Aktives Vorbeugen von Bränden

Feuer-Präventionssystem (FPS)

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Aktives Vorbeugen von Bränden durch beschädigte Akkus in der Ersatzbrennstoffproduktion mit dem Lindner Feuerpräventionssystem (FPS)

Eines der aktuellsten Probleme in der Aufbereitung von Abf√§llen zu Ersatzbrennstoffen (EBS) ist das hohe Brandrisiko, gr√∂√ütenteils bedingt durch die st√§ndig steigende Anzahl an Lithiumbatterien im Restm√ľll. Werden diese besch√§digt, kann eine chemische Reaktion in Gang gesetzt werden, welche zu enorm hohen Temperaturen f√ľhrt. Dieser Umstand kann einerseits zu schweren Besch√§digungen der Anlage und schlimmstenfalls zu einem Gro√übrand f√ľhren. Um diese Gefahrenquellen zu minimieren, erkennt das Lindner FPS (Feuer-Pr√§ventionssystem) √ľberhitzte Partikel im Materialstrom, k√ľhlt diese auf ein ungef√§hrliches Niveau oder erm√∂glicht die sichere manuelle Entnahme von nicht k√ľhlbaren Objekten.

Spittal an der Drau/√Ėsterreich, August 2020. Ob Smartphone, Auto oder Zahnb√ľrste ‚Äď in der digitalisierten mobilen Gesellschaft von heute sind Akkumulatoren kaum mehr weg zu denken. Milliardenfach finden sie Verwendung in unz√§hligen Anwendungsgebieten. Laut der Informationsseite ‚Äělithium-info.at‚Äú der Wirtschaftskammer √Ėsterreich (Wirtschaftskammer √Ėsterreich, 2019) werden in der Alpenrepublik j√§hrlich rund 4.700 Tonnen Akkus verkauft, davon entfallen circa 40 % auf Lithiumbatterien. Beachtet man, dass nur circa 45 % aller anfallenden Akkus und Batterien richtig entsorgt werden und laut einer Sch√§tzung der Montanuniversit√§t Leoben j√§hrlich ungef√§hr 1,4 Millionen St√ľck in den Restm√ľll gelangen (VOEB, 2019), ergibt sich besonders in der mechanischen Aufbereitung von Abf√§llen zu alternativen Brennstoffen ein brandgef√§hrliches Risiko. Zus√§tzlich geht die Montanuniversit√§t Leoben mittelfristig von einer Verdoppelung auf 2,8 Millionen St√ľck Lithiumbatterien im Abfallstrom aus (VOEB, 2019). Technologisch bedingt sind Lithium-Ionen-Akkus neben anderen leicht entz√ľndlichen Stoffen, wie beispielsweise teergetr√§nkte Textilabf√§lle, die mittlerweile am h√§ufigsten auftretende Gefahrenquelle f√ľr schwere Br√§nde.

PROBLEM BEI DER MECHANISCHEN BESCH√ĄDIGUNG VON AKKUS

Wie alle anderen Energiespeicherzellen bestehen Lithium-Ionen-Akkus aus Anode und Kathode, die durch einen f√ľr Lithium-Ionen durchl√§ssigen Separator sowie einen nicht leitenden Elektrolyt getrennt sind. Durch den Fluss der Ionen zwischen den beiden Elektroden wird Energie freigesetzt oder durch das Ansetzen einer h√∂heren Spannung wieder in der Anode gespeichert. Im Vergleich zu anderen Technologien weisen Lithium-Ionen-Akkus durch ein sehr gro√ües erzeugbares Potential zwischen Anode und Kathode eine besonders hohe Energiedichte auf. Diese ist letztlich das Problem, sobald es zu einem Kurzschluss durch mechanische Besch√§digung kommt. Wird die Zelle w√§hrend der Aufbereitung geknickt oder durchtrennt, kann der Separator zerst√∂rt werden und ein Kurzschluss entstehen.

Dadurch f√§llt die Spannung zwischen den Polen auf null. Das bedingt eine Freisetzung der gespeicherten Energie in Form von punktueller Hitze. Selbst bei scheinbar entladenen Altbatterien ist die verbleibende Restenergie so hoch, dass Temperaturen von √ľber 600¬į Celsius entstehen k√∂nnen. Dies f√ľhrt unter Umst√§nden zu einer unaufhaltbaren Kettenreaktion: den Thermal Runaway. Durch die entstehenden Temperaturspitzen werden benachbarte Zellen im Akku √ľberhitzt und setzen wiederum binnen Millisekunden ihre gespeicherte Energie frei. Es kommt zu einem kaum l√∂schbaren Brand oder einer Explosion. In diesem Zusammenhang ergibt sich das besondere Problem, dass der Thermal Runaway zeitverz√∂gert und nicht unmittelbar nach einer mechanischen Besch√§digung stattfinden kann. In der Ersatzbrennstoffproduktion stellt das ein erh√∂htes Gefahrenpotential w√§hrend des gesamten Verarbeitungsprozesseses dar. Schlimmstenfalls gelangt der besch√§digte Akku in den Brennstoffbunker und l√∂st dort einen verheerenden Brand aus. Selbst wenn es nicht direkt zu einer Explosion kommt und der Akku nicht brennt, sind die entstehenden Temperaturen bedingt durch den Z√ľndpunkt des Brennstoffes von 319 ‚Äď 460¬į Celsius (Lorber, 2010) ein enormes Risiko.

