Projekt 27187/01

Entwicklung einer Prüfzelle zur sicherheitstechnischen Prüfung elektrischer Energiespeicher mit umweltverträglicher Wirkungsweise

Projektträger

SLG Prüf- und Zertifizierungs GmbH
Burgstädter Str. 20
09232 Hartmannsdorf
Telefon: 03722/7323-713

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das Ziel der Machbarkeitsstudie in Phase 1 ist es, die Gefahrenquelle der Energiespeicher umfassend zu analysieren, zu dokumentieren und eine Prüfzelle zu entwickeln, die eine Sicherheits-, Gebrauchstauglichkeits- und Performanceprüfung mit minimalem Gefahrenpotential ermöglicht. Schadenspräventionsmaßnahmen und Handlungsvorschriften für Havariefälle müssen entwickelt werden. Dazu ist eine Reihe von theoretischen Betrachtungen und wissenschaftlichen Untersuchungen notwendig. Ziel ist die Erhöhung der Produktsicherheit und der Ausschluss von Gefahren für Mensch und Umwelt bei der Herstellung, dem Transport, dem Gebrauch, der Lagerung, der Prüfung und dem Recycling von Energiespeichern.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Analyse der Gefahrenpotenziale erfolgte durch theoretische Betrachtungen zu Reaktionsmöglichkeiten der Hauptbestandteile von Li-Ionen Akkumulatoren bei thermischer und mechanischer Beanspruchung sowie bei Kontakt mit Wasserdampf und Gasen. Daraus ist eine Risikobeurteilung für die einzelnen Prüfverfahren entstanden.
Zur Klärung der Explosions- und Brandgefahr sind zerstörende Prüfungen notwendig. Kurzschluss, Überladen und mechanische Zerstörung wurden als Prüfmethoden ausgewählt. Eine sichere Prüfumgebung wurde durch den Bau eines Kleinprüfbehälters 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 Umweltgefährdung die gaschromatographische Analyse der flüchtigen Bestandteile des aufgefangenen Rauchgases.
Für die Konzeption der Abgasaufbereitungsanlage des Prüfzentrums sind die gewonnenen Erkenntnisse Grundlage zur Vorauswahl der Reinigungsverfahren. Die wichtigsten Anforderungen an die Abgasreinigungsanlage konnten daraufhin festgelegt werden.
Für die Prüftechnik und den Prüfablauf wurde mittels Variantenvergleich eine sichere Prüfmethodik entwickelt. Die Kleinprüfzelle wurde mittels Berechnung und Konstruktion als Konzept erstellt. Die Restrisiken der Energiespeicherprüfung konnten abgeschätzt werden.


Ergebnisse und Diskussion

Die mechanische, thermische und elektrische Fehlbedienung von Li-Ionen Akkumulatoren ist nachweisbar mit einem hohen Brand- und Explosionsrisiko verbunden. Nageltest, Kurzschluss, Überladung und Quetschen führt zum thermischen Runaway. Einzelne Zellen erreichen Temperaturen von 700°C und erzeugen Drücke von über 10 bar in einem 7,5 L Behälter. An kompletten Pedelec Akkus wurden Tempe-raturen bis 800° 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 %.
Der Druckverlauf bei der Akkuprüfung streut in einem sehr großen Bereich. Eine genaue Aussage zur zu erwartenden Höhe des Überdrucks bei Explosion ist derzeit nicht möglich. Die Auslegung einer explosionsdruckfesten Prüfzelle ist deshalb schwierig. Druckanstieg und anfallender, abzuführender Massestrom sind die Eingangsgrößen für die Bemessung einer Berstsicherung und der angeschlossenen Luftaufbereitungsanlage. Die theoretischen Grundlagen zur Auslegung des Behälters und der Berstsicherung wurden erstellt. Anordnung, Ansprechverhalten und erforderlicher Entlastungsquerschnitt können anhand einer Berechnungsvorlage für die zu erwartenden Betriebsbedingungen ermittelt werden.
Die Prüfmethodik ist an die zu erwartenden Betriebsbedingungen angepasst worden. Für Unterdruck, Quetschen, Entladung, Überladung, Dauerladen, Tiefentladung und Kurzschluss wurde eine feuerfeste und vakuumdichte Prüfzelle entwickelt, die den Bediener vor den Gefahren schützt und bei Brand und Explosion eine umweltschonende Abgasreinigung ermöglicht. Der Prüfbehälter verfügt über einen Inertgasanschluß, der dem Behälter vor der Prüfung Stickstoff oder Argon zuführen kann. Dadurch wird eine brandhemmende Atmosphäre bei der Prüfung geschaffen. Für Prüfungen bei denen aus technologischen Gründen kein geschlossener Behälter einsetzbar ist, wurde ein Notverriegelungskonzept erstellt. Bei Erreichen einer kritischen Temperatur von 140° C am Akku wird die Prüfung abgeschaltet und der Behälter mit einer Schutzhaube verschlossen.
Der Behälter ist über einen stahldrahtarmierten Schlauch aus schwer entflammbaren, beschichtetem Glasgewebe mit einem mechanischen Partikel- und Aerosolfilter als Vorfilter verbunden. Die Adsorption der gasförmigen Luftverunreinigungen erfolgt in einem nachgeschalteten Aktivkohlefilter.
Die Anforderungen an die Prüftechnik sind hinsichtlich thermischer, mechanischer und chemischer Be-ständigkeit sehr hoch. Eine Aufspannvorrichtung in Leichtbauweise ist durchgängig für alle Prüfungen einsetzbar. Die hohe Steifigkeit bei geringem Eigengewicht ist die Vorraussetzung für hochfrequente Vibrationsprüfungen. Das Konzept des Behälters sieht eine Schweißkonstruktion aus austenitischen nicht rostenden Edelstahl vor. Normierte Kleinflansche ermöglichen den Anschluss von verschiedenen Aggregaten, Sensoren sowie Überwachungs- und Sicherheitseinrichtungen.
Das Prüfzellenkonzept sieht Prüfungen an bis zu 6 kg schweren Akkus vor.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Erste Projektergebnisse wurden von einem SLG-Mitarbeiter auf dem 3. Entwicklerforum Akkutechnologien 2010 in Aschaffenburg präsentiert. Die verantwortlichen SLG-Mitarbeiter arbeiten in zahlreichen Initiativen, die sich mit modernen Akkutechnologien und E-Mobility beschäftigen, mit. Sie präsentierten dabei mit Postern und Diskussionsbeiträgen ihre Ergebnisse. Bei den Initiativen handelt es sich u. a. um das Sächsische Lithiumforum LIBESA, das nationale Normungsgremium K371 und den GUS-AK Batte-rietest.


Fazit

Das Brand- und Explosionsrisiko ist für verschiedene Prüfszenarien unterschiedlich hoch. Prüfingenieur, Prüftechnik und Umwelt sind durch die entwickelte Prüfmethodik vor den Auswirkungen des Akkuversagens geschützt. Schutzmaßnahmen in Bezug auf Temperatur, Druck, Stoffaustritt und Rauchgas flossen in die Konzeption der Anlage ein.
Die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen eine schnelle Detailplanung der Prüfzelle. Ausgehend davon kann in der nächsten Projektphase eine konkrete Konstruktion der prüf- und sicherheitstechnischen sowie peripheren Einrichtungen erfolgen.