Warum’s nicht löscht…

Ein offenbar chemiekundiger Leser schreibt mir gerade noch ergänzende Erläuterungen dazu, warum Elektroautos so schwer zu löschen sind. Es hat einen eigentlich ganz einfachen, aber vielleicht ohne zumindest Chemiegrundkenntnisse nicht ganz einfach zu verstehenden Grund. [Kleiner Nachtrag]

Der Leser hebt auf einen fundamentalen Unterschied zwischen herkömmlichem Fahrzeug mit Kraftstoff und Verbrennungsmotor und Elektroauto ab:

In beiden Fällen beruht die Energiefreisetzung auf einer chemischen Reaktion, und zu der gehören i.d.R. zwei Komponenten. Reduktionsmittel und Oxydationsmittel.

Oh, ja, da werden Erinnerungen an den Chemieunterricht wach. Aus den Tiefen meines eingerosteten Gedächtnisses leuchtet mir da der Begriff Redox-Reaktion auf: Einer reduziert, einer Oxidiert. Das war es irgendwie meistens, wenn dabei Energie frei wurde. Zwei finden sich zusammen um gemeinsam in einen Zustand niedrigeren Energieniveaus zu gehen und dabei Energie freizusetzen. Um es rückgängig zu machen, muss man wieder Energie reinstecken. So funktioniert der Akku. So funktioniert der Verbrennungsmotor.

Nun der knackige Unterschied:

Im konventionellen Auto ist das Reduktionsmittel das im Benzin im Tank, und das Oxydationsmittel die Luft der Umgebung. Zur -kontrollierten- Energiefreisetzung wird also dem Tank Benzin, und der Umgebung Luft entnommen, und beide im Motor zusammengeführt.

Ein Benzintank – solange unzerstört- ist also inhärent sicher, da in ihm nur die eine Komponente enthalten ist. Und selbst wenn er kaputt ist, dann legt die Feuerwehr einen Schaumteppich über das Elend, und das Feuer ist erstickt.

Beim Militär (NVA, DDR…) hat man uns eingebläut: Der Tankwagen muß bei Gefahr feindlichen Beschusses immer randvoll sein. Eine selbstdichtende Hülle vorausgesetzt, passiert garnichts, wenn das Geschoss durch’s Benzin geht. Knallen kann nur das Benzindampf-Luft-Gemisch…….

Ja, sowas ähnliches haben sie uns bei der Bundeswehr auch erzählt. Das Explosive beim Betanken von Fahrzeugen sei nicht primär das Benzin, das man tankt, sondern das Benzin-Luft-Gemisch, das man durch Tanken aus dem Tank verdrängt. Es gibt übrigens Zapfpistolen, die genau das im Tausch absauen und in den Tank führen, aus dem das Benzin kommt.

Ich kann mich erinnern, dass wir mal bei einer Saukälte von um die minus 15 Grad im Manöver (mit Sommerausrüstung) draußen zelten mussten und uns in der Not ein Lagerfeuer anzünden wollten, dazu Holz gesammelt hatten, das aber einfach nicht brennen wollte. Weil wir so erbärmlich gefroren haben, wollten wir zu brachialen Mitteln greifen und haben aus einem Benzinkanister Benzin auf eine Schaufel geleert und damit direkt auf das nur etwas glimmende Holz gekippt und eine regelrechte Explosion erwartet. Und es passierte: Nichts. Einfach gar nichts. Wir hätten mit dem Benzin Feuer löschen können, weil es zu kalt war, als dass es hätte Dämpfe bilden können. Erst als wir dann mit viel Mühe und Tricks (aufraspeln zur Vergrößerung der Oberfläche) doch ein Anfangsfeuerchen hinbekommen haben und das Benzin sich daran etwas erwärmte und verdunsten konnte, ging das dann mit einem ordentlichen Lagerfeuer los.

So, und im Akku ist das nun alles ganz anders. Da sind beide Komponenten drinn, Reduktionsmittel und Oxydationsmittel. Und zwar angeordnet auf engstem Raum, getrennt nur durch ein paar Membranen. Bei einer Zerstörung des Systems wäre “Feuer” erstmal garnicht das richtige Wort, würd ich sagen, da man ja unter Feuer üblicherweise eine Reaktion des Stoffes X mit Luft versteht. “Echtes” Feuer kann dazukommen – primär kann sich aber prinzipiell erstmal -bei Kurzschluss etc. die Gesamtzahl der Kilowattstunden im Akku in Wärme umsetzen – und zwar ohne dass Luft dazu benötigt würde und das irgendwie von außen zu beeinflussen wäre. Innerhalb von Minuten, sag ich mal. Die Konstrukteure werden natürlich alles dransetzen, um diese Sachverhalte irgendwie abzustumpfen – aber die Realität kann man, wie dargestellt, an den Praktiken der Feuerwehr ablesen.

Der Container wäre also so eine Art “Abklingbecken” -thermisch und elektrisch. Es geht ja nicht nur um das Löschen der Brände, sondern auch um das “Löschen” der elektrischen Spannung im -zerstörten- Akku. Eine unzerstörte Reihenschaltung der Zellen vorausgesetzt, gibt’s da ja dreistellige Volt-Zahlen. Hier können die Konstrukteure ansetzen mit Trennung im Havariefall. Aber Feuerwehr wird wohl immer davon ausgehen, dass genau das versagt – das Preis des Vertrauens darauf könnte der tote Kamerad sein. Insofern ist das mit Container eine geniale Idee – da drinn darf passieren was will – es ist perfekt nach innen kurzgeschlossen – und draußen am Metallcontainer bekommt keiner ein paar gefeuert. Der Container wär in diesem Sinne sogar besser als das Versenken im See…..

