9. Kolloquium Parkbauten - Februar 2020 169 Einrichtungsschutz für Ladeinfrastruktur und Elektro-Parkräume Matthias Bohnert Securiton GmbH, Achern, Deutschland Zusammenfassung Das nachfolgende Sicherheitskonzept untersucht die Gefahren und Risiken, die mit dem Aufbau von Ladeinfrastruktur und dem Parken von Elektroautos in Gebäuden einhergehen. Ladesäulen- und Parkhausbetreiber sollten im Rahmen der Betreiberverantwortung den sicheren Betrieb der elektrotechnischen Anlagen gewährleisten und müssen sich somit mit einem Einrichtungsschutz auseinandersetzen. Die Hypothese, dass ein Brand von Elektroautos nicht gefährlicher ist als bei einem PKW mit Verbrennungsmotor, wird aufgrund der Kriterien Brandverhalten/ -entwicklung, Schadstoffaustritte und Temperatur falsifiziert. Eine Aussage über die Brandhäufigkeit kann zum derzeitigen Zeitpunkt nicht gegeben werden. Der Einrichtungsschutz besteht aus Komponenten der Sonderbrandmeldetechnik, die einen Brand in den betrachteten Schutzszenarien detektieren, einer Abschaltung des Ladestroms und dem entsprechenden Alarmmeldekonzept. In Prävention investiertes Kapital zur Vermeidung von Personen- und Sachschäden amortisiert sich in kürzester Zeit. Es ist immer wirtschaftlicher, Maßnahmen zur Verhinderung von Schadensereignissen zutreffen, als später die Schäden beseitigen zu müssen. Ganz abgesehen von nicht heilbaren psychologischen Schäden bei betroffenen Personen. 1. Einleitung und Motivation Die kommenden Jahre bis 2022 sind für die Entwicklung der Elektromobilität entscheidend. Fast alle der großen Autohersteller kündigen neue Modelle an, die mehr Komfort, größere Reichweiten und höhere Geschwindigkeiten versprechen. Der Traum der emissionslosen Fortbewegung scheint sich zu erfüllen. Um das Ziel „eine Million Elektroautos“ bis 2022 zu erfüllen, ist ein massiver Aufbau der Ladinfrastruktur (nachfolgend LIS) vor allem in urbanen halb-öffentlichen und öffentlichen Bereichen erforderlich [1]. Was auf der einen Seite der Umwelt zugutekommt, birgt auf der anderen Seite aber bisher kaum bekannte Gefahren. Datum Ort Ereignis Qu. 09.08. 2019 Spielberg, Österreich MotoE: Eine der zehn mit Diesel-Generatoren bestückten Ladestationen explodierte. [2] 30.07. 2019 Herbolzheim, Baden Defekt an der Platine brachte die Ladestation zum Brennen. Stromzufuhr musste manuell gekappt werden. [3] 15.05. 2019 Recycling- Firma, Offenbach Ein Brand in einem Recycling-Betrieb in Offenbach hat für einen Großeinsatz von Feuerwehr und Polizei gesorgt. [4] Tabelle 1: Unfallereignisse Elektromobilität Eine umfangreichere Ausführung der vergangenen Unfallereignisse ist im Anhang aufzufinden. 2. Grundlagen zum Sicherheitskonzept Dieses Sicherheitskonzept untersucht zwei Schutzszenarien und richtet sich an die Zielgruppe der Ladestationsbetreiber, -hersteller sowie Parkhausbetreiber. Das Sicherheitskonzept zielt zudem auf die halbprivaten, buch2.indb 169 13.01.20 15: 40 170 9. Kolloquium Parkbauten - Februar 2020 Einrichtungsschutz für Ladeinfrastruktur und Elektro-Parkräume halböffentlichen und öffentlichen Standorte für Ladeinfrastruktur ab. - Schutzszenario 01: Ladeinfrastruktur - Schutzszenario 02: E-Parkräume Gemäß DIN 14675-1 