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Brandgefahr Brennen E-Autos wirklich öfter als Diesel und Benziner?

Erst kürzlich musste Audi sein erstes Elektroauto, den e-Tron, zurückrufen. Der Grund: mögliche Brandgefahr. Quelle: PR

Nachrichten und Videos von brennenden E-Autos sorgen immer wieder für Aufregung. Aber geraten Elektroautos wirklich öfter in Brand als Diesel und Benziner? Und welche Rolle spielt die Lithium-Ionen-Batterie?

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Es sind Nachrichten wie diese von Anfang dieser Woche, die regelmäßig ganz Autodeutschland in Hysterie versetzen. Audi ruft sein erstes Elektroauto e-Tron in die Werkstätten zurück. Der Grund: mögliche Brandgefahr. Im Frühjahr machte ein kurzes, unscharfes Video eines brennenden Tesla weltweit im Netz die Runde: Ohne erkennbare Fremdeinwirkung hatte der parkende Wagen in einer Hongkonger Tiefgarage plötzlich Feuer gefangen.

Weltweite mediale Aufmerksamkeit ist diesen Fällen gewiss; da nutzt der Hinweis wenig, dass statistisch gesehen täglich allein in Deutschland 110 Autos mit herkömmlichem Antrieb brennen. „E-Autos sind das Neue, das wird immer besonders aufmerksam und kritisch unter die Lupe genommen“, schreiben die skandinavischen Forscher Roeland Bisschop, Ola Willstrand, Francine Amon und Max Rosengren, im Abstract ihrer aktuellen Studie, in der sie erstmals die Brandgefahr durch Elektroautos im Auftrag der staatlichen schwedischen Forschungsgesellschaft RISE untersucht haben.

Wie gefährlich ist die Lithium-Batterie?

Die Schlüsselrolle bei der Frage, ob E-Autos signifikant brandgefährlicher sind als Autos mit Verbrennungsmotor, spielt die Batterie, also der Lithium-Ionen-Akku. Zwar gibt es teils in Bussen oder Nutzfahrzeugen auch vereinzelt noch andere Batterietechniken, doch 99,9 Prozent der elektro-Pkw, Hybride und der weit überwiegende Teil der elektrischen Nutzfahrzeuge fahren mit der Lithium-Ionen-Batterie.

Theoretisch stellt die dort gespeicherte Energie eine Brandgefahr dar, genauso wie ein Benzintank. Sie kann sich durch äußere Einflüsse – wie Verformung durch Unfälle - ebenso entzünden, wie (und das ist das Beängstigende) von innen heraus, aus der Zelle selbst.

Die Lithium-Ionen-Zelle besteht (neben der Hülle) aus vier wesentlichen Bauteilen: Anode (Pluspol), Kathode (Minuspol), Seperator und Elektrolyt. Außer im Seperator kann theoretisch in jedem Bauteil ein Brand entstehen. Im Fokus der Ursachenfoschung bei Bränden steht meist der Elektrolyt. Er sorgt dafür, dass die geladenen Lithium-Teilchen vom Plus- zum Minuspol wandern können, und retour, und so den Strom beim Aufladen speichern und beim Fahren abgeben. In der aktuellen Li-Ionen-Technik ist der Elektrolyt immer flüssig und aus tendenziell brennbarem Material. Mit diverse Zusätzen wie Flammhemmern versuchen die Hersteller, die Gefahr zu minimieren. Bei Unfällen kann der Elektrolyt auslaufen, wenn der Akku so stark beschädigt wird, dass die Hüllen der einzelnen Zellen brechen. In beschädigten Zellen kann der normalerweise durch den Seperator getrennte Plus- mit dem Minuspol in Verbindung kommen und so Kurzschlüsse verursachen. Kurzschlüsse sind die häufigste Ursache für Brände ohne äußere Einwirkungen in der Lithium-Batterie.

Sicherheitsprobleme können grundsätzlich auf drei Arten entstehen“, erklärt Martin Winter, renommierter Batterieforscher am Helmholtz-Institut des Forschungszentrums Jülich und am MEET Batterieforschungszentrum der Uni Münster. „Durch mechanische Einwirkungen, etwa bei einem Crash; elektrisch, etwa durch Überladen, und thermisch, also durch zu viel Hitze oder große Kälte.“ Moderne E-Autos verfügen über eine Reihe von Schutzmechanismen, um alle drei Ursachen so gut wie möglich auszuschalten.

Die drei Brandursachen – und wie sie ausgeschaltet werden

1. Unfälle

Um die Batterie bei Unfällen möglichst gut zu schützen, darf sie zunächst nur in der so genannten Safety Zone des Autos verbaut werden: Also in der Mitte des Fahrzeugs, nicht in den Knautschzonen vorne und hinten. Zudem wird sie mit einem dicken, hochfesten Stahlmantel umbaut. Daher rührt ein Teil des hohen Gewichts. Bei den meisten E-Autos liegt die Batterie im Fahrzeugboden. Umfangreiche Tests ergaben, dass normale Steinschläge von unten (etwa durch Schotter) den Schutzwänden nichts anhaben können.

