Lithium-ion accu’s: netjes en veilig opbergen

Al een aantal jaren omringen we ons met groeiende aantallen lithium-ion batterijen. Onze telefoons, laptops, draadloze hoofdtelefoons en vele andere apparaten in huis bevatten in de meeste gevallen een oplaadbare lithium-ion-batterij. Het verschil tussen accu’s van kleine toestellen en die van een fiets of step is de capaciteit; de hoeveelheid energie die erin opgeslagen kan worden. Als het misgaat met één van de AAA-formaat lithium-ion-cellen in een portofoon levert dat eventueel een smeulende borstzak¹ op. Bij bijvoorbeeld een fietsaccu kan het grondiger misgaan. Om over de elektrische auto’s nog maar te zwijgen. Veel mensen, zo niet iedereen, gebruikt deze batterijen dankzij de omschakeling naar groene mobiliteit. Waar het nog aan ontbreekt, is kennis over de risico’s².
De oprukkende elektrificatie en de behoefte om elektrische energie op te slaan brengen nieuwe risico’s met zich mee. Opslag en gebruik van batterijen vinden op grote schaal plaats, zowel thuis als op het werk, en niet altijd even verantwoord. Hoe moet je op deze ontwikkeling inspelen? Allereerst is het natuurlijk zaak het onderwerp te doorgronden. Waar bevinden zich al die accu’s? De chemische reacties in een lithium-ion-batterij zijn geen dagelijkse kost voor de gemiddelde veiligheidskundige. Wat doet het spul? Hoe wenselijk gedraagt het zich en in welke
omstandigheden doet het dat juist niet? En wat zijn de risico’s van gebruik en opslag? In het kader hierna een korte uitleg.

Lithium
Lithium is het lichtste metaal. Twee liter lithium weegt net iets meer dan een kilo. In pure vorm is een zacht zilverkleurig materiaal dat aan de lucht snel oxideert. Ook met water reageert het snel onder vrijkomen van het brandbare waterstof, maar het is het minst reactieve element van de alkalimetalen. Na de ontdekking in Zweden in 1817 (de lithiumzouten vielen op, want zij gaven in een vlam zo’n mooie helderrode kleur) duurde het nog tot 1923 voor het in Duitsland door Metallgesellschaft AG voor het eerst op grote schaal geproduceerd werd door elektrolyse van een mengsel van lithiumchloride en kaliumchloride. Inmiddels is de toepassing van lithium verrassend breed: van antidepressiva via ovenschalen tot energiebron voor torpedo’s. Samen met Deuterium (als lithiumdeuteride of LiD) wordt het gebruikt als ‘springstof’ voor kernfusiewapens, omdat een kilo daarvan dezelfde explosieve kracht heeft als 64.000 ton TNT. Hoewel oplossingen van lithium niet bijzonder giftig zijn, moet vanwege de neurologische risico’s toch blootstelling vermeden worden. Het pure metaal is bijtend en reactief, zeer brandbaar en kan in contact met water tot ontploffingen leiden. Verreweg de bekendste toepassing is tegenwoordig de opslag van elektrische energie in een lithium-ion batterij. ‘Nieuwe risico’s’ zitten in de heftigheid van de reactie en de stevigheid van de verpakking: hoe steviger ingepakt, hoe groter. Het grootste risico is een thermal runaway. Thermal runaway is het lawine-effect van een inwendige ontledingsreactie. De warmte die gedurende het proces vrijkomt verhoogt de reactiesnelheid, waardoor in zeer korte tijd een hoge druk wordt opgebouwd. Het is een ongecontroleerde positieve terugkoppeling (positive feedback loop); een snel verlopende kettingreactie. Door de kracht die tijdens een thermal runaway (binnen een gesloten behuizing) wordt opgebouwd, wordt deze ook wel een thermal explosion genoemd.

Risico’s
Hét grote risico van de lithium-ion-batterij is de thermal runaway, de zelfstandige inwendige lawinereactie die tot snelle opwarming leidt, bijvoorbeeld na hard stoten of andere omgevingsinvloeden. De thermal runaway kan al snel tot een explosie leiden (zie kader hierboven) en gedraagt zich anders dan we van een ‘gewone’ brand gewend zijn. Het is een brand die meteen naar 1000 °C gaat, en die steekvlammen tot een meter produceert. De snelheid van de krachtopbouw is enorm en blussen met de standaardmiddelen onmogelijk.
We kennen inmiddels de beelden van ongecontroleerde branden van elektrische auto’s en e-bikes. Bij auto’s is als oplossing een container met water bedacht. Een met speciaal materieel uitgeruste brandweereenheid dompelt het brandende voertuig onder tot de kettingreactie uitgewoed is. Dat kan tot een paar weken duren. Dat een lithium-ion brand zo goed als onblusbaar is, maakt preventie des te belangrijker.