wird das Sicherheitskonzept der Kategorie 4 „Einrichtungsschutz“ zugeordnet. Diese Schutzkategorie kann spezielle Funktionen, Ausrüstungen oder Bereiche mit hohem Risiko schützen [5]. Die Ladeinfrastruktur sowie die E-Parkräume stellen einen solchen Risikobereich dar. Gemäß Mustergaragenverordnung (nachfolgend M-GARVO) kommen vor allem für geschlossene Mittel- und Großgaragen Brandmeldeanlagen zum Einsatz [6]. Diese Verordnung wurde zuletzt 2008 aktualisiert und so stellen derzeit auch Ladestationen und Elektroautos keine veränderten Anforderungen an Brandabschnitte, Brandschutztüren, Sprinkleranlagen oder Feuerlöscher [7]. Ladesäulen dienen der Abgabe von elektrischer Energie an Elektromobile und sind als Energieanlagen i. S. d. §3 Nr. 15 EnWG zu qualifizieren. Der Ladestationsbetreiber muss im Rahmen der Betreiberverantwortung gewährleisten, dass von der elektrotechnischen Anlage kein Elektro- oder Brandunfall verursacht wird. Bei dem Ladesäulenbetreiber kommen für die Haftung gegenüber seinen Kunden (dem Eigentümer des Parkhauses) in dem die Ladesäulen stehen, sowie gegenüber unbeteiligten Dritten zwei Haftungsgrundlagen in Betracht: - die vertragliche oder vertragsähnliche Haftung und - die Haftung aufgrund von Verkehrssicherungspflichten [8]. Der Betreiber muss regelmäßige Prüfungen und Gefährdungsbeurteilungen i.d.R. durch eine zertifizierte Elektrofirma durchführen lassen [9]. 2.1 Schutzszenario 01: Ladeinfrastruktur Derzeit sind ca. 16.000 Ladestationen in Deutschland in Betrieb. Ladestationsarten, Anschlussleistungen und Anzahl der Ladepunkte können sich hierbei unterscheiden. Da an einer Ladesäule ein sehr hoher Energieumsatz pro Zeit ermöglicht wird (bei der Ladebetriebsart 4 bis zu 200A/ 1000V), ist hier eine latente Gefahrenquelle vorhanden. Abbildung 1: Schaden Ladestation [10]. Durch eine fehlerhafte Handhabung von Verlängerungskabeln, Kabeltrommeln, Mehrfachsteckdosen sowie einer Quetschung oder Abscherung von Ladekabeln kann eine Defekt beim Ladevorgang auftreten [11, 12]. In der Ladestation können durch eine Alterung der elektronischen Komponenten (bei jahrelangem Betrieb) sowie schwierigen Umgebungsbedingungen (Feuchtigkeit, extreme Temperaturen etc.) Brände durch einen Kurzschluss hervorgerufen werden [13, 14]. Ein weiteres Risiko besteht in der Sachbeschädigung der Ladestationen durch manuelles Einwirken von Elektroauto oder eines Vandalen. Beispielsweise kann durch einen Zigarettenstummel in der Ladesäule eine Brandentwicklung hervorgerufen werden. Ein Risiko der Überladung eines Autos durch die Ladestation ist dagegen schwer vorstellbar, da hier ein Defekt in der Kommunikationsschnittstelle sowie der Klimatisierung der Batterie vorliegen müsste. Das Risiko ist vorhanden, aber gering [15]. Die Ladesäulen je nach Hersteller differenzieren sich in den technischen Ausstattungen, haben aber keine VdS-zertifizierte Sensorik zur Branddetektion und -meldung integriert. Ein Temperatursensor, der eine Kühlung der Säule initiiert, stellt keine Lösung des vorbeugenden Brandschutzes dar. 2.2 Schutzszenario 02: Elektro-Parkräume Da im Durchschnitt ein PKW 95% der Zeit (23h/ Tag) parkt, liegt ein signifikantes Risikopotenzial