Ein Restrisiko aber bleibt. Große, schwere Hindernisse, die der Fahrer übersieht, extreme Buckel, sehr tiefe Löcher, dicke Äste nach einem Sturm, oder großes verlorenes Stückgut eines Lkw, zum Beispiel, können die Schutzpanzer der Batterie in Extremfällen beschädigen. Wird auch die Zellwand in Mitleidenschaft gezogen, kann es zum Kurzschluss und theoretisch auch zum Brand kommen. Auch „Seitenaufprall bei sehr hohen Geschwindigkeiten kann die Batterie so stark beschädigen, dass sie in Brand gerät“, schreiben Bisschop et al. „Allerdings stellen solche Unfälle für alle Autos eine signifikante Brandgefahr dar, unabhängig von der Antriebsart.“ In anderen Worten: Schwere Unfälle können Batterien in Brand setzen, natürlich aber auch Benzintanks.

Ein Problem jedoch: Physische Unfalltests sind teuer und können im Ernstfall ein ganzes Testlabor abfackeln; bei GM in Detroit gab es 2011 einen solchen Vorfall. Akkus, Module und Zellen werden zwar, bevor sie ins Serienauto gelangen, aufwendig in Dampf-, Kälte- und Hitzekammern, auf Rüttlern und Schaukeln etc. mechanisch und thermisch gefoltert. Ganze E-Autos mit kompletten Autoakkus aber werden meist nur einfachen physischen Crashtests unterzogen. Der Gesetzgeber schreibt nur zwei Minuten im Feuer vor, in denen sich die Batterie nicht entzünden darf. Allerdings muss auch ein voller Benzintank nur zwei Minuten ins Feuer. Die meisten Tests finden virtuell statt, es sind also reine Modellrechnungen. Trotzdem sind Autobatterien weit besser geschützt als etwa Lithium-Ionen-Akkus in Bohrschraubern, Akkustaubsaugern, Laptops oder Handys.

2. Überladen

Elektrisch kann die Lithium-Ionen-Zelle sich entzünden, wenn sie über- oder unterladen wird. Lithium-Ionen-Batterien sind für eine bestimmte Menge an elektrischer Energie ausgelegt, die sie in einer bestimmten Zeit laden und angeben können. Wird eine dieser Grenzen überschritten (etwa zu viel oder zu schnell geladen), kann die Zellchemie degenerieren. In der Folge kann es in der Zelle zu Kurzschlüssen kommen und letztlich zu Bränden.

Hier ist die Art der verwendeten Zellchemie wichtig. Es gibt Dutzende unterschiedlicher Materialkompositionen in der Lithium-Ionen-Zelle, besonders für die Kathode. Einige gängige Kathoden-Materialien neigen schneller zur Überhitzung als andere, wenn sie elektrisch überladen werden. In Lithium-Ionen-Zellen für E-Autos werden aktuell vor allem NMC (Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid) und NCA (Lithium-Nickel-Aluminium-Oxid) in der Kathode verwendet. Sie sind sehr stabil, überhitzen erst bei 135 Prozent Überladung. Andere Kathodenmaterialien, die in Kleingeräten wie Akkuschraubern zum Einsatz kommen, schon ab 105 Prozent.

Damit es gar nicht erst soweit kommt, schützt eine Lademanagement-Software die Zelle vor dem Über-Laden. Früher konnte es bei günstigen Handys oder Laptops noch leichter passieren, wenn ein Kunde zum Beispiel ein falsches Ladegerät nutzte, um das Gerät schneller voll zu laden. Heute erkennen die Geräte das und begrenzen Stromstärke und Spannung. Im Auto schützt eine besonders aufwendige Lademanagement-Software die Zellen vor Überladung und Komplett-Entladung. Die elektrochemischen Grenzen der Zelle werden dabei nie voll ausgereizt: Die Software verhindert eine Komplettentladung ebenso wie eine 100-Prozent-Ladung. Diese Lademanagement-Software wird wegen ihrer sicherheitsrelevanten Schlüsselrolle von den Herstellern besonders gut getestet. Theoretisch kann sie natürlich trotzdem ausfallen. Das ist aber in den bisher bekannten Brandfällen nie als Ursache nachgewiesen worden.

