Brand in opslag van Li-ion accu’s

Algemene beschrijving

Er breekt brand uit in een magazijn. Terwijl de brandweer wordt gealarmeerd, breidt de brand zich uit naar een stelling met Li-ion accu’s. De pallets en kartonnen dozen ontbranden vrijwel direct, waardoor de inhoud ervan opwarmt. Binnen tien minuten zijn de batterijcellen in de dozen oververhit en raken in thermal runaway, waardoor toxische en brandbare gassen vrijkomen. Uiteindelijk raken meerdere pallets met batterijcellen betrokken bij de brand. Het incident kan daardoor lang aanhouden.

Thermal runway bij batterijen in opslag

De onderstaande beschrijving van thermal runaway gaat over batterijen in opslag. Zie voor een meer gedetailleerde beschrijving van thermal runaway voor batterijen in operationele toestand de scenario’s “Thuisbatterij in woning” en “Buurtbatterij in kelder”.

Zodra een batterij in opslag opwarmt doordat ze betrokken raakt bij een brand of beschadigd wordt doordat een pallet omvalt, worden de inwendige componenten van de batterijcel beschadigd. Dergelijke interne beschadigingen kunnen ongewenste chemische reacties in de batterijcel aanwakkeren. Dit zijn exotherme reacties waarbij hitte vrijkomt en een grote hoeveelheid toxische en brandbare gassen. Hierdoor raakt het inwendige van de batterij nog verder beschadigd en warmt de batterijcel op (zie ook: Battery fires! What happens when batteries are abused?). Vanaf een bepaald kantelpunt is er sprake van een thermal runaway (zie ook: Thermal runaway in een lithium-ion batterijpakket). De verhitte batterijcel breekt als gevolg hiervan open, waardoor de gevormde brandbare en toxische gassen vrijkomen. De batterijcel kan door de reactiekracht wegschieten. Het exacte volume en de percentages van de gassen die vrijkomen, variëren sterk per incident en zijn onder meer afhankelijk van de situatie, het subtype en de ‘state of charge’. In figuur 1 wordt een algemene impressie gegeven van typische gassen en dampen die in de dampwolk van een batterij kunnen voorkomen. De snelheid waarmee de gassen vrijkomen, is vergelijkbaar met het ontsnappen van gas uit een druktank. In aanvulling hierop zal verdamping van de elektrolyt tot meer gasvorming leiden (zie ook: Explosion hazards study of grid-scale lithium-ion battery energy storage station). Verdampte elektrolyt is brandbaar en kan worden verward met stoom van verdampt bluswater.

Door thermische propagatie (zie ook: Verkenning toekomstige batterijtypen en veiligheid), het aanstralen van naburige batterijcellen, kan het proces zich uitbreiden naar andere batterijcellen, waardoor deze opeenvolgend ook in thermal runaway raken. Tevens kunnen door het wegschieten van batterijcellen secundaire branden ontstaan.

Een brand in een opslag van Li-ion batterijen kan de volgende effecten geven:

• Magazijnbrand met batterijen
• Toxische gaswolk
• Dampwolkexplosie

De invloed van de ‘state of charge’

De gevormde hitte tijdens een thermal runaway van een individuele batterijcel hangt samen met de state of charge (SOC), waarbij 0 % betekent dat de batterij leeg is en 100 % dat ze volledig is opgeladen. Bij een hogere state of charge komt er tijdens de thermal runaway meer hitte (energie) vrij en is de maximumtemperatuur hoger (zie ook: Experimental study of the effect of the state of charge on self-heating ignition of large ensembles of lithium-ion batteries in storage). Deze eigenschap is bruikbaar voor de opslag van batterijen, omdat tijdens opslag de batterijen niet in gebruik zijn en vanuit de fabriek doorgaans een vaste state of charge gehanteerd wordt.