eines Zwischenfalls bei den Elektro-Parkräumen. Es wird explizit von „Räumen“ gesprochen, da somit die Dreidimensionalität des Schutzszenarios verdeutlicht wird. Um die Risiken eines Elektroautos zu erläutern, wird nachfolgend ein Vergleich zu den Kriterien Brandhäufigkeit, Brandentwicklung/ -verhalten, Temperatur, Zündquellen, Schadstoffe und Möglichkeiten der Detektion und Bekämpfung mit einem PKW-Verbrenner gezogen. buch2.indb 170 13.01.20 15: 40 9. Kolloquium Parkbauten - Februar 2020 171 Einrichtungsschutz für Ladeinfrastruktur und Elektro-Parkräume Brandhäufigkeit: In Deutschland brennen jährlich ca. 15.000 PKWs. Davon sind 20-30% auf politische motivierte Anschläge zurückzuführen. Ferner sind Brände auf technische Defekte, wie Motorbrände und heißgelaufene Räder zurückzuführen. Aufgrund der geringen Verbreitung von vollelektrischen Fahrzeugen und der noch schwachen Datenlage lässt sich keine Rückschlüsse über die Brandhäufigkeit ziehen [16,17]. Brandentwicklung/ -verhalten: In diesem Kriterium sind wesentliche Unterschiede zwischen einem PKW mit Verbrennungsmotor und einem Elektroauto zu erkennen. Ein Gros der Brände von Verbrenner- Fahrzeugen entstehen im Bereich des Motors. Bei einer geschlossenen Fahrgastzelle dauert ein Flammenübergriff zwischen zehn und zwanzig Minuten. Grundsätzlich gibt es beim Verbrenner, anders als in Spielfilmen gezeigt wird, keine Explosion! Es handelt sich um eine moderate Flammenausbreitung und es dauert mehrere Minuten bis zu einem Vollbrand. Schäden an einer Batteriezelle oder an der Struktur des Zellinneren führen zu einer Überdruckbildung und einer Überhitzung. Dieser Vorgang zeichnet sich durch thermische (Stichflammen) und akustische (Zischen, leichtes Knallen) Effekte aus. Zeitgleich erfolgt eine Deflagration, die mit einer starken Ausgasung und Rauchbildung startet. Die Ausbreitung dieser Deflagration auf weitere Batteriemodule wird als „Thermal Runaway“ bezeichnet. Dieser ganze Vorgang dauert unter 30 Sekunden. Ein weiteres Merkmal des Brandverhaltens eines Elektroautos liegt in dem ständigen Neuentfachen des Brandes aufgrund der Wiederentzündbarkeit der Batterie [18,19,20]. Abbildung 2: Brand E-Auto in China [21]. Brandtemperatur: Um einen Vergleich der Brandtemperatur bei Elektroautos und Verbrennern bewerten zu können, müssen beide Brandszenarien mit den gleichen Rahmenbedingungen stattfinden. Dies ist in der Forschung noch nicht durchgeführt worden. Jedoch lässt sich aus vergangenen Brandversuchen ableiten, dass die Brandtemperatur eines Elektroautos in der Vollbrandphase ca. 100-250°C heißer ist, als von einem Verbrenner. Dies könnte Auswirkungen auf die Bausubstanz und somit der Statik eines Gebäudes haben. Auslöser/ Zündquellen: Auslöser für Brände bei Verbrenner sind Verkehrsunfälle, ausgelaufener Kraftstoff, Bremsen, schadhafte Autoreifen, elektrische Kurzschlüsse sowie Brandstiftungen. 