3. Hitze und Kälte

Um sicher zu arbeiten, muss die Batterie in einem bestimmten Temperaturbereich gehalten werden, in der Regel zwischen minus 25 und plus 75 Grad. Fällt das dafür zuständige Kühl- und Heizsystem aus, ist auch Hitze eine potenzielle Brandursache. Ebenso große Kälte, bei der sich Gase und so genannte Dendriten – fingerförmige geballte Ansammlungen von Lithium-Atomen – bilden und Explosionen beziehungsweise einen Kurzschluss verursachen können.

Gefürchtet bei Feuerwehren ist der so genannte Thermal Runaway: eine Kettenreaktion, die durch zu hohe Temperaturen in der Zelle ausgelöst wird. Übersteigt die Temperatur eine bestimmte Schwelle, löst sie chemische Reaktionen in der Zelle aus, die wiederum die Zelltemperatur weiter anheizen und sie noch schneller steigen lassen. Ab einem gewissen Punkt wird der Prozess unkontrollierbar. Solche Brände sind dann schwer zu löschen. Auch über Fälle, in denen sich bereits gelöschte E-Autos auf dem Abschleppwagen oder in der Werkstatt erneut entzündeten, wurde berichtet – wenn auch weltweit in den vergangenen zehn Jahren weniger als zehn. Analog zum Überladeschutz gilt: Thermomanagement-Systeme werden extrem aufwendig getestet und enthalten in Autos mehrere Sicherheitsredundanzen, ein Restrisiko aber bleibt.

Spontane Selbstentzündung nur ein Mythos?

Besonders viel mediale Aufmerksamkeit erregen brennende E-Autos, die nicht bei einem Unfall, sondern beim Laden oder gar nachts beim Parken scheinbar von selbst anfangen zu brennen. Doch diese Fälle sind extrem selten. „Häufig stellt sich nach einer scheinbar spontanen Selbstentzündung bei den Ermittlungen heraus, dass der Akku eben doch irgendwann zuvor mechanisch beschädigt wurde“, sagt Batterieforscher Winter. Von 21 Brandfällen, die von US-Feuerweheren und Staatsanwälten seit 2013 genauer untersucht wurden, waren elf die direkte Folge eines Verkehrsunfalles. Bei sechs weiteren stellte sich heraus, dass der Akku doch zuvor beschädigt wurde, meist ohne, dass der Besitzer dies merkte – oder es zugeben wollte.

„Es gibt, wenn auch sehr selten, auch Spontanbrände“, sagt Winter. Die gibt es auch bei Benzinern und Dieseln. Fast immer sind sie auf Produktionsfehler der Hersteller zurückzuführen, wenn eine Ursache ermittelt werden kann. So kann eine unsauber gefertigte Zelle zum Beispiel schief geschnitten oder unsachgemäß gewickelt worden sein; dann könnten im Ernstfall positiv und negativ geladene Teile der Zelle in Kontakt kommen. „Die gleiche Wirkung haben kleine Metallspäne, die beim Schneiden in das Innere der Zelle geplant sind“, erklärt Winter. Diese Fälle sind aber extrem selten. Nicht zuletzt betonen Experten wie Winter seit Jahren, wie wichtig Fertigungs- und Prozess-Knowhow in der Zellfertigung sind. Damit eben kein Ausschuss in die Autoakkus gelangt.

Eindeutige Statistik

Eine Schlüsselrolle spielt das Battery Management System (BMS). Auch die Batterie-Technologie selbst hat noch Verbesserungspotenzial. Festkörper (mit festem statt flüssigem Elektrolyten) dürften ab Mitte der 2020er Jahre in Serie gehen und nochmals geringere Brandrisiken ausweisen.

Auch beim brennenden Audi diese Woche war es wohl ein banaler Fertigungsfehler, der die Rückrufaktion nötigt machte: Ein Teil des Kabelbaums sei schlampig montiert gewesen; dadurch sei wahrscheinlich Feuchtigkeit in die Batterie gelangt. Ein banaler Rückruf, wie er weltweit Jahr für Jahr hunderttausende von Verbrennern betrifft.

Trotz aller potenziellen Gefahren: Statistisch brennen E-Autos bei weitem seltener als Benziner und Diesel. Beim klassischen Auto gelten 90 Fahrzeugbrände pro eine Milliarde gefahrener Kilometer als normal. Laut einer Statistik der amerikanischen Autobahnfeuerwehr kommt Tesla nur zwei Brände pro einer Milliarde Kilometer. Eine andere Untersuchung von 2018 setzt die brennenden Stromer nicht ins Verhältnis zu den gefahrenen Kilometern, sondern zur Zahl der Autos insgesamt. Sie zählte 21 brennende Elektroautos; das waren 20 Mal weniger Brände als bei Benzin- und Dieselautos. Die Aussagefähigkeit solcher Statistiken ist zwar wegen der geringen Zahl der Brände bei E-Autos noch nicht sehr gut. Gefährlicher als Benziner scheinen sie aber keinesfalls zu sein, eher im Gegenteil.

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