Der Markt für Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) wächst so rasant, dass die Entwicklung der entsprechenden Normen und Richtlinien weiterhin hinterherhinkt. Von E-Bikes für den Privatgebrauch bis hin zu Batteriespeichersystemen im Kraftwerksmaßstab ist die Li-Ion-Technologie heute in nahezu allen Bereichen der gebauten Umwelt – auf allen Kontinenten und in allen Rechtsordnungen – fest verankert. Für Brandschutzexperten und Bauunternehmen weltweit hat diese rasante Verbreitung zu komplexen und technisch anspruchsvollen Planungsherausforderungen geführt, die ein fundiertes Verständnis sowohl der zugrundeliegenden Gefahrenlehre als auch der aktuellen normativen und leistungsbezogenen Anforderungen erfordern. Obwohl die genannten Normen und Richtlinien die US-amerikanischen regulatorischen Rahmenbedingungen widerspiegeln, sind die zugrundeliegende Gefahrenlehre, die Planungsprinzipien und die Prüfverfahren weltweit anwendbar und werden zunehmend von Behörden weltweit herangezogen.

Die Kerngefahr: Thermisches Durchgehen

Bevor wir uns mit den Konstruktionskriterien befassen, ist es unerlässlich zu verstehen, was Lithium-Ionen-Batterien grundlegend von herkömmlichen Brandgefahren unterscheidet. Das Hauptrisiko ist das thermische Durchgehen – in der NFPA 855 definiert als der Zustand, in dem eine elektrochemische Zelle ihre Temperatur durch unkontrollierte Selbsterhitzung erhöht, was potenziell zu Ausgasung, Brand oder Explosion führen kann.

Anders als bei einem herkömmlichen Brand der Klassen B oder C handelt es sich bei der thermischen Kettenreaktion um einen internen elektrochemischen Prozess. Einmal ausgelöst, lässt sie sich durch ein Löschsystem nicht mehr stoppen. Das Brandtetraeder ist hier nicht direkt anwendbar; die Sauerstoffentnahme aus der Atmosphäre verhindert nicht die thermische Kettenreaktion – sie unterbindet lediglich die Entzündung der freigesetzten brennbaren Gase, die sich dann zu deflagrationsgefährlichen Konzentrationen ansammeln können. Dies ist ein entscheidender Konstruktionsaspekt, der bestimmte Löschtechnologien, insbesondere solche, die einem Raum Sauerstoff entziehen, sofort ausschließt.

Ein thermisches Durchgehen kann durch thermische Überlastung (Überhitzung oder Kühlungsausfall), elektrische Überlastung (Überladung oder Tiefentladung) oder physische Beschädigung der Zelle ausgelöst werden. Sobald eine Zelle in ein thermisches Durchgehen gerät, ist eine Ausbreitung auf benachbarte Zellen sehr wahrscheinlich, sofern keine ausreichende Trennung oder aktive Kühlung vorhanden ist.

Die praktische Konsequenz für die Sprinkleranlagenplanung: Ziel einer Sprinkleranlage zum Schutz von Lithium-Ionen-Batterien ist nicht die vollständige Löschung des thermischen Durchgehens selbst, sondern dessen Eindämmung. Die Anlage muss benachbarte Zellen ausreichend kühlen, um eine Ausbreitung auf das Gestell, die Ablage oder das Fahrzeug, wo das Ereignis seinen Ursprung hatte, zu verhindern. Dieses Prinzip gilt unabhängig davon, welche nationalen oder regionalen Vorschriften für das jeweilige Projekt gelten.

Batteriechemie und Ladezustand sind wichtig

Nicht alle Lithium-Ionen-Akkus weisen das gleiche Gefahrenprofil auf. Die chemische Zusammensetzung des Kathodenmaterials beeinflusst sowohl die Energiedichte als auch die Schwere eines thermischen Durchgehens maßgeblich. Gängige chemische Zusammensetzungen sind unter anderem Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (NMC), Lithium-Eisenphosphat (LFP), Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminiumoxid (NCA) und Lithium-Cobalt-Oxid (LCO).

