Brandveiligheid duurzame energiesystemen in woningen

Tekst: Frank de Groot

Acht maanden lang testte H2@Home een waterstofinstallatie in het DreamHûs, een replica jaren ‘70 woning die aangesloten was op een ondergronds waterstofnet. Deze woning staat op het terrein van The Green Village op de TU Delft Campus.

Cover van het onderzoek naar de invloed op de brandveiligheid van de verschillende typen installaties.

Er is inmiddels een groot aantal installaties beschikbaar voor energieopwekking en energie-opslag. In de studie worden ze allemaal besproken. In zijn algemeenheid kan worden gesteld dat door de verschillende nieuwe energieopwekking- en energieopslagsystemen in de toekomst meer elektrische apparatuur in woningen aanwezig zal zijn dan momenteel het geval is. Alleen al hierdoor ontstaat er een verhoogd brandrisico.

De studie heeft betrekking op individuele grondgebonden woningen, niet op overige gebouwen zoals woonblokken, flats, kantoren of bedrijfsgebouwen en niet op de gebouwde omgeving, zoals installaties die meerdere woningen bedienen. Daarbij gaat het specifiek om (nieuwe ontwikkelingen in) installaties voor duurzame energievoorziening in woningen. De studie richt zich niet op de bouwkundige brandveiligheid.

Overzicht installaties

In het rapport wordt een uitgebreid overzicht gegeven van alle installaties die beschikbaar zijn voor energieopwekking en energie-opslag (zie rapport). We geven hier alleen een korte samenvatting van installaties die we bij woningen kunnen aantreffen.

Installaties energieopwekking

• Zonnepanelen (PhotoVoltaic cells – PV cells).
• Zonnecollectoren.
• Brandstofcellen (waterstof). In een brandstofcel reageert waterstof met zuurstof. Hierbij wordt elektriciteit opgewekt en wordt water gevormd. Dit is het omgekeerde proces van elektrolyse. Hierbij komt ook warmte vrij. Brandstofcellen zijn vooral bekend om hun toepassing in auto’s. Er zijn ook systemen voor thuisgebruik (Panasonic, 2021), met name in Japan, maar ook in Engeland en Duitsland; deze zijn er echter (nog) niet in Nederland. Toepassing ligt dan vooral voor de hand indien waterstof via het gasnet (nu nog aardgasnetwerk) wordt gedistribueerd naar woningen en bedrijven.

Energie-opslagsystemen
Energie kan worden opgeslagen in verschillende vormen:

• Dit is de bekendste vorm, waartoe ook de fossiele brandstoffen (aardolie, aardgas) behoren. Door een chemische reactie (bij verbranding: een reactie met zuurstof) komt de energie vrij. Waterstof wordt momenteel veelvuldig genoemd als vervangende, duurzame energiedrager.
• Ook bij elektrochemische reacties vindt energieoverdracht plaats tussen verschillende moleculen. Dit gebeurt echter niet door direct contact tussen de moleculen, maar door overdracht van energie (in de vorm van elektronen) door twee half-reacties. Het bekendste voorbeeld is de oplaadbare batterij.
• Een medium wordt verwarmd, en door warmte te onttrekken wordt energie verkregen. Ondergrondse warmte-koude-opslag is het bekendste voorbeeld, maar ook de warmtepomp.
• Door gebruik te maken van fenomenen als zwaartekracht en druk kan (potentiële) energie worden opgeslagen. Een voorbeeld hiervan is lucht onder druk. Door de druk af te laten, komt de energie vrij. Een ander voorbeeld is waterkracht.

Drie systemen in detail

In de studie worden veel verschillende installatietypes besproken. Drie systemen zijn daarbij geselecteerd voor een nadere beschouwing. Het gaat hierbij om systemen die al behoorlijk ver zijn ontwikkeld, reeds worden toegepast in woningen en/of naar verwachting in de nabije toekomst op grotere schaal toepassing zullen vinden in woningen. Het gaat om:

• Waterstof in woningen via bestaande aardgasleidingen.
• Opslag van elektriciteit in lithium-ion thuisaccu’s.
• Opwekking van energie via PV-systemen (zonnepanelen).