De regels
Gebruikers van lithium-ion batterijen worden beschermd door algemene wet- en regelgeving, zoals de Richtlijn Algemene Productveiligheid. Verder zijn de batterijen bijna altijd onderdeel van een product waar aparte richtlijnen voor kunnen gelden. Europese conformiteitsrichtlijnen (CE) zijn er onder andere voor speelgoed, pleziervaartuigen en machines, die allemaal steeds vaker met accu’s zijn uitgerust. Productrichtlijnen omvatten ook de energiebron en fungeren daardoor ook gedeeltelijk als bescherming voor de gebruiker, direct maar ook indirect. Een voorbeeld van indirecte bescherming: eisen aan vering en schokbrekers van een auto voorkomen dat een batterij aan te grote schokken wordt blootgesteld.

Nota bene: veel producten die niet onder de wettelijke CE-markeringsplicht vallen (zoals voertuigen) moeten het hebben van veelal niet-bindende Europese normen en andere regels en verordeningen, die bovendien nog niet zijn toegespitst op recent ontwikkelde elektrische varianten van dat product. Normcommissies en wetgevers hebben onvoldoende tijd om de ontwikkelingen bij te houden.

E-bikes
In 2021 registreerde de Bovag³ voor het eerst dat meer dan de helft van de verkochte fietsen voorzien was van elektrische trapondersteuning. Het gebruik van e-bikes is sinds corona enorm toegenomen en groeit nog steeds. Terwijl bij mobile devices en elektrische auto’s strikte regels gelden, ontbreekt specifieke regulering bij e-bikes volledig. Algemene regels zijn daarom van toepassing, terwijl het gebruik van een e-bike en de risico’s wezenlijk anders zijn dan van een fiets of een brommer met verbrandingsmotor. Accu’s van e-bikes vliegen – als los te verkrijgen product – als zoete broodjes over de toonbank en het aanbod is enorm. Via internet is in enkele muisklikken een batterij voor een e-bike te bestellen, desgewenst met onvoorstelbaar goedkoop ladertje, stekker en snoer, niet door de fabrikant van het rijwiel aanbevolen, gekeurd of zelfs maar gezien. De waren worden via de koeriersdienst vervoerd en desnoods bij de buren afgeleverd. Meestal gebeurt dat zonder enig besef en zonder zichtbare vermelding van de risico’s op de verpakking. Een batterij kan snel beschadigd raken: als die valt of een hevige schok te verduren krijgt, moet deze – zo staat niet zonder reden in de handleiding – worden vervangen. Interne beschadigingen die optreden na zo’n schok kunnen namelijk dagen tot weken later tot uiting komen, bijvoorbeeld in de vorm van een hevige brand. En dat is nog maar één van de scenario’s met een onwenselijke afloop.

Op het werk
In lijn met de energietransitie stimuleren veel bedrijven hun werknemers om met de fiets naar het werk te komen. De e-bikes staan broederlijk naast hun op menskracht aangedreven soortgenoten in de stalling en veel batterijen worden naast het bureau opgeladen voor de terugweg. Naast de bekende ‘auto’s van de zaak’ zijn ook steeds meer ‘fietsen van de zaak’ elektrisch. Het is één van de nieuwe onderwerpen geworden waar je als facility manager rekening mee moet houden. Wat zijn die risico’s vanuit arbeidsveiligheid, gebouwveiligheid, transportveiligheid en externe veiligheid en integrale gezichtspunten? Daarvoor is actuele kennis onontbeerlijk.

Veiligheidsstrategie
De voordelen van de lithium-ion-accutechniek zorgen ervoor dat lithium lastig te vervangen is, in elk geval met de huidige stand der techniek. Alternatieven zijn nog onvoldoende ontwikkeld en beproefd, te duur of er kleven andere nadelen aan. Niet gebruiken van lithium is geen redelijke optie en vervanging (substitutie) lukt nog nauwelijks.

Over de veiligheidsstrategie, het beperken of tegengaan van het vrijkomen van gevaarlijke stoffen ofwel het effectief afschermen van de bron, spraken we met Jef van Hyfte, CEO van Mobile Locker, en Martijn Kommer, bestuurslid van de Nederlandse Vereniging voor veiligheid. Van Hyfte vertelt over de jarenlange tests die hij met zijn bedrijf heeft uitgevoerd om de (deel)processen van brand in een lithium-ion-batterij te doorgronden, met als doel het ontwerpen en perfectioneren van een lockersysteem om lithium-ion-accu’s veilig in te kunnen opladen en opbergen. Dit zogenaamde S4FE systeem is speciaal ontwikkeld voor bedrijfsgebouwen (zoals kantoren) en andere locaties waar zich grote fietsenstallingen bevinden en het risico op een verwoestende lithium-ion brand niet denkbeeldig is.

