Kolloquium Parkbauten
kpb
2510-7763
expert verlag Tübingen
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Technische Akademie EsslingenBrandschutzlösungen statt Einfahrtsverbote für Elektrofahrzeuge in Park- und Tiefgaragen - Einsatz von Branddetektions- und Brandbekämpfungssystemen zur Vorbeugung von Personen- und Sachschäden
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Matthias Bohnert
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.
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10. Kolloquium Parkbauten - Februar 2022 211 Brandschutzlösungen statt Einfahrtsverbote für Elektrofahrzeuge in Park- und Tiefgaragen - Einsatz von Branddetektions- und Brandbekämpfungssystemen zur Vorbeugung von Personen- und Sachschäden Matthias Bohnert Securiton Deutschland Business Developer & Assistenz der Vertriebsleitung Verantwortlich für den Geschäftsbereich E-Mobility 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 Die kommenden Jahre 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. Um den Traum der emissionslosen Fortbewegung zu erfüllen, ist ein massiver Aufbau der Ladinfrastruktur (nachfolgend LIS) vor allem in urbanen halböffentlichen und öffentlichen Bereichen erforderlich [1]. Was auf der einen Seite der Umwelt zugutekommt, birgt auf der anderen Seite aber bisher kaum bekannte Gefahren, was auch Vorfälle in der jüngsten Vergangenheit gezeigt haben, wie z. B. der Großbrand in einem Depot für Elektrobusse in Stuttgart. 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, 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 wird derzeit aktualisiert, aber auch in der neuesten Entwurfsfassung stellen 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 Anlagekein Elektro- oder Brandunfall verursacht wird. Beidem Ladesäulenbetreiber kommen für die Haftung gegenüber seinen Kunden (dem Eigentümer des Parkhauses) in dem 212 10. Kolloquium Parkbauten - Februar 2022 Brandschutzlösungen statt Einfahrtsverbote für Elektrofahrzeuge in Park- und Tiefgaragen die Ladesäulen stehen, sowie gegenüber unbeteiligten Dritten zwei Haftungsgrundlagen in Be-tracht: • 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. 25.800 (Stand Q4/ 2021) Ladestationen für Elektroautos 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 einen 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 Brand-entwicklung 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 VdSzertifizierte 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. Brandhäufigkeit: In Deutschland brennen jährlich ca. 15.000 PKWs. Davon sind 20-30% auf politische motivierte Anschläge zurückzuführen. Ein Großteil der Brände ist auf technische Defekte, wie Motorbrände und heiß gelaufene Räder zurückzuführen. Aufgrund der geringeren Verbreitung von vollelektrischen Fahrzeugen und der noch schwachen Datenlage lässt sich derzeit keine Rückschlüsse über die Brandhäufigkeit von Elektroautos 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 entsteht 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 Defla- 10. Kolloquium Parkbauten - Februar 2022 213 Brandschutzlösungen statt Einfahrtsverbote für Elektrofahrzeuge in Park- und Tiefgaragen gration 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 Schadstofffrei-gabe 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 Umgebungsbedingung 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 temperatur-schwankende Rahmenbedingungen vorliegen. 214 10. Kolloquium Parkbauten - Februar 2022 Brandschutzlösungen statt Einfahrtsverbote für Elektrofahrzeuge in Park- und Tiefgaragen Abbildung 3: Empfindlichkeit von Brandmeldern Brandfrühestdetektion für einen vorbeugenden Brandschutz Frühzeitige Branddetektion rettet Leben und Sachwerte, deshalb wird der Einsatz von Sonderbrandmelde-technik 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 Abgase 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 über-tragen 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-Parkraumflächen 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 10. Kolloquium Parkbauten - Februar 2022 215 Brandschutzlösungen statt Einfahrtsverbote für Elektrofahrzeuge in Park- und Tiefgaragen 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. 4. 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 sollte sich den sich ändernden Gegebenheiten anpassen und vor allem die Brandrisiken der Lithium-Ionen-Akkus in Elektrofahrzeugen sollten in der Neufassung der Verordnung Berücksichtigung finden. Im Zivilrechtsprozess gilt stets die Beweislastumkehr. Allein durch diese Haftungsthematik, sollte der Betreiber der Ladestationen und der Parkhäuser vorbeugende Maßnahmen ergreifen. Über Securiton Deutschland Securiton Deutschland mit Hauptsitz in Achern ist ein Unternehmen der Securitas Gruppe Schweiz. Mit über 40 Jahren Erfahrung in der Sonderbrandmeldetechnik ist Securiton Deutschland der innovative Anwendungsspezialist für Brandfrühesterkennung bei extremen Umgebungen und im gesamten Bereich der E-Mobilität. Zum Portfolio gehören auch elektronische Sicherheitslösungen für den Objekt- und Perimeterschutz, wie intelligente Videosicherheitssysteme mit Videobildanalysen, Gefahren- und Zutrittsmanagement. Weitere Informationen Securiton Deutschland Alarm- und Sicherheitssysteme Hauptsitz: Von-Drais-Straße 33, 77855 Achern, DE Tel: +49 7841 6223-0, Fax: +49 7841 6223-9010 E-Mail: info@securiton.de, Internet: www.securiton.de Literaturverzeichnis [1] NEP. 2019. „Ziele Elektromobilität“. Nationale Plattform Elektromobilität (blog). 2019. http: / / nati onale-plattform-elektromobilitaet.de/ hintergrund/ die-ziele/ #tabs. [5] DIN. 2018. 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