80-90% der Brände beginnen im Bereich des Motors. Bei einem Elektroauto können Defekte im Kühlkreislauf, elektrische Kurzschlüsse sowie Brandstiftungen zu Bränden führen. Zudem wird ein Zersetzungsprozess in der Batterie ab einer Temperatur von 70°C gestartet. Der Hauptunterschied ist neben dem elektrifizierten Antriebsstrang die Energiespeicherung. Während bei einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor die Energie zumeist in Form flüssiger, fossiler Treibstoffe (z.B. Benzin, Diesel) gespeichert wird, stammt sie bei einem Elektrofahrzeug aus elektrochemischen, wieder aufladbaren Batterien, die aus hochreaktiven und brennbaren Bestandteilen sind [18,20,22]. Schadstoffaustritt: Besonderheit beim Verbrenner sind austretende Benzoldämpfe, die beim Einatmen giftig sind und akute und chronische Krankheiten verursachen können. Elektroautos stoßen dabei weitaus mehr Schadstoffe aus. Es ist zu beachten, dass aufgrund des Fluors, welcher in den Elektrolyten der Li-Batterie vorhanden ist, toxischer Fluorwasserstoff ausgesetzt wird. In Verbindung mit Wasser kann sich die sogenannte Flusssäure bilden. Bei einem Brand der Li-Batterie wird der IDLH- Wert (Maximalwert der Konzentration in der Luft) von mehreren Gasen um ein Vielfaches übertroffen. Die Lithium-Konzentration wird um das 600-fache, Kobalt um das 55-fache und Mangan um das Zweifache überstiegen. Besonders kritisch muss die Geschwindigkeit der Schadstofffreigabe gesehen werden. In der Zeitspanne, in der sich Flüchtende in Sicherheit bringen, können diese bereits Schäden aufgrund der hohen Schwermetallkonzentration davontragen [20]. Die Maßnahmen zur Branddetektion und -bekämpfung werden in der nachfolgenden Handlungsempfehlung zum Einrichtungsschutz aufgezeigt. 3. Handlungsempfehlung zum Einrichtungsschutz für Ladeinfrastruktur und Elektro-Parkräume Im Fokus der Handlungsempfehlung liegt aufgrund der vorausgegangenen Risikobetrachtung der Brandschutz. Ziel ist es, den Brand in der Ladestation oder eines E-Autos so früh wie möglich zu detektieren und mit dieser Detektion weitere Prozesse auszulösen. Für eine Branddetektion werden Brandmeldegeräte eingesetzt, die Komponenten einer Brandmeldeanlage sind. Diese Melder dienen der Branderkennung und können bei Detektion eines Feuers einen Alarm auslösen. Dieser Alarm wir dann an die Brandmeldezentrale geleitet, die wiederum an die Feuerwehr aufgeschaltet werden kann. Neben diesen automatischen Brandmeldern, können auch nichtautomatische Brandmelder, z.B. Handfeuermelder, eingesetzt werden. Grundsätzlich können die Brandmelder in zwei Kategorien unterteilt werden: die bekannten punktförmigen Brandmelder, die in diversen Varianten verfügbar sind, sowie die Sonderbrandmelder. Zur letzten Kategorie zählen unter anderem Ansaugrauchmelder und lineare Wärmemelder. Je nach Anwendung und Umbuch2.indb 171 13.01.20 15: 40 172 9. Kolloquium Parkbauten - Februar 2020 Einrichtungsschutz für Ladeinfrastruktur und Elektro-Parkräume gebungsbedingung werden geeignete Brandmelder ausgewählt, um einen Brand schnell detektieren zu können ohne dabei Täuschungsalarme auszulösen [6,23]. In der Abbildung 3 wird eine Darstellung der Empfindlichkeitsstufen von Brandmeldern aufgeführt. Es ist zu erkennen, dass ein Ansaugrauchmelder bereits bei einer geringen Rauchkonzentration (in der Pyrolysephase) detektieren kann. Ein Ansaugrauchmelder kann bis um das 70-fache sensibler konfiguriert werden als ein konventioneller Punktmelder. Wärmemelder sind zu