Experimenten tonen aan dat de Heat Release Rate en fakkelhoogte uit alleen de batterijcel zelf lager zijn bij een lagere state of charge. Bij een state of charge onder de 30 % blijft een ‘self-ignition’ (zelfontsteking) vrijwel altijd uit, met als gevolg dat ook de thermische propagatie van cel tot cel sterk wordt vertraagd. Wel dient men te beseffen dat bij elke state of charge een hoeveelheid van het brandbaar en toxisch gasmengsel vrijkomt, maar dat de uittreedsnelheid en kans op directe ontsteking afnemen naarmate de state of charge lager wordt. De kans op vertraagde ontsteking van opgehoopte gassen door een externe ontstekingsbron blijft echter wel bestaan (zie ook: bijdrage door professor Paul Christensen, Newcastle University op het EU Energy Storage Systems Safety Conference).

Bovenstaande is af te lezen in de grafieken die vlamhoogte en vrijkomende hitte uit een enkele batterijcel bij verschillende ‘state of charge’ weergeven (zie ook: A coupled conjugate heat transfer and CFD model for the thermal runaway evolution and jet fire of 18650 lithium-ion battery under thermal abuse).

Op één uitzondering na, is er geen internationale standaard met betrekking tot de state of charge voor de opslag van batterijen. Wel zijn er losse richtlijnen die een maximum state of charge hanteren, variërend van 30 tot 50 % (zie ook: Experimental study of the effect of the state of charge on self-heating ignition of large ensembles of lithium-ion batteries in storage). Binnen de luchtvaart geldt wel een internationale standaard (IATA), die is vastgesteld op een maximum state of charge van 30 %. Opgemerkt dient te worden dat een te lage of 0 % state of charge ook niet wenselijk is, omdat dit de kans vergroot op diepontlading, hetgeen schadelijk is voor de kwaliteit van de batterijcel.

Bovenstaande wordt beeldend weergegeven in de CFD-simulatie. Bij een SOC van 25 % wordt geen noemenswaardige fakkel meer waargenomen, maar alleen een spoor van verhitte gassen. (zie ook: A coupled conjugate heat transfer and CFD model for the thermal runaway evolution and jet fire of 18650 lithium-ion battery under thermal abuse).

Kans van optreden

Opmerkelijk aan dit scenario is dat de oorzaak kan voortkomen uit falen van de opgeslagen batterijen zelf en door branduitbreiding van een (beginnende) brand in het magazijn.

De oorzaken waardoor batterijcellen beschadigd raken, worden onderverdeeld in de categorieën elektrisch, mechanisch en thermisch. Elektrische oorzaken voor batterijbranden in opslag lijken onwaarschijnlijk, omdat de batterijcellen buiten gebruik zijn, maar zijn niet ondenkbaar. Mechanische beschadigingen door onder meer ongelukken zijn wel denkbaar in een magazijn. Voorbeelden hiervan zijn druk door het (te hoog) stapelen van batterijcellen, het omvallen van pallets met batterijen of het doorprikken van batterijen door lepels van een heftruck. Ten slotte kunnen veroudering en fabricagefouten van invloed zijn. Indien met name beschadigde of afgedankte batterijen zijn opgeslagen, kan dit kansverhogend werken

Specifieke cijfers over de faalfrequentie van batterijen in opslag ontbreken. Wel staat vast dat bij een maximale state of charge van 30 – 50 % de kans op een grote brand en snelle branduitbreiding, veroorzaakt door een uit zichzelf opwarmende batterijcel, wordt verlaagd (zie ook: Experimental study of the effect of the state of charge on self-heating ignition of large ensembles of lithium-ion batteries in storage).

In het geval van een uitbreidende bestaande brand, veroorzaakt door bijvoorbeeld een heftruckbrand, draagt het verpakkingsmateriaal aanzienlijk bij aan de branduitbreiding, blijkend uit brandexperimenten (zie ook: Flammability Characterization of Lithium-ion Batteries in Bulk Storage). Dit is te verklaren doordat het verpakkingsmateriaal, karton, hout en plastics, dat de batterijcellen omhult als eerste ontbrandt. De vlammen warmen de batterijcellen op en fungeren als ontstekingsbron voor de gevormde brandbare gassen.