Das mit dem Oxydationsmittel an Bord ist ja, neben dem Brandverhalten, auch die Ursache der um Größenordnungen niedrigeren Energiedichte der Akkutechnik gegenüber dem System Benzintank-Luft. Aber dies nur am Rande.

Der Akku ist ein geschlossenes System, in dem ohne Zufuhr von außen die Hölle abgehen kann.

Wie ich das so lese, musste ich an ein Plakat denken, das ich irgendwo bei der Feuerwehr mal gesehen habe. Darin hieß es, dass es drei Arten gäbe, um Feuer zu löschen, weil ein Feuer drei Dinge brauche: Brennbares Material, Luft (Sauerstoff) und ein Energienivau. Ich denke mir mal was dazu:

• Normales Löschen durch Wasser sei ein Energieentzug, man kühlt die Sache herunter, bis die Brandkettenreaktion, bei der die Abwärme der Verbrennung die Startenergie für die Verbrennung weiteren Materials liefert, unterbrochen wird.

  Das dürfte bei Akkus fehlschlagen, weil die durch die Ladung soviel Energie in sich tragen, dass die von selbst per Kurzschluss wieder auf das Temperatur-/Energieniveau des Brandes kommen.

• Abdecken mit Schaum, Pulver, Sand und so weiter liefe auf Abschneiden der Luftzufuhr hinaus, die Reaktion kommt mangels Sauerstoff zum Erliegen.

  Das funktioniert hier wohl nicht, weil beide Komponenten in der Batterie stecken.

• Entzug von brennbarem Material, etwa mit Schaufeln und Gabeln, klappt hier auch nicht, weil man ja wegen der Spannung, der Hitze, giftiger Dämpfe usw. an die Batterie nicht rankommt und sie nicht in ihre Bestandteile zerlegen kann, weil die ja meist zur Kapazitätserhöhung bzw. Oberflächenoptimierung eng gerollt werden.

Wobei ich dann, wenn ich nochmal drüber nachdenke, glaube, dass das auch nur die halbe Problematik ist, weil das, was da abläuft, sicher nicht nur die schnelle Reaktion der beiden Elektroden miteinander ist. Ich würde mal vermuten, dass da auch eine gewöhnliche Verbrennung mit Luftsauerstoff stattfindet, und die deshalb nicht dauerhaft zu löschen ist und immer wieder anfängt, weil eben erstens brennbares Material vorhanden ist und zweitens die oben beschriebenen Reaktionen in der Batterie ohne weitere Zufuhr stattfinden und die Batterie punktuell auf die Temperatur bringen, bei der der Verbrennungsvorgang zusätzlich einsetzt, also quasi von selbst, weil die Batterie von selbst auf die Brenntemperatur kommt, die zur Eigenentzündung reicht. Dadurch dürfte es zu weiteren Schäden kommen, die wiederum weitere Kurzschlüsse nach sich ziehen und den Kreislauf in Gang halten.

Ohne Luft-Oxidation könnte ich mir jetzt nämlich auch nicht vorstellen, waraum aus einem Akku Flusssäure auslaufen sollte, normale Akkus bilden meines Wissens keine Flusssäure. Flusssäure ist die wässrige Lösung von Fluorwasserstoff (HF). Ich bin mir jetzt aber nicht sicher, ob man HF dann Anhydrid nennt, wenn es nur eine Lösung und nicht eine Verbindung mit H₂O ist. Das würde mir als Laien (vielleicht liege ich da falsch, Chemie ist bei mir jetzt auch fast 40 Jahre her) den Gedanken nahelegen, dass der Wasserstoff dafür ja irgendwoher kommen muss, also sich vielleicht irgendwas den Sauerstoff aus dem (Lösch?-)Wasser holt und dann Fluor mit Wasserstoff reagiert und HF bildet. Oder so. Laut Wikipedia gibt es in solche Akkus Lithiumhexafluorophosphat. Ich kann mich so dumpf an den Chemieunterricht erinnern, an ein Experiment, in dem der Lehrer irgendein weiches Metall aus einem ölgefüllten Glas mit dem Messer schnitt und ein Stückchen in Wasser warf, das darin sofort brannte, knallte und rumflitzte. Was das nicht Lithium? [Nachtrag:Diverse Leser schrieben mir, dass das Natrium war. Stimmt. Wenn ich länger drüber nachdenke, hat er uns zwei Metalle gezeigt, das eine mit geringer Reaktion, Lithium, und das andere mit Knall und Wumm, das Natrium. Trotzdem reagiert Lithium zumindest in reiner Form mit Wasser.] Könnte es also sein, dass das Lithium in der Batterie unter Hitze mit Luftsauerstoff und Wasser reagiert, sich den Sauerstoff nimmt und das Fluor aus dem Lithiumhexafluorphosphat sich derweil mit dem Wasserstoff vergnügt und damit die Flusssäure bildet, die die Feuerwehr in den Brandfällen vorgefunden hat?

Anscheinend hat man da also die unkontrollierte Entladung, den Metallbrand und eine Wechselwirkung zwischen beiden, die sich gegenseitig hochschaukeln.

Vermutlich dürften die Chemiker in den Feuerwehrforschungslaboren damit noch eine Menge Spaß haben.