empfehlen, sobald schmutzige, feuchte und temperaturschwankende Rahmenbedingungen vorliegen. Abbildung 3: Empfindlichkeit von Brandmeldern 4. Brandfrühestdetektion für einen vorbeugenden Brandschutz Frühzeitige Branddetektion rettet Leben und Sachwerte, deshalb wird der Einsatz von Sonderbrandmeldetechnik für die Ladesäulen- und Elektro-Parkräume empfohlen. In urbanen, unterirdischen Infrastrukturen (z.B. Tiefgaragen) erschweren die Umgebungsbedingungen (Feuchtigkeit, Abgase, extreme Temperaturen) eine zuverlässige Branddetektion mit konventionellen Punktmeldern. Abbildung 4: Ansicht eines linearen Wärmemelders [23]. Mit linearen Wärmemeldern kann gerade in Parkhäusern, die mit hohen Verschmutzungsgrade aufgrund der Abgasen rechnen müssen, Fehlalarmraten und Wartungskosten gesenkt werden. In der Ladestation können Ansaugrauchmelder eingesetzt werden, die bereits bei einem Brand in der Pyrolysephase eine sofortige Abschaltung der Stromzufuhr initiieren. Der Alarm kann an die Leistelle des Kunden oder der Feuerwehr übertragen werden. Es ist zu empfehlen, dass Parkflächen, welche noch nicht überwacht werden, dringendst mit Sonderbrandmeldetechnik ausgestattet werden sollten, um ein flächendeckendes Brandschutzkonzept zu ermöglichen. Auch offene Parkhäuser sollten einen Einrichtungsschutz für Ladeinfrastruktur und E-Parkraum-flächen realisieren. Zunächst gilt es zu prüfen, ob das Objekt für die neue Herausforderung noch ausreichend geschützt ist. Ist die verbaute normenkonforme Brandmeldeanlage überhaupt noch technisch in der Lage, die neuen Gefahren der E-Mobilität abzuwenden? Sind die bisher verbauten linienförmigen Wärmemelder bei Anwendungen mit Ladesäulen noch das richtige Schutzkonzept, oder ist es evtl. besser auf Ansaugrauchmelder umzurüsten, die in der Lage sind einen Entstehungsbrand zu detektieren? Organisatorische Maßnahmen unterstützen den Brandschutz und die Brandbekämpfung Der Einrichtungsschutz für Ladeinfrastruktur und Elektrofahrzeuge könnte als „eigener“ Brandabschnitt definiert werden. Zudem sollten keine leichtentzündlichen Materialien in der Nähe der Ladeinfrastruktur gelagert werden. Videodetektionssysteme unterstützen bei Ermittlungen im Schadensfall, da ja gerade im Zivilrecht die Beweislastumkehr gilt. Ladesäulen sind auf Erdgeschossebene zu errichten, damit im Brandfall das Fahrzeug zeitnah aus dem Gebäude entfernt werden kann. Sprinkler-Anlage und Rauchgasabsaugung sind neben einer Brandmeldeanlage ein Muss. Mit der Rauchabsaugung erfolgt eine Reduzierung der Schadstoffkonzentration und mit der Sprinkler-Anlage kann das Fahrzeug schnell mit dem geeigneten Löschmittel Wasser gelöscht werden. Zudem sollten zur Prävention Feuerlöscher in der Nähe der Ladeinfrastruktur platziert werden. 