Voor het bepalen van de factoren en faalfrequentie voor het deelscenario waarin wordt aangenomen dat de oorzaak ligt bij het aanstralen van batterijcellen door een beginnende industriebrand kan NEN 6079 als indicatie dienen.

Effecten

Magazijnbrand met batterijen

Uit brandproeven blijkt dat een beginnende magazijnbrand zich binnen een tijdspanne van enkele minuten kan uitbreiden tot een gehele stelling gevuld met pallets batterijen (zie ook: Flammability Characterization of Lithium-ion Batteries in Bulk Storage). Een aantal brandproeven zijn in onderstaande video’s weergegeven, waarin pallets voor een kwart gevuld met batterijcellen met een state of charge van 50 % in brand waren gestoken. De impact van deze brand is in hetzelfde onderzoek vergeleken met eenzelfde stelling, maar dan gevuld met pallets Cartoned Unexpanded Plastic (CUP), ofwel een standaard plastic bulkgoed. De conclusie van deze studie was dat de branduitbreiding vanaf het moment van aansteken vergelijkbaar is en dat het verpakkingsmateriaal bijdraagt aan de branduitbreiding.

Bij brandoverslag zullen het karton en de pallets namelijk als eerste ontbranden. Indien de batterijcellen in een plastic behuizing zitten, dan zullen deze plastics eerder ontbranden. Na een aantal minuten zullen de batterijcellen mee gaan branden en stijgt de Heat Release Rate. Naarmate de brand zich over meerdere dozen uitbreidt, zal de branduitbreiding steeds sneller verlopen (zie ook: FAA Fire Safety Highlights). Daarnaast kunnen brandende batterijcellen door lokale explosies worden weggeschoten; tot wel veertig meter is hierbij gemeten in genoemd experiment. Uit onderzoek Flammability Characterization of Lithium-ion Batteries in Bulk Storage, is gebleken dat de geteste sprinklerinstallatie bij een batterijbrand in vergelijking met de plasticbrand na een vergelijkbaar aantal minuten wordt geactiveerd. Ter voorkoming van branduitbreiding kan de sprinklerinstallatie dus helpen; de effectiviteit van een sprinkler voor het blussen van een batterijbrand is echter niet vastgesteld.

Hoewel een lage state of charge als effectieve kans- en effectbeperkende maatregel wordt gezien, dient men te beseffen dat ook batterijen met een lage state of charge nog brandbaar kunnen zijn. Uit experimenten is namelijk alleen gebleken dat de thermische propagatie, veroorzaakt door de thermal runaway van individuele cellen, in dat geval lager is. Deze experimenten zijn in een oven uitgevoerd. In de praktijk zijn er echter ook verpakkingsmaterialen die al in brand kunnen staan of kan sprake zijn van branduitbreiding door een externe brand. De vlammen en hittestraling van verpakkingsmateriaal of de externe brand kunnen in dat geval de batterijen alsnog in thermal runaway doen raken, waarbij de gevormde brandbare gassen door de reeds aanwezige vlammen alsnog ontsteken (Jun en He, 2023).

Toxische wolk

Hoewel bij elke magazijnbrand toxische gassen en rook vrijkomen, kunnen bij een magazijnbrand met batterijen specifieke zeer toxische gassen vrijkomen. Een aantal hiervan zijn weergegeven in onderstaande tabel. Doordat IDLH-waarde (de Immediate Dangerous to Life or Health) van deze gassen zeer laag is, kunnen bewoners in het effectgebied al bij lage concentraties klachten krijgen zoals prikkende ogen of luchtwegklachten.

Tabel 1: Indicatie toxische gassen bij een 750 l/kWh gaswolk*

NB.
*zie ook: Technical Reference for Li-ion Battery Explosion Risk and Fire Suppression.

