Das Brandrisiko soll bei Elektroautos mit ihren entflammbaren Lithium-Ionen-Akkus höher liegen als bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Ob das stimmt und ob diese Brände gefährlicher sind, klärt diese Analyse.
Brennendes Batteriemodul eines Elektroautos
Amstein + Walthert / Empa
Rückrufe von Elektrofahrzeugen und Plug-in-Hybriden (PHEV), die plötzlich in Brand geraten können, tauchen immer wieder in den Medien auf. Jüngst hat Hyundai bekannt gegeben, wegen Brandgefahr Batterien in über 80.000 E-Autos ersetzen zu wollen. Betroffen sind in vor allem SUVs des Modells Kona EV. Auch Automobilhersteller wie Ford und BMW haben schon Plug-in-Hybride wegen Brandgefahr in die Werkstätten rufen müssen. Offenbar waren Verunreinigungen in den Batteriezellen problematisch.
Es sind Nachrichten wie diese, die die Diskussion um die Brandgefährlichkeit von Elektrofahrzeugen und PHEV immer wieder anfachen. Wenn ein Elektroauto in Brand gerät, ist das schnell in den Schlagzeilen. Aufsehenerregende Bilder von lodernden Flammen und Feuerwehrleuten, die mit einem großen Wassercontainer zum Löschen anrücken, sorgen für Aufsehen. Doch sind Elektrofahrzeuge tatsächlich gefährlicher als Fahrzeuge mit klassischen Verbrennungsmotoren? Ist das Brandrisiko höher?
Brandsicherheit von Akkus seit 30 Jahren Forschungsthema
Die Brandsicherheit von Lithiumbatterien ist seit den 1990er Jahren ein Forschungsthema, schreiben die Springer-Autoren im Editorial zur Spezialausgabe zur Brandsicherheit von Lithiumbatterien der Zeitschrift Fire Technology. Dieses Thema habe in den letzten Jahren nach dem Auftreten vieler Brandunfälle zunehmend an Bedeutung gewonnen. Der Brand von Lithiumbatterien sei ein komplexes Phänomen, das mehrere physikalische und chemische Prozesse innerhalb und außerhalb des Batteriegehäuses umfasse.
So weit, so gut. Doch wie wahrscheinlich ist es, dass ein Elektrofahrzeug in Brand gerät im Vergleich zu einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor? Aufgrund der bisher so geringen Anzahl an E-Autos könne man dazu nur begrenzt statistische Aussagen machen, erklärt Professor Jochen Zehfuß im Interview mit dem Magazin der TU Braunschweig. Unter Berücksichtigung dieser Einschränkung sei aber zu erwarten, dass Brände bei Elektrofahrzeugen nicht häufiger auftreten, so der Leiter des Fachgebiets Brandschutz im Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (iBMB) der TU Braunschweig. Auch sei in Summe keine wesentliche Änderung bei der Brandlast im Vergleich von Elektro- und Verbrennerfahrzeug festzustellen. Generell hält Brandschutz-Experte Zehfuß fest: "Insgesamt hat sich das Risiko von Fahrzeugbränden in den vergangenen Jahren gewandelt, weil die Fahrzeuge tendenziell immer größer werden. Damit erhöhen sich auch die Brandlasten. Wir haben also schleppend einen Anstieg des Brandrisikos. Das hat jedoch überhaupt nichts mit dem Antriebskonzept zu tun".
Testergebnisse eines chinesisch-schwedischen Forscherteams deuten in eine ähnliche Richtung: Die Wärmefreisetzungsrate eines EV-Brandes sei mit der eines fossil befeuerten Fahrzeugbrandes vergleichbar, so die Forscher Peiyi Sun, Roeland Bisschop, Huichang Niu und Xinyan Huang im Artikel A Review of Battery Fires in Electric Vehicles aus der Fire Technology 4-2020. Ein EV-Brand könne jedoch mehr giftige Gase wie Fluorwasserstoff (HF) aus brennenden Li-Ionen-Batterien freisetzen. Auch gäbe es nur sehr wenige Kenntnisse über die Brandgefahr der entsorgten Elektroautos und ausgedienten Akkupacks. Das Problem sieht auch Forscher Zehfuß: Man wisse noch nicht viel darüber, wie sich die Batterien verhalten, wenn sie altern oder als Second-Life-Energiespeicher in Gebäuden eingesetzt werden. Ob dadurch das Brandrisiko steige und in welchem Maß, sei noch offen, sagt Zehfuß.
