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Die am häufigsten gesuchten Hersteller von Mess- und Regeltechnik
Lithium-Ionen- und Bleiakkumulatoren sind heute überall dort zu finden, wo eine Notstromversorgung abgesichert oder Energie gespeichert werden muss – in Rechenzentren, UPS-Räumen, Batteriespeichern (BESS) und an Schnellladestationen. Mit ihrer zunehmenden Verbreitung steigt jedoch auch ein Risiko, für das klassische Brandmelder nicht ausreichen: das Austreten von Wasserstoff und anderen Gasen beim Laden oder bei einem Zellfehler. Dieser Artikel erklärt, warum es zur Freisetzung von Gasen kommt, weshalb die Standard-Branddetektion zu spät reagiert und wie der Detektor für freigesetzte Gase Evikon E2673 dieses Problem löst.
Autor: Bc. Jaromír Bittner – Produktspezialist Evikon
Die Entstehung von Wasserstoff hat zwei Hauptmechanismen – und beide sollten berücksichtigt werden, wenn Sie das Sicherheitskonzept für einen Batterieraum planen:
Bleiakkumulatoren (lead-acid, AGM, Gel, VRLA). Während des Ladevorgangs wird Wasser im Elektrolyten durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Bei Nassbatterien (flooded) ist Gasaustritt völlig normal, bei VRLA-Batterien tritt er erst bei Überladung oder bei einem Ventilfehler auf. Wasserstoff sammelt sich unter der Decke (er ist 14-mal leichter als Luft), und wenn der Raum nicht ausreichend belüftet ist, kann die Konzentration im Bereich der Batterie schnell ansteigen.
Lithium-Ionen-Batterien. Wasserstoff ist kein Produkt des normalen Ladevorgangs – er tritt erst als Bestandteil des sogenannten Off-Gassings auf, also der Freisetzung von Gasen aus der Zelle bei Überhitzung oder Degradation. Zusammen mit Wasserstoff werden auch Elektrolytdämpfe (flüchtige organische Verbindungen, typischerweise Diethylcarbonat DEC und Dimethylcarbonat DMC, gegebenenfalls DEMC), Kohlenmonoxid und weitere Zersetzungsprodukte freigesetzt. Off-Gassing ist das erste physikalisch messbare Anzeichen des sogenannten thermischen Durchgehens (thermal runaway) – einer sich selbst beschleunigenden Reaktion, bei der die steigende Zelltemperatur weitere exotherme Prozesse im Zellinneren auslöst, diese die Temperatur weiter erhöhen und schließlich zu Entzündung oder Explosion führen können.
Der gemeinsame Nenner beider Fälle ist eine Tatsache: Wasserstoff ist farblos, geruchlos und hochentzündlich. Seine untere Explosionsgrenze (LEL) liegt bei etwa 4 Vol.-% in Luft – es braucht also nicht viel, damit ein Raum zu einer explosionsfähigen Atmosphäre wird.
Eine Standard-Brandmeldezentrale stützt sich auf drei Meldertypen – Rauch-, Wärme- und Flammenmelder. Alle drei haben bei einem Batterieausfall ein grundlegendes Timing-Problem:
In der Off-Gassing-Phase entsteht praktisch kein Rauch. Die Gasfreisetzung erfolgt vor dem eigentlichen Brand. In dieser Phase müssen weder sichtbarer Rauch noch Flammen im Raum vorhanden sein, und die Raumtemperatur steigt nur minimal an. Der Rauchmelder bleibt also stumm, obwohl im Zellinneren bereits eine Reaktion abläuft, die sich noch stoppen ließe.
Die Temperatur steigt im Zellinneren, nicht im Raum. Bis sich der Temperaturgradient nach außen in den Raum überträgt, wo ein Wärmemelder anspricht, befinden sich meist bereits mehrere benachbarte Zellen im thermal runaway. Die Reaktion breitet sich in der Zwischenzeit weiter im Modul aus.
Ein Flammenmelder reagiert erst nach der Entzündung. Dann geht es nicht mehr um Prävention, sondern nur noch um Schadensbegrenzung.
Die einzige Methode, die einen Fehler erfasst, bevor offenes Feuer entsteht, ist die Gasdetektion – konkret von Wasserstoff und Elektrolytdämpfen (VOC). Deshalb wird für Batteriespeicher und UPS-Räume empfohlen, die klassische Brandmeldeanlage um eine Gasdetektion zu ergänzen, die an die Brandmeldezentrale oder an SCADA angebunden ist.
Wenn es nur um Bleiakkumulatoren ginge, würde ein separater Wasserstoffdetektor ausreichen. Bei Lithium-Ionen-Zellen ist die Situation jedoch komplexer. Eine langsame Zelldegradation kann sich zunächst durch austretende Elektrolytdämpfe (VOC) bemerkbar machen, ohne dass sofort große Mengen Wasserstoff freigesetzt werden. Schnelle Fehler beginnen dagegen eher mit einem Anstieg des Wasserstoffs. Wenn Sie beide Gasgruppen gleichzeitig überwachen, erhöhen Sie die Wahrscheinlichkeit, einen Ausfall in der frühestmöglichen Phase zu erkennen – unabhängig davon, auf welchem Weg er beginnt. Genau darin liegt die Stärke eines kombinierten Detektors.