Naast de in de tabel genoemde gassen komen er ook nanodeeltjes vrij van (zware) metalen in de batterij in de vorm van zwarte roet (zie ook: Thermal runaway and fire of electric vehicle lithium-ion battery and contamination of infrastructure facility). Dit kunnen onder meer mangaan, kobalt, nikkel en lithium zijn. Uit eerdere incidenten blijkt dat hieruit alkalische metaaloxiden worden gevormd, zoals lithiumoxide of lithiumhydroxide. Deze stoffen zijn sterk irriterend en verontreinigen het bluswater. De pH-waarde van het achtergebleven bluswater kan daardoor sterk verhoogd zijn. Zo is bij een incident in België een pH-waarde van 12 gemeten op de bluspakken van brandweerlieden.

Dampwolkexplosie / wolkbrand

Onder bepaalde omstandigheden kan het voorkomen dat er geen directe ontsteking plaatsvindt van de geproduceerde brandbare gassen tijdens een thermal runaway. Dit kan bijvoorbeeld het geval zijn bij een te lage luchtconcentratie (zie ook: bijdrage door professor Paul Christensen, Newcastle University op het EU Energy Storage Systems Safety Conference). Bij vertraagde ontsteking kan dan door de opgehoopte gassen een wolkbrand optreden of in zeldzame gevallen een dampwolkexplosie.

In situaties waarbij de gasconcentratie niet tijdig kan worden verlaagd of bij het falen van noodventilatie moet met het gevaar op een explosie rekening worden gehouden. Denk hierbij bijvoorbeeld aan een afgesloten zeecontainer waarin brandbare gassen zich kunnen ophopen. In het geval van alleen gas- en dampvorming uit pallets met batterijen is het daarom belangrijk om terughoudend te zijn met het openen van de container en alert te zijn op mogelijke ontstekingsbronnen. Een dampwolkexplosie, veroorzaakt door een vertraagde ontsteking, kan namelijk onverwachts plaatsvinden wanneer er een juiste mengverhouding is tussen de brandbare dampwolk en zuurstof. Dergelijke gevallen hebben in het verleden geleid tot ernstig letsel bij brandweerlieden en zelfs overlijden. Let ten slotte op het feit dat verdampte elektrolyt kan lijken op de stoom van verdampt bluswater.

Zelfredzaamheid en handelingsperspectief

Aanwezige personen zijn na het ontstaan van een grote brand op zichzelf en anderen aangewezen.

Mogelijk handelingsperspectief

Afhankelijk van de situatie en de inrichting van de omgeving kan het handelingsperspectief verschillen. Snel reageren is bevorderlijk.

• Voor personen in en rondom het bedrijfsgebouw is het handelingsperspectief vluchten.
• Voor bevoegde medewerkers: sprinklerinstallaties of blusvoorziening activeren (als deze niet automatisch is geactiveerd).
• Indien vluchten niet mogelijk is, dan wachten op evacuatie door de brandweer op een zo gunstig mogelijke plek (bij het raam of op het balkon) en zoveel mogelijk uit de gevormde gaswolk.

Randvoorwaarden

De onderstaande aspecten zijn mede bepalend voor de mogelijkheden op het gebied van zelfredzaamheid. Deze zijn locatie-afhankelijk en staan in relatie tot elkaar.

Het verloop van het ongevalsscenario:

• De snelheid waarmee het scenario zich voltrekt, is afhankelijk van onder meer de state of charge van de batterijen, het gebruikte verpakkingsmateriaal en de onderlinge afstand tussen de stellingen. De verspreiding van de toxische wolk buiten het bedrijfspand is afhankelijk van de (weers)omstandigheden.

Herkenbaarheid van het scenario:

• De toxische gassen worden meegevoerd in de rook. De rook/nevel zal een alarmerend effect hebben.

Mate van bewustzijn van de gevaren:

• Weten dat er batterijen liggen opgeslagen;
• Weten wat de gevaren zijn van de gevormde brandbare en toxische gassen (onder meer waterstoffluoride, koolmonoxide, lithiumoxide en brandbare aerosolen);
• Weten wat je moet doen in geval van een (dreigende) batterijbrand of toxische wolk.

