Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Das Ziel der Machbarkeitsstudie in Phase 1 ist es, die Gefahrenquelle der Energiespeicher umfassend zu analysieren, zu dokumentieren und eine Pr\u00fcfzelle zu entwickeln, die eine Sicherheits-, Gebrauchstauglichkeits- und Performancepr\u00fcfung mit minimalem Gefahrenpotential erm\u00f6glicht. Schadenspr\u00e4ventionsma\u00dfnahmen und Handlungsvorschriften f\u00fcr Havarief\u00e4lle m\u00fcssen entwickelt werden. Dazu ist eine Reihe von theoretischen Betrachtungen und wissenschaftlichen Untersuchungen notwendig. Ziel ist die Erh\u00f6hung der Produktsicherheit und der Ausschluss von Gefahren f\u00fcr Mensch und Umwelt bei der Herstellung, dem Transport, dem Gebrauch, der Lagerung, der Pr\u00fcfung und dem Recycling von Energiespeichern.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Analyse der Gefahrenpotenziale erfolgte durch theoretische Betrachtungen zu Reaktionsm\u00f6glichkeiten der Hauptbestandteile von Li-Ionen Akkumulatoren bei thermischer und mechanischer Beanspruchung sowie bei Kontakt mit Wasserdampf und Gasen. Daraus ist eine Risikobeurteilung f\u00fcr die einzelnen Pr\u00fcfverfahren entstanden.
\nZur Kl\u00e4rung der Explosions- und Brandgefahr sind zerst\u00f6rende Pr\u00fcfungen notwendig. Kurzschluss, \u00dcberladen und mechanische Zerst\u00f6rung wurden als Pr\u00fcfmethoden ausgew\u00e4hlt. Eine sichere Pr\u00fcfumgebung wurde durch den Bau eines Kleinpr\u00fcfbeh\u00e4lters geschaffen. Mit Messtechnik erfolgte die Erfassung der Temperaturen und des Druckverlaufes beim thermischen Runaway von Zellen und kompletten Pedelec Akkus. Gleichzeitig erfolgte zur Ermittlung der chemischen Umweltgef\u00e4hrdung die gaschromatographische Analyse der fl\u00fcchtigen Bestandteile des aufgefangenen Rauchgases.
\nF\u00fcr die Konzeption der Abgasaufbereitungsanlage des Pr\u00fcfzentrums sind die gewonnenen Erkenntnisse Grundlage zur Vorauswahl der Reinigungsverfahren. Die wichtigsten Anforderungen an die Abgasreinigungsanlage konnten daraufhin festgelegt werden.
\nF\u00fcr die Pr\u00fcftechnik und den Pr\u00fcfablauf wurde mittels Variantenvergleich eine sichere Pr\u00fcfmethodik entwickelt. Die Kleinpr\u00fcfzelle wurde mittels Berechnung und Konstruktion als Konzept erstellt. Die Restrisiken der Energiespeicherpr\u00fcfung konnten abgesch\u00e4tzt werden.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die mechanische, thermische und elektrische Fehlbedienung von Li-Ionen Akkumulatoren ist nachweisbar mit einem hohen Brand- und Explosionsrisiko verbunden. Nageltest, Kurzschluss, \u00dcberladung und Quetschen f\u00fchrt zum thermischen Runaway. Einzelne Zellen erreichen Temperaturen von 700\u00b0C und erzeugen Dr\u00fccke von \u00fcber 10 bar in einem 7,5 L Beh\u00e4lter. An kompletten Pedelec Akkus wurden Tempe-raturen bis 800\u00b0 C gemessen. Beim Versagen der Akkus entstehen toxische Rauchgase. Die Gasanalyse ergab sehr gestreute Messwerte der Gasanteile. Wasserstoff schwankt im Bereich 5 – 21 %, Methan zwischen 0,3 – 4,5 % und Kohlenmonoxid zwischen 1,7 – 18 %.
\nDer Druckverlauf bei der Akkupr\u00fcfung streut in einem sehr gro\u00dfen Bereich. Eine genaue Aussage zur zu erwartenden H\u00f6he des \u00dcberdrucks bei Explosion ist derzeit nicht m\u00f6glich. Die Auslegung einer explosionsdruckfesten Pr\u00fcfzelle ist deshalb schwierig. Druckanstieg und anfallender, abzuf\u00fchrender Massestrom sind die Eingangsgr\u00f6\u00dfen f\u00fcr die Bemessung einer Berstsicherung und der angeschlossenen Luftaufbereitungsanlage. Die theoretischen Grundlagen zur Auslegung des Beh\u00e4lters und der Berstsicherung wurden erstellt. Anordnung, Ansprechverhalten und erforderlicher Entlastungsquerschnitt k\u00f6nnen anhand einer Berechnungsvorlage f\u00fcr die zu erwartenden Betriebsbedingungen ermittelt werden.
