Von der Methode zum Experiment: Verwendung von CFD-Simulationen zur Konzeptionierung eines Versuchsstands
Quelle: BAM
Lithium-Ionen Batterien (LIB) sind eine wichtige Schlüsseltechnologie in der Energiewende, sei es als Traktionsbatterien in Elektrofahrzeugen oder als stationäre Energiespeicher. Im Schadensfall kann es bei einer LIB zu einer beschleunigten Selbsterhitzung, dem sogenannten thermischen Durchgehen, und folglich zum Brand und zur Freisetzung toxischer Gase kommen. Aus Sicht des Brandschutzes ist es daher wichtig, damit einhergehende Sicherheitsrisiken zu untersuchen. Die Wärmefreisetzungsrate (engl. HRR) ist der wichtigste Parameter zur Charakterisierung eines Brands und ihre quantitative Erfassung zur Abschätzung von Risiken essenziell. Für großskalige Brände wird die HRR meist über den Sauerstoffverbrauch bestimmt, was bei LIB-Bränden aufgrund geänderter Reaktionschemie gegenüber Bränden mit Kohlenwasserstoffen zu Unsicherheiten führen kann. Der Sensible Enthalpy Rise Approach (SERA) basiert auf einer Bilanzierung der Energieströme in einem Versuchsraum mit Hilfe von Temperaturmessungen an Wänden sowie Zu- bzw. Abflüssen und Geschwindigkeitsmessungen. Seit den 1970ern wird die Methode zur Messung der HRR kleinerer Proben, beispielsweise für Materialien in der Luftfahrt eingesetzt.
Dieses Paper geht der Frage nach, ob sich die Methode auch zur Messung der HRR großskaliger LIB eignet. Dazu wurden in Strömungssimulationen mit ANSYS CFX unterschiedliche Brandkurven als Heißgas in einem virtuellen Versuchsstand vorgegeben und Temperaturen sowie Geschwindigkeiten wie bei einer Messung in einem realen Versuch erfasst, woraus die HRR entsprechend SERA berechnet werden konnte. Die auf diese Weise bestimmten HRR-Ergebnisse konnten mit der Vorgabe verglichen und somit der Einfluss spezieller Parameter auf die Abweichungen zwischen SERA und Vorgabe untersucht werden.
Die Ergebnisse zeigen, dass der Kalibrierung des Versuchsstands mittels Vorgabe einer bekannten HRR eine hohe Bedeutung beigemessen werden sollte: Der Kalibrierungsbrand sollte die gleiche Größenordnung wie die zu bemessenden Proben haben und möglichst unter gleichen Ventilationsbedingungen stattfinden. Darüber hinaus stellt die Positionierung der Wandtemperaturmessstelle einen wesentlichen Einflussparameter auf das Messergebnis dar. Aus den Simulationsergebnissen konnten so Empfehlungen abgeleitet werden, die bei der Konzeptionierung eines realen Versuchsstands im Forschungsprojekt „Sicherheit in unterirdischen städtischen Verkehrsbereichen bei Einsatz neuer Energieträger“ (SUVEREN) aufgegriffen wurden.
CFD-analysis of Sensible Enthalpy Rise Approach to determine the heat release rate of electric-vehicle-scale lithium-ion batteries
Sascha Voigt, Felix Sträubig, Stephan Palis, A. Kwade, Christian Knaust
erschienen in Fire Safety Journal, Vol. 114, Seite 102989 ff
BAM Abteilung Bauwerksicherheit