Gesteldheid van personen:

• Fysieke gesteldheid;
• Geestelijke gesteldheid.

Optreden multidisciplinaire hulpverlening

Brandweerzorg

Deze informatie is deels gebaseerd op de Informatiekaart van de Brandweer “Brand; Hoogstapelmagazijnen: Tips uit de praktijk bij branden in hoogstapelmagazijnen zonder specifieke PGS* classificatie”.

De brandweer start de processen

Bron- en emissiebestrijding:

• Bepalen van het bron- en effectgebied;
• Voorkomen van uitbreiding en beperken van effecten door middel van het afschermen van de omgeving;
• Stabiliseren van het incident en ontstane branden in de omgeving blussen;
• Waarschuwen van de bevolking.

Redding:

Redden en verlenen van eerste hulp aan slachtoffers (zie slachtoffers).

Relevante aspecten

• Passende (grootschalige) slagkracht brandweer;
• Opkomsttijd van de brandweer;
• Effectieve (grootschalige) bluswatervoorziening;
• Beschikbaarheid van een alarmeringssysteem om aanwezigen in het effectgebied te waarschuwen;
• Toegankelijkheid van het gebied.

Aandachtspunten

Met betrekking tot de batterijen:

• Door kleine explosies tijdens batterijbranden kunnen brokstukken of brandende cellen tot wel 20 meter ver worden weggeworpen;
• Verdampte elektrolyt kan lijken op stoom van verdampt bluswater;
• Bluswater kan de vorming van waterstoffluoride bevorderen;
• Een onverwachte dampwolkexplosie door ophoping van het gasmengsel en openen van een toegangsdeur heeft in het verleden tot ernstig letsel bij en overlijden van brandweerlieden geleid;
• Het disfunctioneren van warmtebeeldcamera’s is voorgekomen door het grote volume van de geproduceerde dampen;
• Het doven van de vlammen betekent niet dat de thermal runaway en gasvorming zijn gestopt. Er is gevaar voor herontsteking, gasophoping en explosie;
• Uit praktijkervaringen blijkt dat de geur van de dampwolk van batterijen ruikt naar lasrook en enigszins zurig.

Met betrekking tot het magazijn:

• Benader de brand vanuit de basisprincipes van brandbestrijding en het kwadrantenmodel;
• Pas de FABCM-strategie toe (Feiten verzamelen, Analyseren, Besluiten, Communiceren en Monitoren);
• Pas situationele commandovoering toe en wees je bewust van de human factors die voor jou en anderen een rol kunnen spelen (stop en denk na)
• Denk vooruit. Als het escaleert heb je snel veel materieel nodig;
• Wees extra alert op de veiligheid van eigen personeel (enorme afmetingen van het gebouw en grote afstanden, hoogte van het gebouw, instortingsgevaar, nog weinig ervaring met dit soort bouwwerken e.d.);
• Als er mensen op het dak ingezet worden, denk dan aan een veilige vluchtroute (inzet autoladder, meerdere redvoertuigen of borg de ontvluchting op andere manieren);
• Meerdere OvD’s voor coördinatie en gezamenlijk overleg voor inschatting van de situatie, en voor het beperken van human factors die voor iedereen een rol kunnen spelen;
• Welke partners kunnen bijstand leveren om koelend vermogen te leveren? Denk bijvoorbeeld aan de crashtenders van de luchthaven, interregionale bijstand, groot vermogen bluskanon van Chemelot, etc.;
• Schaal tijdig en grootschalig op, ook als nog niet helemaal duidelijk is of brand toch van binnenuit bestreden kan worden. Bij escalatie gaat de branduitbreiding heel snel;
• Zorg voor voldoende koelend vermogen en kies voor de strategie om de brand te beheersen op de brandcompartimentsgrens en brandoverslag te voorkomen (naar eigen compartimenten of van de buren).