Crashtests unauffällig
Fest steht bislang: Keines der aktuellen Elektroautos ist bei einem Crashtest negativ aufgefallen, wie der ADAC berichtet. Im Vergleich mit herkömmlich angetriebenen Pkw sei die Sicherheit von Elektroautos wegen der optimierten Crashstruktur im Fahrzeug oft sogar besser. Aktuell gäbe es keinerlei Hinweise darauf, dass Elektroautos mit oder ohne Unfalleinwirkung eher zum Brennen neigen als Autos mit Verbrennungsmotor, resümiert der Automobilclub. Genauso sehen es Dekra-Unfallforscher: Die getesteten Elektrofahrzeuge stünden vergleichbaren konventionell angetriebenen Fahrzeugen bei der Sicherheit in nichts nach.
Auch die Arbeitsgemeinschaft der Leiter der Berufsfeuerwehren und des Deutschen Feuerwehrverbandes halten in ihren Empfehlungen zur Risikoeinschätzung Lithium-Ionen-Speichermedien fest, dass sich Elektroautos hinsichtlich der Gefährdungsbeurteilung nicht von Verbrennerfahrzeugen unterscheiden. Experimente der Feuerwehren hätten gezeigt, dass die Brandintensität nicht von der Antriebsart abhänge, sondern mit den verbauten Materialien (vor allem Kunststoffe), also im Wesentlichen durch das Interieur des Fahrzeugs bestimmt werde.
E-Auto-Brand in der Tiefgarage
Was passiert aber, wenn ein Elektroauto in einem Straßentunnel oder in einer Tiefgarage Feuer fängt? Vor allem private und öffentliche Betreiber von Tiefgaragen oder Parkhäusern, die mittlerweile auch immer häufiger von Elektroautos frequentiert werden, sind an der Antwort interessiert. Einige Kommunen haben Elektro- und Hybridfahrzeuge wegen einer vermeintlich höheren Brandgefahr für Tiefgaragen oder Parkhäusern gesperrt, so etwa die Städte Kulmbach und Leonberg. Schadensstatistiken bestätigen die Angst vor erhöhter Brandgefahr bislang jedoch nicht. Der Leiter der Schadenverhütung im Gesamtverband der Deutschen Versicherungswirtschaft (GDV), Alexander Küsel, erklärt: "Aus unseren Statistiken gibt es keinerlei Hinweise, dass Elektrofahrzeuge häufiger brennen als Autos mit Verbrennungsmotor". Die Sicherheit in einer Tiefgarage hänge von der Qualität des Brandschutzes ab und nicht davon, welche Autos dort parken, so Küsel.
Ebenso beschwichtigt der deutsche Feuerwehrverband: "[...] Auch Elektrofahrzeuge von den Einsatzkräften der Feuerwehr gelöscht werden können", erklärt Dipl.-Ing. (FH) Peter Bachmeier, Leitender Branddirektor und Vorsitzender des Fachausschusses Vorbeugender Brand- und Gefahrenschutz der deutschen Feuerwehren. Bachmeier erklärt: "Dies gestaltet sich unter Umständen etwas schwieriger als die Brandbekämpfung von herkömmlich angetriebenen Fahrzeugen. Jedoch nicht komplexer oder gefahrbringender als etwa ein Brand eines gasbetriebenen Kfz."