Untersuchungen der Sandia National Laboratories zeigen, dass zwar eine höhere gespeicherte Energie mit einer höheren Gesamtenthalpie beim thermischen Durchgehen einhergeht, Batterien mit höherer spezifischer Energie diese Energie jedoch schneller und mit höheren maximalen Wärmefreisetzungsraten freisetzen. NMC- und NCA-Batterien weisen eine höhere Energiedichte als LFP-Batterien auf, führen aber zu schwerwiegenderen thermischen Durchgehereignissen. Die in einer Anlage verwendete Batteriechemie beeinflusst direkt die geeigneten Schutzkriterien – Fachleute sollten daher unabhängig von der jeweiligen Rechtsordnung nicht von einem einheitlichen Ansatz ausgehen. Der Ladezustand (State of Charge, SOC) ist ebenso relevant. Eine Zelle mit 100 % SOC erleidet ein deutlich heftigeres thermisches Durchgehen als eine identische Zelle mit 30 % SOC, mit messbar höheren Spitzentemperaturen, maximalen Aufheizraten und einer höheren Enthalpie des Durchgehens. SOC-Schwellenwerte – typischerweise 60 % – werden in verschiedenen Rahmenwerken, darunter den Datenblättern von FM Global, verwendet, um Speichermaterialien zu klassifizieren und die anwendbaren Auslegungskriterien festzulegen. Das Verständnis des Betriebszustands einer Anlage ist daher ein wesentlicher Bestandteil der Auslegung und kein nachrangiger Aspekt.

Die regulatorische Landschaft: Woher kommen die Anforderungen?

Anders als bei den meisten anderen Gefahrenquellen gibt es kein einheitliches, weltweit geltendes Regelwerk, das Lithium-Ionen-Batterien für alle Anwendungsbereiche abdeckt. Selbst in den USA müssen die Designkriterien je nach Anwendungsfall aus verschiedenen, sich teilweise überschneidenden Quellen abgeleitet werden. International ist die Situation noch uneinheitlicher, obwohl die zugrunde liegenden Prüfprotokolle – insbesondere UL 9540A – zunehmend von Aufsichtsbehörden und Institutionen außerhalb Nordamerikas herangezogen werden. NFPA 13 schließt Lithium-Ionen-Batterien ausdrücklich von der Auslegung von Sprinkleranlagen aus. Die Installationsanforderungen gelten weiterhin, die Auslegungsdichten und -flächen müssen jedoch anderweitig ermittelt werden. NFPA 855 ist der wichtigste US-Standard für stationäre Energiespeichersysteme. Für konforme gewerbliche Installationen in Innenräumen – bei denen die Speichergruppen jeweils nicht mehr als 50 kWh umfassen und mindestens 90 cm voneinander entfernt sind – beträgt die vorgeschriebene Sprinklerdichte 0,3 gpm/ft² auf einer Fläche von 232 m². In Gebäuden mit nicht zweckgebundener Nutzung ist die maximale Speicherkapazität auf 600 kWh pro Brandabschnitt begrenzt; für Gebäude mit zweckgebundener Nutzung gilt keine solche Energiebegrenzung, sofern geeignete Brandschutztrennwände und Nutzungsbeschränkungen eingehalten werden. Entspricht eine Anlage nicht den Vorgaben von NFPA 855, sind umfangreiche Prüfungen gemäß UL 9540A erforderlich.

Das FM Global Datenblatt 5-33 regelt die Installation von Lithium-Ionen-Batteriespeichersystemen (BESS) mit einer Kapazität von über 20 kWh und legt standortbezogene Kriterien fest, die je nach Nähe zu Brandgefahren, Anzahl zugänglicher Außenwände und Batterietyp variieren. NMC-Installationen erfordern größere Gangabstände als LFP-Installationen. Sind die Standortanforderungen erfüllt, beträgt die Sprinklerdichte 0,3 gpm/ft² über die gesamte Brandfläche, mit einer Wasserversorgungsdauer von 45 Minuten für jedes angrenzende, nicht abgetrennte Batterierack.

Das FM Global Datenblatt 7-112 ist die primäre Referenz für die Massenspeicherung von Batterien und bietet Warenklassifizierungen auf der Grundlage von SOC, Deckenhöhe, Lagerhöhe und Verpackung, die in das FM Datenblatt 8-9 für anwendbare Sprinkler-Designkriterien einfließen.

Diese aus den USA stammenden Dokumente werden auf globalen Märkten häufig konsultiert – insbesondere bei multinationalen Projekten in den Bereichen Fertigung, Logistik und Energiespeicherung –, sodass die Kenntnis dieser Dokumente weit über Nordamerika hinaus beruflich relevant ist.

UL 9540A: Der leistungsbasierte Weg

Für die meisten großflächigen Energiespeichersysteme ist der vorschreibende Ansatz wirtschaftlich nicht rentabel – die begrenzten Energiedichten führen zu prohibitiven Kosten pro Quadratmeter. Daher basieren die meisten kommerziellen Projekte auf einem leistungsbasierten Design, das durch UL 9540A-Tests validiert wird. Dieses Protokoll hat sich international als Standardmethode zur Bewertung der Ausbreitung von thermischen Durchgängen in Batteriespeichersystemen etabliert.