Zusätzlich werden im Batterieraum in der Regel auch Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit überwacht. Der empfohlene Bereich für Rechenzentren und UPS-Räume liegt üblicherweise zwischen 40–60 % rF und 21–25 °C. Höhere Luftfeuchtigkeit führt zu Kontaktkorrosion, niedrige zu elektrostatischen Entladungen, und hohe Temperaturen verkürzen die Lebensdauer der Zellen und erhöhen das Risiko eines thermal runaway.
Der estnische Hersteller Evikon MCI hat den Detektor E2673 genau für diese Art von Anwendungen entwickelt. In einem Gehäuse für die DIN-Schienen-Montage vereint er vier Funktionen:
Damit deckt er alle entscheidenden Umgebungsparameter in einem Batterieraum mit nur einem Gerät ab und erspart Ihnen die Installation von zwei bis drei separaten Sensoren.
Für Wasserstoff nutzt der Detektor das Prinzip der Wärmeleitfähigkeit. Der Sensor misst, wie das Messgas die Wärmeleitfähigkeit der Probe im Vergleich zu einer Referenzumgebung beeinflusst. Wasserstoff hat etwa eine 7-mal höhere Wärmeleitfähigkeit als Luft und lässt sich mit dieser Methode daher zuverlässig detektieren. Im Gegensatz zu elektrochemischen Zellen ist der Sensor zudem nicht anfällig für Vergiftung. Der Messbereich beträgt 0–100 % LEL H₂ bei einer Auflösung von 0,02 % LEL; die Alarmschwelle kann vom Benutzer im Bereich von 10–40 % LEL eingestellt werden – also deutlich vor Erreichen der unteren Explosionsgrenze.
Für flüchtige organische Verbindungen kommt ein MOS-Sensor (Metal-Oxide Semiconductor) mit einem Index von 0–500 zum Einsatz. Er reagiert auf Elektrolytdämpfe von DEC, DMC und weiteren organischen Verbindungen, die bei der Degradation von Li-Ion-Zellen freigesetzt werden. Die Probenahme erfolgt diffusionsbasiert – die Gase gelangen durch natürliche Luftzirkulation über das Gerätegehäuse zu den Sensoren; eine Pumpe oder Probenahmeleitung ist nicht erforderlich. Die Aufwärmzeit nach dem Start beträgt bis zu 1 Minute, die Ansprechzeit bis zu 20 Sekunden.
Die Sensoren haben eine erwartete Lebensdauer von etwa 15 Jahren, was der Lebensdauer von Lithium-Ionen-Speichern selbst nahekommt oder diese sogar übertrifft. Der Detektor ist ohne regelmäßige Kalibrierung vor Ort ausgelegt – damit entfällt das typische Problem von Wasserstoffsensoren, die nach einigen Jahren an Genauigkeit verlieren und sich in großen Installationen nur schwer durchgängig kalibriert halten lassen. Der Zustand des Detektors kann über die Selbstdiagnose beim Start und während des Betriebs überwacht werden.
Der E2673 bietet zwei Möglichkeiten zur Anbindung an ein übergeordnetes System:
Der Status des Detektors wird direkt am Gerät über drei LEDs angezeigt: grün (Versorgung), gelb (Störung), rot (Alarm).
Technische Daten im Überblick:
Der E2673 eignet sich überall dort, wo Gase aus Lithium-Ionen-Batterien austreten können oder wo Bleiakkumulatoren in größerem Umfang geladen werden:
Das kompakte Gehäuse ermöglicht die Montage direkt im Batterierack oder im Schaltschrank neben anderen DIN-Schienen-Komponenten. Für den Einsatz in Bereichen mit explosionsfähiger Atmosphäre ist der Detektor für ATEX Zone 2 gemäß den Richtlinien 2014/30/EU und 2014/34/EU zertifiziert.
Bei der Planung einer Gasdetektion in einem Batterieraum lohnt es sich, einige Regeln einzuhalten:
Platzieren Sie den Detektor in Deckennähe. Wasserstoff steigt nach oben und sammelt sich am höchsten Punkt des Raums. Ein auf Rackhöhe installierter Detektor erfasst ein Leck schneller als ein Sensor in 1,5 m Höhe über dem Boden.
Denken Sie an die Belüftung. Die Detektion allein löscht keinen Brand. Der Alarm sollte die Entlüftung des Raums auslösen – idealerweise zweistufig: Beim Erreichen der ersten Schwelle startet die Lüftung, bei der zweiten wird der Ladevorgang abgeschaltet und eine akustische sowie optische Signalisierung aktiviert.
Binden Sie den Detektor an die Brandmeldeanlage an. Führen Sie den Relaisausgang des Detektors auf einen Eingang der Brandmeldezentrale, damit der Alarm die Standardprotokolle der BMA auslöst. Modbus dient dann der Visualisierung und Trendaufzeichnung im BMS.