E-Auto-Brand im Straßentunnel
Und wie sieht das Brandverhalten von E‑Fahrzeugen in Tunnelanlagen aus? Dieser Frage geht das Projekt Brafa unter Federführung der TU Graz gemeinsam mit MU Leoben, der Österreichischen Bundesfeuerwehrverband sowie der ILF Beratende Ingenieure nach. Im Artikel Brandversuch mit E-Fahrzeugen in Tunnelanlagen aus der BHM 12-2020 kommen sie zu folgendem Fazit: "Bis dato fanden mehrere Realbrandversuche an Pkw statt, die zeigten, dass das Brandverhalten von E‑Fahrzeugen sich nicht wesentlich von jenem konventioneller Fahrzeuge unterscheidet. Merklich unterschiedlich ist jedoch die Rauchgaszusammensetzung durch das vermehrte Auftreten von Fluorwasserstoff und Phosphorsäure, die beide ein erhöhtes Gesundheitsrisiko darstellen." Die Forscher stellen ferner fest, dass die herkömmlichen Löschstrategien mit Wassereinsatz nicht ausreichen. Es bedürfe vielmehr einer effizienten Kühlung der Energiespeicher, um die thermische Fortpflanzung des Brandes zu unterbinden. Das Forschungsprogramm soll im Sommer 2021 abgeschlossen werden.
Auch Empa-Forscher haben gemeinsam mit dem Tunnelsicherheitsexperten Lars Derek Mellert von der Firma Amstein + Walthert Progress Elektrofahrzeugbrände in unterirdischen Verkehrsinfrastrukturen untersucht. Sie haben im Versuchsstollen Hagerbach Batteriezellen von Elektroautos in Brand gesetzt und die Verteilung von Ruß und Rauchgasen sowie die chemischen Rückstände im Löschwasser analysiert. Der Versuch wurde vom Schweizer Bundesamt für Straßen (Astra) finanziert und fand bereits im Dezember 2019 statt.
Projektleiter Mellert hat mit Unterstützung des Batterieforschers Marcel Held und des Korrosionsspezialisten Martin Tuchschmid von der Empa drei Versuchsszenarien entwickelt – Brand in einem geschlossenen Raum, Brand in einem Raum mit Sprinkleranlage und Brand in einem Tunnel mit Ventilation. Beteiligt waren außerdem Experten der Versuchsstollen Hagerbach AG und des französischen "Centre d'études des tunnels" (CETU) in Bron. "Wir haben Test-Oberflächen im Brandraum montiert, auf denen sich der Ruß absetzte", erläutert Martin Tuchschmid, Korrosions- und Brandschadenspezialist an der Empa. "Die Oberflächen wurden nach dem Versuch chemisch analysiert und auch mehrere Monate lang in speziellen Räumen gelagert, um möglichen Korrosionsschäden auf die Spur zu kommen."
Empa-Forscher geben Entwarnung
Die Forscher können einerseits Entwarnung geben: Ein brennendes Elektroauto sei in thermischer Hinsicht nicht gefährlicher als ein brennendes Auto mit konventionellem Antrieb. "Die Schadstoffemissionen eines Fahrzeugbrands waren schon immer gefährlich und unter Umständen tödlich", heißt es im Abschlussbericht. Völlig unabhängig von der Antriebsform oder dem Energiespeicher müsse es oberstes Ziel sein, dass sich alle Personen möglichst schnell aus der Gefahrenzone begeben. Speziell die stark ätzende, toxische Flusssäure wird oft als besondere Gefahr bei brennenden Batterien diskutiert. In den drei Versuchen im Tunnel Hagerbach blieben die Konzentrationen jedoch unter dem kritischen Bereich.
Fazit: Eine Tunnellüftung, die auf aktuellem Stand der Technik ist, komme nicht nur mit brennenden Benzinautos, sondern auch mit Elektroautos zurecht, so die Wissenschaftler. Erhöhte Korrosionsschäden an der Lüftungsanlage oder der Tunneleinrichtung seien aufgrund der nun vorliegenden Resultate ebenfalls nicht zu erwarten.