UL 9540A ist ein gestuftes Prüfverfahren mit vier Stufen: Zelle, Modul, Einheit und Installation. Jede Stufe unterzieht das Batteriesystem einem erzwungenen thermischen Durchgehen und bewertet, ob die Ausbreitung innerhalb der Auslegungsgrenzen bleibt. Wird eine Stufe bestanden, sind keine weiteren Prüfungen erforderlich. Die Prüfung auf Installationsebene – die für die Planung von Brandschutzsystemen am relevantesten ist – bewertet die Wirksamkeit der vorgesehenen Löschanlage, entweder durch Sprinkleranlagen mit einer Durchflussrate von 0,3 gpm/sqft (Methode 1) oder durch einen alternativen Brandschutzplan (Methode 2). Auftragnehmer und Planer, die an ESS-Projekten weltweit beteiligt sind, sollten mit den Ergebnissen der UL 9540A vertraut sein, da die Prüfberichte der Hersteller oft die anzuwendenden Sprinkler-Designkriterien, die Düsenplatzierung und den für eine bestimmte Installationskonfiguration erforderlichen Systemtyp vorgeben.

Anwendungsspezifische Überlegungen

Elektrofahrzeuge und Parkhäuser: Die Verbreitung von Elektrofahrzeugen nimmt weltweit rasant zu, und damit einher geht die Herausforderung, Parkhäuser zu schützen, in denen Fahrzeuge mit großformatigen Lithium-Ionen-Akkus untergebracht sind. Forschungsergebnisse belegen übereinstimmend, dass mit Sprinkleranlagen ausgestattete Parkhäuser Brände von Elektrofahrzeugen erfolgreich auf den unmittelbaren Brandherd beschränken. In den USA hat die NFPA 13 die empfohlene Nutzungsklasse für Parkhäuser auf die Gefahrengruppe 2 (Ordinary Hazard Group 2) angehoben, und die NFPA 88A schreibt nun Sprinkleranlagen in allen Parkhäusern vor, einschließlich der zuvor ausgenommenen offenen Garagen. Ähnliche Neubewertungen der Schutzkriterien für Parkhäuser werden derzeit in zahlreichen internationalen Märkten durchgeführt.

Mikromobilitätsgeräte: E-Bikes, Scooter, Hoverboards und ähnliche Geräte stellen weltweit ein rasant wachsendes Problem im Wohnbereich dar. Diese Geräte werden häufig in Fluchtwegen und Wohnräumen aufgeladen, oft mit beschädigten oder nicht zertifizierten Akkus. Dieses Muster von Vorfällen beschränkt sich nicht auf die USA; Feuerwehren in ganz Europa, Asien und Australien berichten von ähnlichen Entwicklungen, da die zunehmende Verbreitung von Mikromobilität in vielen Ländern zu verstärkter Aufmerksamkeit der Regulierungsbehörden geführt hat.

Batteriespeicherung in großen Mengen: Da Installationsnormen wie NFPA 13 weitgehend keine konkreten Vorgaben enthalten, ist das FM-Datenblatt 7-112 die detaillierteste verfügbare Referenz. Fachleute, die in Lagern oder Vertriebszentren mit Unterhaltungselektronik, Batteriemodulen oder fertigen batteriebetriebenen Produkten arbeiten, müssen die FM-Anforderungen erfüllen oder ein leistungsbasiertes Design mit umfassender Testunterstützung entwickeln.

Das Fazit für Praktiker

Der Schutz von Lithium-Ionen-Akkus ist kein Nischenthema mehr – er entwickelt sich rasant zu einer Kernkompetenz für Brandschutzexperten in nahezu allen Marktsegmenten und Regionen der Welt. Die Normen und Standards werden ständig weiterentwickelt, und die Diskrepanz zwischen den technologischen Anforderungen und den aktuell geltenden Vorgaben ist nach wie vor beträchtlich. Fachleute sollten bei der Bearbeitung solcher Projekte berücksichtigen, dass für eine bestimmte Konfiguration möglicherweise keine standardisierten Lösungen verfügbar sind, dass chemische Eigenschaften und der Ladezustand (SOC) wichtige Designparameter darstellen und dass umfangreiche Testdaten – ob aus UL 9540A-Berichten oder vergleichbaren Methoden – oft ausschlaggebend für die Festlegung eines akzeptablen Systemdesigns sind. Für Experten, die in verschiedenen Rechtsordnungen tätig sind, ist es unerlässlich, sowohl die US-amerikanischen Rahmenbedingungen als auch die sich entwickelnden Normen in ihren jeweiligen Märkten zu beherrschen. Die IFSA vernetzt Fachleute für Brandschutzanlagen über Ländergrenzen hinweg und fördert die Wissenschaft und Praxis des Brandschutzes durch Sprinkleranlagen weltweit. Da die Lithium-Ionen-Akkutechnologie die Risikolandschaft in allen unseren Zielmärkten weiterhin verändert, gehört es zu unserer gemeinsamen Mission, in dieser Gefahrenklasse stets einen Schritt voraus zu sein.