch ein Batteriemanagementsystem (BMS) überwacht, welches im Normalbetrieb dafür sorgt, dass die Lade- und Entladezyklen der einzelnen Zellen aufeinander abgestimmt werden und so eine lange Lebensdauer der Batterie ermöglicht wird. Das BMS erkennt auch eine Reihe kritischer Zustände, wie z. B. Überhitzung, die auf einen bevorstehenden thermal runaway hinweisen können. Es wäre sinnvoll, wenn derartige Signale nach außen kommuniziert werden würden, z. B. durch einen optischen oder akustischen Alarm (ähnlich einer Diebstahlsicherung) oder ein Funksignal an eine zuständige Stelle – auf einem Schiff sollte dieses Signal an die Brücke gesendet werden. So wäre ein frühzeitiges Eingreifen möglich. Die technischen Möglichkeiten für eine derartige Alarmfunktion sind bereits vorhanden – notwendig wäre eine multilaterale gesetzliche Regelung unter Einbeziehung der Hersteller, wie ein solches System als genereller Sicherheitsstandard vorgeschrieben werden könnte.

Training des Personals

Hafenpersonal und Schiffsbesatzungen sollten im Umgang mit alternativ betriebenen Fahrzeugen geschult werden. Dazu gehört zunächst die grundlegende Kenntnis der verschiedenen neuen Kraftstoffe (z. B. CNG, LNG, LPG) bzw. Antriebskonzepte (z. B. Brennstoffzelle, Lithium-Ionen-Batterie) und der jeweiligen besonderen Gefahren. Zudem sollten die geeignetsten Maßnahmen zur Gefahrenabwehr für die unterschiedlichen Fahrzeugtypen geschult und auch trainiert werden. So sollte z. B. der Einsatz von Brandbegrenzungsdecken ausschließlich durch geschultes Personal mit geeigneter Persönlicher Schutzausrüstung erfolgen! Sehr wichtig im Zusammenhang mit Bränden von Elektrofahrzeugen ist die Aufklärung über zu treffende Maßnahmen nach dem Feuer! Dekontaminierungs- und Reinigungsarbeiten sollten nur von Spezialfirmen durchgeführt werden, da die zu erwartenden Abbrandprodukte – im Unterschied zu konventionellen Bränden – hochgiftige metallorganische Verbindungen in hohen Konzentrationen enthalten können.

Aufladen während der Überfahrt

Für die gewünschte Akzeptanz von Elektrofahrzeugen sollte sichergestellt werden, dass ein einfaches und sicheres Aufladen entlang aller üblichen Reiserouten möglich ist. Aus klimatechnischer Sicht besteht derzeit noch das Gegenargument, dass der an Bord verfügbare Strom durch Dieselgeneratoren erzeugt wird. Neubau-Fähren werden jedoch bereits mit umweltfreundlicheren Kraftstoffen betrieben und sind von vornherein mit Ladesäulen für Elektrofahrzeuge ausgestattet. [6]

Innerhalb des Forschungsprojektes ALBERO wurde ein umfassender Anforderungskatalog für eine sichere Lademöglichkeit an Bord entwickelt. [7] Dieser geht auf die Besonderheit des Ladens an Bord im Vergleich zum Laden an Land ein und umfasst u. a. Vorschläge zur Anpassung der IP-Schutzklasse, zur Realisierung eines Schutzleiters durch einen Trenntrafo und zu Vorrichtungen zum Abschalten der Ladeinfrastruktur bei besonderen Situationen. Letzteres kann z. B. erforderlich werden, wenn an Stellplätzen in der Nähe Gefahrgut transportiert wird oder schweres Wetter zu erwarten ist.

Car-Carrier

Car-Carrier sind Schiffe, die Fahrzeuge in sehr großer Stückzahl als zu verschiffende Ware transportieren – es handelt sich dann um einen unbegleiteten Transport. Die gefahrenen Routen sind oft lang, typischerweise von Asien nach Europa bzw. eumgekehrt. Zunehmend werden auch mit diesen Schiffen Elektrofahrzeuge transportiert, wobei Tausende Fahrzeuge mit sehr engem Abstand – seitlich oft nur 10 cm – geladen sind. Diese Schiffe nutzen in den Frachträumen meistens Gaslöschanlagen, da ein Aufenthalt von Personen dort nicht zu erwarten ist. Das ausströmende Kohlendioxid soll den Sauerstoff verdrängen und so dem Feuer die Grundlage entziehen. Die schwere Havarie der „Felicity Ace“ im Februar 2022, die Elektrofahrzeuge geladen hatte und nach einem Brand letztendlich sank, brachte auch bei diesem Transportsegment die Frage auf, ob die Löschanlagen an Bord noch geeignet sind.