‘Het was trial and error’, aldus Van Hyfte. ‘Samen met de brandweer hebben we tot in den treure getest hoeveel aerosol nodig is om de krachten te beheersen. En hoe het overdrukprofiel zo functioneert, dat het de explosiviteit voorkomt.’

Het resultaat is een opbergkast die erg lijkt op de bagagekluizen op luchthavens en stations. Elke batterij heeft een eigen locker. Daarin kan hij opgeladen en bewaard worden op een veilige plek. Daarnaast heeft de kast sensoren en contact met de hulpdiensten. Mocht het misgaan, dan schermt de locker de brandende batterij af van zijn buren en gaat de hele kast op slot. De kast is zo ontworpen dat de temperatuursverhoging niet doorslaat naar naastgelegen compartimenten.
Verder komen in het compartiment bij brand aerosolen vrij die de temperatuur zo veel mogelijk dempen. Die zijn zo uitgekiend dat ze zwaarder zijn dan de stoffen die vrijkomen uit de batterij en overdruk veroorzaken. Op die manier zullen de vrijkomende giftige gassen via het overdrukventiel en een schoorsteen ontwijken, zonder verlies van de dempende aerosol. Een ingebouwd systeem geeft tegelijk een seintje aan de receptie, de brandweer of een gecontracteerde beveiligingsdienst.

De via het ingebouwde systeem gealarmeerde hulpdiensten kunnen na aankomst de kast openen met een speciale code en de brandende batterij (met de juiste gereedschappen en beschermingsmiddelen) verwijderen en onderdompelen in een met water gevulde metalen krat.

Martijn Kommer benadrukt nog dat de kast vooral tijd biedt. En dat je daar organisatorisch op in moet spelen. Wie doet wat en heeft hij/zij daarvoor de juiste kennis? Want de receptie, de brandweer en/of de beveiliger moeten natuurlijk wel goed geïnstrueerd worden. ‘Bijvoorbeeld: de brandweer haalt de batterij tenslotte uit de kast en moet deze onderdompelen in een metalen bak. Maar iemand moet ervoor zorgen dat die wel al in de buurt staat.’ Aldus Martijn Kommer.

En er zijn ook protocollen nodig die alle specifieke risico’s van een locatie en ieders voorbereiding daarop behandelen (dat betreft bijvoorbeeld onderhuurders, bhv’ers, ingehuurde beveiligers, aanwezigheid van andere gevaarlijke stoffen, et cetera).

Overdruk
De meest specifieke en bepalende eigenschap van een lithium-ion brand is het ontstaan van een enorme expansie en daarmee een overdruk die potentieel explosief is. De reactieproducten nemen een veel groter volume in dan de oorspronkelijke vorm, mede veroorzaakt door de snelle temperatuurstijging. Met alleen afschermen ben je er niet. En met alleen koelen ook niet. Het is een combinatie van acties die nodig is om de gevolgen van een lithium-ion brand te beperken.

Zekering
Een gebouwmanager/werkgever moet natuurlijk zijn medewerkers beschermen, zelfs tegen door hen zelf binnengebrachte risico’s. Daarbij weegt hij wel de kosten tegen de baten. De kosten als het misgaat zijn exorbitant. De potentiële schade van een ongecontroleerde thermal runaway van een flinke lithium-ion-batterij aan een gebouw, of – erger nog – aan medewerkers zijn bijna niet te overzien. Dat weet ook de verzekeraar, met als gevolg dat dekking kostbaar zal zijn. De beste verzekering is – zeker in dit geval – preventie.

Optimale gebouwveiligheid
Het principe van dit uitgebreid geteste opbergsysteem (afschermen, overdruk afleiden, koelen, alarmeren) past in een strategie voor optimale gebouwveiligheid.
De uitgebreide tests die zijn uitgevoerd op de batterijen van e-bikes bij de ontwikkeling van de lockerkast hebben niet alleen geleid tot een nieuw product: er is vooral ook bruikbare en direct toepasbare kennis opgedaan. Ontwikkel de elektrische wereld, houd grip op de risico’s!

Workshops
In samenwerking met Kiwa en de Nederlandse Vereniging voor Veiligheidskunde organiseert Mobile Locker workshops over hoe om te gaan met lithium-ion risico’s voor facility managers tijdens de Vakbeurs Facilitair die van 7 t/m 9 juni a.s. plaats vindt in de Utrechtse Jaarbeurs.