Vergessen Sie die Zonierung nicht. Für große BESS-Container oder mehrere Racks in einem Raum sollten mehrere Detektoren vorgesehen werden, die so verteilt sind, dass alle Risikobereiche abgedeckt werden.
Die Gasdetektion ist bei modernen Batteriesystemen das, was der Rauchmelder im klassischen Brandschutz ist – die erste Verteidigungslinie. Der Unterschied besteht darin, dass sie bei Lithium-Ionen-Speichern oft die einzige Möglichkeit ist, einen Fehler zu erkennen, bevor er in eine irreversible Phase übergeht. Der Detektor Evikon E2673 vereint in einem kompakten Gerät alles, was ein Batterieraum oder UPS-Raum benötigt – Wasserstoffdetektion, Erfassung von Elektrolytdämpfen, Luftfeuchtigkeit und Temperatur – und hält dank der 15-jährigen Lebensdauer ohne Kalibrierung vor Ort die Betriebskosten über die gesamte Lebensdauer des Speichers niedrig.
Wenn Sie den Detektor nur in Bereichen mit Bleiakkumulatoren einsetzen (Notstromversorgung in der Telekommunikation, klassische UPS-Räume mit älterer Technik), reicht die reine Wasserstoffdetektion in der Regel aus – Wasserstoff ist dort das Haupt-Risikogas. Bei Lithium-Ionen-Batterien treten jedoch häufig zuerst Elektrolytdämpfe auf, nicht Wasserstoff. Für Li-Ion-Speicher, Rechenzentren mit modernen UPS-Anlagen und BESS empfehlen wir daher eine kombinierte H₂- + VOC-Detektion, die der E2673 in einem einzigen Gerät beherrscht.
Sicherheitsnormen empfehlen einen Alarmbereich von 10–25 % LEL, also etwa 0,4–1 Vol.-% H₂ in Luft. Die erste Stufe (Voralarm) wird üblicherweise auf 10 % LEL zum Starten der Lüftung eingestellt, die zweite Stufe (Hauptalarm) auf 20–25 % LEL zur Abschaltung der Quelle und Auslösung des Feueralarms. Der E2673 ermöglicht die Einstellung der Schwelle im Bereich von 10–40 % LEL entsprechend den Projektanforderungen.
Ja, der E2673 ist nach EN 60079-0, EN 60079-7 und EN 60079-29-0/-3 für ATEX Zone 2 zertifiziert. Für Zone 1 oder Zone 0 kann der Detektor nicht verwendet werden – in solchen Fällen ist ein anderes Gerät in Ex-„d“- oder „ia“-Ausführung erforderlich.
Nicht vor Ort. Der Detektor ist für einen wartungsfreien Betrieb über die gesamte Lebensdauer der Sensoren (~15 Jahre) ausgelegt. Die Langzeitstabilität beträgt < 3 % LEL H₂ über 5 Jahre. Das ist ein großer Unterschied zu elektrochemischen Sensoren, die jährlich kalibriert oder nach 2–3 Betriebsjahren ausgetauscht werden müssen.
Das Gehäuse mit 94 × 56 × 32 mm wird standardmäßig auf eine DIN-Schiene aufgerastet oder alternativ mit einer Wandhalterung montiert (im Lieferumfang enthalten). Die Detektion erfolgt per Diffusion, daher sind weder eine Probenahmeleitung noch die Platzierung einer Pumpe erforderlich. Für maximale Wirksamkeit sollte der Detektor so nah wie möglich an der Raumdecke montiert werden, wo sich Wasserstoff sammelt.
Neben zwei Alarmrelais verfügt der E2673 auch über ein separates Störungsrelais. Erkennt der Detektor einen eigenen Fehler (z. B. Sensorausfall, Versorgung außerhalb des zulässigen Bereichs), aktiviert er die gelbe LED und schaltet das Störungsrelais in NC-Logik – so weiß das Bedienpersonal, dass die Detektion nicht funktionsfähig ist und eingreifen kann. Der Status kann auch über Modbus RTU überwacht werden.
Ja, über zwei Alarmrelais SPST (NC, 300 mA / 30 VDC). Es handelt sich um einen standardmäßigen potenzialfreien Kontakt, den praktisch jede Brandmeldezentrale an einem Eingang für Gasdetektion akzeptiert.
Off-Gassing ist die eigentliche Freisetzung von Gasen aus der Zelle – das erste physikalisch messbare Anzeichen eines Problems. Thermal runaway ist die nachfolgende, sich selbst beschleunigende Reaktion, bei der die Zelle irreversibel eine kritische Temperatur überschreitet und sich entzünden kann. Ziel der Gasdetektion ist es, das Off-Gassing zu erfassen, bevor die Reaktion in die Phase des thermal runaway übergeht – in diesem Zeitfenster besteht noch die Chance, den Fehler durch Lüftung, Abschaltung und Isolierung des betroffenen Moduls zu stoppen.
Bola.cz