Brandschutz und Brandbekämpfung

Ein Argument, das man häufig findet und das gegen den Einsatz von Gaslöschanlagen bei E-Autos sprechen würde, ist, dass Lithium-Ionen-Batterien bei einem Brand Sauerstoff freisetzen, der das Feuer selbst nährt, sodass ein Verdrängen des Sauerstoffes durch ein Löschgas nicht den gewünschten Effekt erzielt. Diese Aussage ist jedoch ungenau und führt zu Missverständnissen! In der Tat wird bei einem thermal runaway das Kathodenmaterial in der Lithium-Ionen-Zelle umstrukturiert, sodass dabei Sauerstoff freigesetzt wird. Dieser verlässt jedoch nicht die Zelle, sondern reagiert sofort mit dem Elektrolyten und anderen Zellmaterialien. Aufgrund dieser Reaktion entweichen bei einem thermal runaway große Mengen CO2 und CO aus einer havarierten Zelle.

Dass Gaslöschanlagen dennoch in ihrer bisherigen Auslegung nicht sehr effektiv für havarierte Lithium-Ionen-Batterien sind, liegt daran, dass die aus den Zellen entweichenden Gase wie z. B. CO und H2 besonders niedrige Sauerstoff-Mindestkonzentrationen (limiting oxygen concentration, LOC) haben. Diese LOC beschreibt die minimale Sauerstoff-Konzentration, die ein Stoff zum Brennen benötigt. Sie beträgt für die allermeisten Stoffe ca. 15 %, für Diesel und Benzin sind es etwa 12 %. Darauf sind die im Moment an Bord installierten Anlagen ausgelegt. Um ein Entzünden von z. B. Wasserstoff zu verhindern, müsste die Inertisierung fast vollständig sein. Auf die neuen Anforderungen angepasste Gaslöschanlagen müssten entsprechend dimensioniert werden. Wichtig wäre auch ein möglichst schnelles Fluten der Laderäume mit Gas!

Jedes transportierte Fahrzeug besteht genaugenommen aus 5 großen Luftblasen: 4 Reifen und die Fahrerkabine. Wenn ein Fahrzeug erst einmal in Vollbrand steht, kann diese Luft schnell freigesetzt werden und das Feuer dann in der Tat immer wieder durch neuen Sauerstoff genährt werden und sich ausbreiten – dies gilt unabhängig von der Antriebsart. Eine schnelle Gas-Flutung könnte durch den Einbau von (mobilen) feuerfesten Zwischenwänden unterstützt werden.

Begrenzung des Ladezustandes

Es ist bekannt, dass Lithium-Ionen-Batterien mit einem geringen Ladezustand (State of Charge, SOC) deutlich weniger anfällig für einen thermal runaway sind als vollgeladene Batterien. Die European Maritime Safety Agency EMSA empfiehlt daher für den Transport von Elektrofahrzeugen auf Car Carriern einen SOC zwischen 30 und 50 %. [8] Im Moment werden vor allem Neuwagen transportiert, sodass dies von den Herstellern, die oft auch die Charterer der Schiffe sind, sichergestellt werden kann. Interessanter wird diese Fragestellung, wenn zunehmend gemischte Marken gebrauchter Fahrzeuge verschifft werden. Dann wären Systeme zur Kontrolle und ggf. gezielten Entladung von Elektrofahrzeugen sinnvoll.

Endnoten

[1] V. Linja-aho: Hybrid and Electric Vehicle Fires in Finland 2015–2019, presented in Fires in Vehicles (FIVE) - conference in December 2020 https://www.kennisplatformtunnelveiligheid.nl/wp-content/uploads/2022/01/linja-aho-paper-FIVE-Hybri.pdf

[2] W. Huang et. al.: Questions and Answers Relating to Lithium-Ion Battery Safety Issues, Cell Reports Physical Science 2, 100285, January 20, 2021

[3] Brisant: Erhöhte Gefahr bei E-Autos? Stand 5. Mai 2023 https://www.mdr.de/brisant/ratgeber/elektroauto-brand-102.html

[4] J. Hynynen, M. Quant, R. Pramanik, A. Olofsson, Y. Zhen Li, M. Arvidson, P. Andersson: Electric Vehicle Fire Safety in Enclosed Spaces, RISE Report, 2023:42 http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:1744882/FULLTEXT01.pdf

[5] Work Package 10 – Extinguishment https://lashfire.eu/deliverables/

[6] https://www.ttline.com/de/an-bord/e-fahrzeug/

[7] www.alberoprojekt.de[8] European Maritime Safety Agency: Guidance for AFVs carriage in ro-ro spaces, 2022 https://www.ecgassociation.eu/publications-and-reports/emsa-guidance-on-alternative-fuel-vehicles/

Dr. Dana Meißner leitet den Bereich Forschung & Entwicklung am Institut für Sicherheitstechnik/Schiffssicherheit e.V. in Rostock-Warnemünde. Von 2018 bis 2021 koordinierte sie das Forschungsprojekt ALBERO (Alternativ betriebene Fahrzeuge auf RoRo-Fährschiffen).

Kontakt: d.meissner [at] schiffssicherheit.de