Abb. 1: Durch den mechanischen Aufbereitungsprozess beschädigte Akkus und Batterien stellen ein enormes Brandrisiko bei der Ersatzbrennstoffproduktion dar

AKTIVE FEUERPR√ĄVENTION MITTELS LINDNER FPS (FEUER-PR√ĄVENTIONSSYSTEM)

Als aktive Sicherheitsma√ünahme zur Bek√§mpfung von potentiellen Brandherden bei der Herstellung von Ersatzbrennstoffen (EBS) hat sich die prozessbegleitende und kontinuierliche √úberwachung der Oberfl√§chentemperatur an mehreren relevanten Stellen innerhalb der Anlagen erwiesen. Das Lindner Feuer-Pr√§ventionssystem (FPS) verf√ľgt dazu √ľber optische Sensoren, welche die Temperatur an den F√∂rderb√§ndern st√§ndig messen und vollautomatisch die K√ľhlung von √ľberhitzten Partikeln im Materialstrom mittels Spr√ľhnebel ausl√∂sen. Durch die sehr fr√ľhe Detektion dieser Partikel direkt nach dem Schredder werden die meisten Gefahrenquellen schon am Anfang einer thermischen Reaktion erkannt und die ben√∂tigte Wassermenge gering gehalten.

Abb. 2: Typischer Temperaturverlauf einer Anlage zur Ersatzbrennstoffproduktion

Zus√§tzlich verf√ľgt jede Einheit √ľber einen Kontrollsensor, welcher nicht k√ľhlbare Objekte, beispielsweise einen Lithium-Ionen-Akku bei dem der Thermal Runaway bereits eingesetzt hat, erkennt. In diesem Fall wird ein Alarm ausgel√∂st und das F√∂rderband unter einer aktiven K√ľhld√ľse zum Stillstand gebracht, um die Gefahrenquelle manuell entfernen zu k√∂nnen. Der jeweilige Schwellwert ist dabei, abh√§ngig vom Anwendungsfall, frei definierbar. Damit auch einer zeitverz√∂gerten Reaktion der Energiezellen entgegengewirkt werden kann, ist die Zahl der installierbaren Sensorpaare je nach Anlagengr√∂√üe frei skalierbar.

Um das System auch in bereits bestehende Anlagen leicht integrieren zu k√∂nnen, ist das Lindner FPS als platzsparende Plug&Go-L√∂sung ausgelegt und eignet sich durch die beheizte Box-Ausf√ľhrung auch zur Aufstellung in kalten Umgebungen.

BEST-PRACTICE-BEISPIEL ‚Äď MAYER RECYCLING GMBH

Eines der ersten Unternehmen, in welchen das Feuer-Pr√§ventionssystem zum Einsatz kam, ist das Unternehmen Mayer Recycling GmbH in der Obersteiermark, √Ėsterreich. Seit Mitte 2019 werden Daten erhoben, die klar die Vorteile der Technologie belegen. Abbildung 2 zeigt den Temperaturverlauf am F√∂rderband bei klassischer EBS-Produktion. Durchschnittlich werden pro Monat √ľber 350 √ľberhitzte Partikel im Materialstrom erkannt. Circa 10 % davon waren nach dem ersten K√ľhlvorgang immer noch zu hei√ü f√ľr die Weiterverarbeitung, f√ľhrten zur Ausl√∂sung des Alarms und wurden manuell entfernt. Von den entfernten Materialien waren ungef√§hr 70 % Batterien, bei welchen eine chemische Reaktion eingesetzt hatte. Die restlichen Ausl√∂sungen des Systems waren auf k√ľhlbare Materialien wie beispielsweise durch die Zerkleinerung hei√ü gewordener Metallpartikel zur√ľckzuf√ľhren. 

Die erhobenen Daten belegen damit klar, dass mit Hilfe des Lindner FPS die Brandgefahr in EBS-Anlagen auf ein Minimum reduziert werden kann.

Abb. 3: Der Sensor des Lindner Feuer-Pr√§ventionssystem (FPS) nach der ersten Zerkleinerungseinheit erkennt √ľberhitzte Partikel fr√ľhzeitig