Politie

Politie start met de processen:

Afzetten en afschermen:

• Afzetten van het effectgebied;
• Creëren van een veilige werkomgeving voor hulpdiensten;
• Ontruimen van het effectgebied of aanwezige personen in het effectgebied laten schuilen.

Mobiliteit:

• Indien nodig begeleidend transport verzorgen voor overige hulpverleners als de verkeerssituatie daarom vraagt;
• Opstellen van een mobiliteitsplan;
• Indien mogelijk informeren van bewoners en/of andere aanwezigen in het gebied.

Indien relevant:

• Handhaven van de openbare orde;
• Strafrechtelijke handhaving.

Relevante aspecten

• De politie heeft geen beschermende kleding of ademlucht en kan daarom niet opereren in blootgesteld gebied;
• Operationele voorbereiding op het afzetten van een groot effectgebied;
• Voldoende mensen en middelen om het effectgebied te kunnen evacueren en af te kunnen zetten.

Gemeente

De gemeente start haar reguliere taken als hieronder omschreven:

Afzetten en afschermen:

• Opvang en verzorging van personen uit het effectgebied;
• Voorlichting/communicatie over het ongeval;
• Registreren van slachtoffers.

Randvoorwaarden

• Operationele voorbereiding op het opvangen en verzorgen van personen uit het effectgebied;
• Voldoende locaties en personeel voor de opvang en verzorging van personen uit het gebied;
• Operationeel voorlichting- en communicatieplan.

Maatregelen

Raadpleeg voor een volledig overzicht de PGS 37-2.

Kansbeperkend

• Bepaling van een maximum state of charge van 30 %;
• Indien een maximum state of charge van 30 % niet wenselijk is, omdat batterijen bijvoorbeeld gebruiksklaar moeten worden opgeslagen, dan kan de afweging worden gemaakt voor een hogere maximum state of charge tot ten hoogste 50 %;
• Het weren of apart houden van ‘verdachte pallets’ met mogelijk beschadigde batterijen;
• Batterijen alleen opslaan in een aparte ruimte;
• Klimaatbeheersing en ventilatie;
• Bescherm de risicobron tegen brand vanuit de omgeving;
• Verwijderen van de risicobron.

Effect en gevolgbeperkend

• Bepaling van een maximum state of charge van 30 % of 50 % (zie hierboven) werkt ook een effectbeperkend;
• Sprinklerinstallatie;
• Watermistsysteem;
• Afstand houden tot activiteiten met gevaarlijke stoffen;
• Rekening houden met de windrichting;
• Automatische blusvoorziening met voldoende opvangcapaciteit;
• Compartimentering;
• Niet stapelen van pallets.

Bevordering van de zelfredzaamheid

• Risicocommunicatie;
• Alarmsysteem;
• Duidelijke vluchtroute.

Bevordering van de hulpverlening

• Mobiele toegang tot camerabeelden;
• Mobiele toegang tot monitoringssystemen;
• Werkende communicatiemiddelen.

Voorbeeld

Nunspeet Stella Fietsen

In 2018 is er brand uitgebroken in de opslag van een fietsenhandel. In deze opslag lagen fietsaccu’s opgeslagen. Bij dit incident in Nunspeet hadden bewoners in het effectgebied last van prikkende ogen door de toxische gassen die vrijkwamen.

Dampwolkexplosie in werkplaats

In februari 2023 kwam de Britse brandweer ter plaatse in een werkplaats waarin een batterijpakket in thermal runaway was geraakt. Er was geen directe ontsteking, waardoor een brandbaar en toxisch gasmengsel zich door de werkplaats verspreidde. De brandweerlieden waren hier ten tijde van inzet niet van de op hoogte en liepen onwetend door de brandbare dampwolk heen. Op de bewakingsbeelden is te zien dat ze hierbij ternauwernood aan een dampwolkexplosie zijn ontsnapt.

Conference EU Energy Strorage Systems Safety