\nDie Pr\u00fcfmethodik ist an die zu erwartenden Betriebsbedingungen angepasst worden. F\u00fcr Unterdruck, Quetschen, Entladung, \u00dcberladung, Dauerladen, Tiefentladung und Kurzschluss wurde eine feuerfeste und vakuumdichte Pr\u00fcfzelle entwickelt, die den Bediener vor den Gefahren sch\u00fctzt und bei Brand und Explosion eine umweltschonende Abgasreinigung erm\u00f6glicht. Der Pr\u00fcfbeh\u00e4lter verf\u00fcgt \u00fcber einen Inertgasanschlu\u00df, der dem Beh\u00e4lter vor der Pr\u00fcfung Stickstoff oder Argon zuf\u00fchren kann. Dadurch wird eine brandhemmende Atmosph\u00e4re bei der Pr\u00fcfung geschaffen. F\u00fcr Pr\u00fcfungen bei denen aus technologischen Gr\u00fcnden kein geschlossener Beh\u00e4lter einsetzbar ist, wurde ein Notverriegelungskonzept erstellt. Bei Erreichen einer kritischen Temperatur von 140\u00b0 C am Akku wird die Pr\u00fcfung abgeschaltet und der Beh\u00e4lter mit einer Schutzhaube verschlossen.
\nDer Beh\u00e4lter ist \u00fcber einen stahldrahtarmierten Schlauch aus schwer entflammbaren, beschichtetem Glasgewebe mit einem mechanischen Partikel- und Aerosolfilter als Vorfilter verbunden. Die Adsorption der gasf\u00f6rmigen Luftverunreinigungen erfolgt in einem nachgeschalteten Aktivkohlefilter.
\nDie Anforderungen an die Pr\u00fcftechnik sind hinsichtlich thermischer, mechanischer und chemischer Be-st\u00e4ndigkeit sehr hoch. Eine Aufspannvorrichtung in Leichtbauweise ist durchg\u00e4ngig f\u00fcr alle Pr\u00fcfungen einsetzbar. Die hohe Steifigkeit bei geringem Eigengewicht ist die Vorraussetzung f\u00fcr hochfrequente Vibrationspr\u00fcfungen. Das Konzept des Beh\u00e4lters sieht eine Schwei\u00dfkonstruktion aus austenitischen nicht rostenden Edelstahl vor. Normierte Kleinflansche erm\u00f6glichen den Anschluss von verschiedenen Aggregaten, Sensoren sowie \u00dcberwachungs- und Sicherheitseinrichtungen.
\nDas Pr\u00fcfzellenkonzept sieht Pr\u00fcfungen an bis zu 6 kg schweren Akkus vor.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Erste Projektergebnisse wurden von einem SLG-Mitarbeiter auf dem 3. Entwicklerforum Akkutechnologien 2010 in Aschaffenburg pr\u00e4sentiert. Die verantwortlichen SLG-Mitarbeiter arbeiten in zahlreichen Initiativen, die sich mit modernen Akkutechnologien und E-Mobility besch\u00e4ftigen, mit. Sie pr\u00e4sentierten dabei mit Postern und Diskussionsbeitr\u00e4gen ihre Ergebnisse. Bei den Initiativen handelt es sich u. a. um das S\u00e4chsische Lithiumforum LIBESA, das nationale Normungsgremium K371 und den GUS-AK Batte-rietest.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Das Brand- und Explosionsrisiko ist f\u00fcr verschiedene Pr\u00fcfszenarien unterschiedlich hoch. Pr\u00fcfingenieur, Pr\u00fcftechnik und Umwelt sind durch die entwickelte Pr\u00fcfmethodik vor den Auswirkungen des Akkuversagens gesch\u00fctzt. Schutzma\u00dfnahmen in Bezug auf Temperatur, Druck, Stoffaustritt und Rauchgas flossen in die Konzeption der Anlage ein.
\nDie gewonnenen Erkenntnisse erm\u00f6glichen eine schnelle Detailplanung der Pr\u00fcfzelle. Ausgehend davon kann in der n\u00e4chsten Projektphase eine konkrete Konstruktion der pr\u00fcf- und sicherheitstechnischen sowie peripheren Einrichtungen erfolgen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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