5. Kritische Diskussion und Fazit In zahlreichen Studien wurde nachgewiesen, dass in Prävention investiertes Kapital zur Verhinderung von Personen- und Sachschäden sich in kürzester Zeit amortisiert. Es ist immer wirtschaftlicher, Maßnahmen zu treffen, die das Eintreten von Schadensereignissen verhindern, als später die Schäden beseitigen zu müssen. Ganz abgesehen von nicht heilbaren psychologischen Schäden bei Personen, die Opfer einer Gewalttat oder Zeuge eines dramatischen Unfalls wurden. Die M-GarVO wurde 2008 zuletzt aktualisiert. Vor allem die Brandrisiken der Lithium-Ionen-Akkus in Elektrofahrzeugen geben Anlass, diese Verordnung bald den sich ändernden Gegebenheiten anzupassen. buch2.indb 172 13.01.20 15: 40 9. Kolloquium Parkbauten - Februar 2020 173 Einrichtungsschutz für Ladeinfrastruktur und Elektro-Parkräume Im Zivilrechtsprozess gilt stets die Beweislastumkehr. Allein durch diese Haftungsthematik, sollte der Betreiber der Ladestationen und der Parkhäuser vorbeugende Maßnahmen ergreifen. Literaturverzeichnis [1] NEP. 2019. „Ziele Elektromobilität“. Nationale Plattform Elektromobilität (blog). 2019. http: / / nationale-plattform-elektromobilitaet.de/ hintergrund/ die-ziele/ #tabs. [2] Wiesinger, G. 2019. „MotoE: Wieder Feuer - Ladestation ist explodiert“. SPEEDWEEK. 2019. https: / / www.speedweek.com/ moto-e/ news/ 147301/ MotoE-Wieder-Feuer-e28093-Ladestation-ist-explodiert.html. [3] Feuerwehr Herbolzheim. 2019. „Einsatz am 30. 07.2019 um 17: 56 Uhr“. Herbolzheim. https: / / www. feuerwehr-herbolzheim.de/ einsaetze/ 1962/ detail/ Kleinbrand/ . [4] Hessenschau, hessenschau de, Frankfurt. 2019. „Großeinsatz bei Brand in Offenbacher Recycling-Firma“. hessenschau.de. 15. Mai 2019. https: / / www.hessenschau.de/ panorama/ grosseinsatz-bei-brand-in-offenbacher-recycling-firma,brand-recycling-unternehmen-100.html. [5] DIN. 2018. 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[4] 09.04.2019 Schorndorf, Firmengebäude Firmengebäude von Akkuhersteller komplett abgebrannt - Sachschaden in Höhe von 1,5 Millionen [24] 20.03.2019 Singen, Postgebäude Teuchern, Parkplatz Nach Bränden bei zwei Elektrolieferwagen vom Typ StreetScooter hat die Post zeitweise rund 460 der selbst produzierten Fahrzeuge aus dem Verkehr gezogen. Auslöser der Brände seien offenbar fehlerhafte Verschweißungen im Bereich der Batterien gewesen [25] 06.09.2018 Karlstein, Firmengebäude Brand eines Hochleistungsakkus Schaden: > 1Mio. €; Rauchvergiftung von Mitarbeitern [26] 18.08.2018 Sangerhausen, Keller in Mehrfamilienhaus Ladestation fängt Feuer Brand in Mehrfamilienhaus in Sangerhausen Schaden: unbekannt; keine Verletzten [27] 01.06.2018 TU Darmstadt, Werkstattbrand Explosion einer Li-Batterie mit zwei Verletzten und 5.000€ Sachschaden [28] 24.11.2017 Reutlingen, Parkplatz Elektro-Smart in Brand geraten - Einsatzkräfte vor großer Herausforderung Schaden: Totalschaden Smart, Umfangreiche Löscharbeiten [29] 07.02.2017 Hannover, Parkhaus E-Bike-Akku explodiert - Brand in Parkhaus; Ladeneinrichtung wurde vollkommen zerstört Schaden: 500.000€ [30] 03.12.2015 Offenburg/ Friesenheim Brand gemeldet - Vermutlich beim Laden von Batterien durch Kurzschluss der Ladestation zu Brand gekommen Schaden: 2.000€ [31] haus in Sangerhausen“. 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Brand gemeldet - Vermutlich beim Laden von Batterien durch Kurzschluss der Ladestation zu Brand gekommen (blog). 2015. https: / / www.regiotrends. de/ de/ polizeiberichte/ index.news.291406.brandgemeldet---vermutlich-beim-laden-von-batteriendurch-kurzschluss-der-ladestation-zu-brand-gekommen.html. buch2.indb 174 13.01.20 15: 40