Feuerwehren sind gut gerüstet
Auch die Feuerwehren müssen nach Einschätzung der Empa-Forscher auf Grund der Versuche nichts neu lernen. Feuerwehrleute wüssten, dass die Batterie eines Elektroautos nicht zu löschen sei und sich nur mit großen Mengen Wasser kühlen lasse. Denn im schlimmsten Fall können die Zellen in der Antriebsbatterie "durchgehen". Das wäre der sogenannte "Thermal Runaway", der auftreten kann, wenn die Schutzmechanismen der Antriebsbatterie infolge eines schweren Unfalls verformt und damit beeinträchtigt worden sind. Die meisten EV-Brandunfälle werden durch Thermal Runaway verursacht, so das bereits erwähnte chinesisch-schwedische Forscherteam. Mit einem optimierten Design und einer verbesserten Auslegung von Batteriepacks lässt sich dem thermischen Durchgehen aber entgegenwirken, wie AVL untersucht hat und im Artikel Untersuchung des Thermal Runaway in Lithium-Ionen-Batteriesystemen aus dem ATZextra Elektromobilität 2020 darlegt. "Eine Selbstentzündung eines Elektroautos ohne externe Einwirkung während der Fahrt, im Stand oder beim Laden aufgrund eines technischen Defektes ist extrem selten", so der ADAC.
Um das Feuer möglichst auf einige Batteriezellen zu beschränken, also nur auf einen Teil der Batterie, werden zurzeit Löschsysteme entwickelt, zum Beispiel Löschlanzen, wie die Dekra berichtet. Sie können von der Feuerwehr direkt in das Akkugehäuse eingeschlagen werden. Nichtsdestotrotz muss ein solches, teilweise ausgebranntes Wrack in einem Wasserbecken oder einem Spezialcontainer aufbewahrt werden, damit es sich nicht neu entzünden kann. Doch das sei den Spezialisten bereits bekannt und werde auch schon geübt, so die Empa-Forscher.
Löschwasser ist giftig und professionelle Dekontamination notwendig
Ein Problem stellt dagegen das Lösch- und Kühlwasser dar, das beim Bekämpfen eines solchen Brandes und beim Lagern einer ausgebrannten Batterie im Wasserbad anfällt, geht aus dem Empa-Bericht hervor. Die Analysen hätten ergeben, dass die chemische Belastung des Löschwassers die Schweizer Grenzwerte für Industrieabwässer um das 70-fache übersteige, das Kühlwasser liege sogar bis zu 100-fach über dem Grenzwert. Es sei wichtig, dass dieses hochbelastete Wasser nicht ohne fachgerechte Vorbehandlung in die Kanalisation laufe.
Nach den Versuchen der Empa wurde der Brandraum von professionellen Brandsanierern dekontaminiert. Anschließend entnommene Proben hätten bestätigt, dass die Methoden und der Zeitaufwand auch für die Sanierung nach dem Brand eines Elektroautos ausreichen. Doch Experte Mellert warnt vor allem private Besitzer von Tiefgaragen: "Versuchen Sie nicht, den Ruß und den Dreck selbst aufzuwischen. Im Ruß sind große Mengen von Kobaltoxid, Nickeloxid und Manganoxid enthalten. Diese Schwermetalle lösen auf ungeschützter Haut starke allergische Reaktionen aus." Eine professionelle Brandsanierung nach einem Elektroautobrand sei notwendig.
Fazit
Nach aktuellem Wissensstand haben Elektroautos kein höheres Brandrisiko als Autos mit Verbrennungsmotoren. Sie brennen also nicht häufiger. Wenn sie einmal brennen, dann können auch Elektrofahrzeuge von den Einsatzkräften der Feuerwehr gelöscht werden, wobei die Brandbekämpfung unter Umständen komplexer ist. Weiterer Forschungsbedarf besteht allerdings hinsichtlich der Brandgefahr bei ausgedienten Akkupacks und Second-Life-Batterien. Vorsicht ist auch beim Lösch- und Kühlwasser geboten, das nicht unbehandelt in die Umwelt gelangen sollte. Merklich unterschiedlich ist die Rauchgaszusammensetzung durch das vermehrte Auftreten von gesundheitsschädlichem Fluorwasserstoff und Phosphorsäure bei einem Lithium-Ionen-Akku-Brand, wobei in den drei Empa-Versuchen im Tunnel Hagerbach die Konzentrationen unter dem kritischen Bereich blieben.