Waterstof in woningen via bestaande aardgasleidingen

Gebruik van waterstof in de huiselijke omgeving vindt nog slechts als pilot plaats. Omdat waterstof naar verwachting op woning- of gebouwniveau vooral zal worden toegepast om aardgas te vervangen, is een vergelijking met de risico’s van aardgas nuttig. Aardgas bestaat hoofdzakelijk uit methaan; de eigenschappen daarvan worden hieronder vergeleken met de eigenschappen van gasvormig waterstof:

• Methaan en waterstof zijn beide ontvlambare gassen.
• Waterstof heeft een breder ontvlambaarheidsgebied dan methaan (waterstof: 4 – 77 vol.%; methaan: 5,3 – 15 vol.%).
• Bij lage concentraties (< 8 vol.%) zijn de ontstekingsenergieën van waterstof en methaan vergelijkbaar.
• Ontsteking van een waterstofwolk geeft bij concentraties hoger dan 10 vol.% een explosie (snelle verbranding: deflagratie) en bij concentraties hoger dan 18 vol.% een detonatie (schokgolf). Of en hoe een explosie plaatsvindt, is erg afhankelijk van de omstandigheden.
• Zowel methaan als waterstof heeft een lagere dichtheid dan lucht en zal dus na vrijkomen opstijgen, waarna ophoping kan plaatsvinden in besloten ruimtes of bijvoorbeeld onder het plafond. De dichtheid van waterstof is lager dan van methaan, dus waterstofgas stijgt sneller dan methaan.
• Ontsteking van waterstof of aardgas dat onder druk uit een lek komt (jet), geeft een fakkel.
• Methaan en waterstof kunnen niet door geur worden waargenomen (tenzij geurstof wordt toegevoegd).
• Waterstofvlammen zijn visueel nauwelijks waar te nemen (alleen als bijvoorbeeld stofdeeltjes in de vlam zitten). Waterstofvlammen zijn zeer heet, maar stralen relatief weinig warmte uit.
• Methaanvlammen zijn zichtbaar en stralen meer warmte uit dan waterstofvlammen.
• Waterstofmoleculen kunnen doordringen in het metaalrooster (van bijvoorbeeld de leidingen) en ‘verbrossing’ veroorzaken.
• Doordat waterstofmoleculen kleiner zijn dan methaanmoleculen kunnen zij gemakkelijker lekken.

Beheersmaatregelen

Waterstof is in de industrie niet nieuw en de gevaren van waterstof in een industriële omgeving zijn bekend; waterstof is in principe niet gevaarlijker of minder gevaarlijk dan andere brandbare gassen. Door de toepassing van waterstof in een nieuwe omgeving (woningen), in afwezigheid van professionele operators en zonder veiligheidsmanagementsystemen, is het echter (nog) niet altijd duidelijk wanneer en op welke wijze deze gevaren zich openbaren. De hieruit voortvloeiende risico’s kunnen worden beperkt door het nemen van maatregelen. Deze worden momenteel in pilotprojecten getest en richten zich met name op het voorkomen van lekken en het zich ophopen van waterstof in woningen. Passende maatregelen zijn dan bijvoorbeeld:

• gasdetectie;
• ventilatie van de meterkast en ruimte van de cv-installatie;
• (handmatige) gasafsluiters;
• het gebruik van een gasstopper;
• odorisatie (toevoegen geur) van waterstof.

Aanleg en onderhoud van deze installaties moeten door deskundige, gecertificeerde technici worden uitgevoerd. Daarbij is het, gezien de ‘nieuwe’ omgeving waarin deze installaties worden aangelegd, van belang voor installateurs om voortdurend op de hoogte te blijven van nieuwe inzichten ten aanzien van uitvoeringen, locaties en dimensionering van de verschillende systemen.

Opslag van elektriciteit in lithium-ion thuisaccu’s

De lithium-ion accu wordt op grote schaal gebruikt voor de opslag van elektrische energie, met name voor mobiele toepassingen (telefoons, laptops, fietsen, auto’s), maar ook stationair in gebouwen.

De brandrisico’s van een lithium-ion accu worden vooral gevormd door de zogenaamde ‘thermal-runaway-reactie’. Tijdens het opladen en ontladen van lithium-ion batterijen vinden voortdurend elektrochemische reacties plaats, waardoor energie vrijkomt (ontladen) of wordt opgenomen (opladen). Het is van belang dat de batterijcel tijdens deze elektrochemische reacties stabiel blijft. Het inwendige van de batterijcel is ontworpen om onder normale gebruiksomstandigheden stabiel te blijven.

Door veroudering of afwijkende omstandigheden als te snel laden of ontladen, laden of ontladen bij te hoge of te lage temperatuur, productiefouten of door mechanische beschadiging kan deze stabiliteit echter worden verstoord en kunnen inwendige componenten beschadigd raken. Als gevolg van deze beschadiging kan een soort inwendige kortsluiting ontstaan die leidt tot exotherme reacties waarbij hitte en gassen (toxisch en brandbaar) vrijkomen. De hitte en de exotherme reacties versterken elkaar, waardoor er op een gegeven moment sprake is van een thermal runaway. Bij deze reactie komen gassen vrij in de batterij, die zorgen voor drukopbouw. Wordt deze druk te hoog, dan breekt de batterij (soms explosief) open, waardoor de gevormde brandbare en toxische gassen vrijkomen (vooral koolwaterstoffen, waterstof, waterstoffluoride, koolmonoxide en koolstofdioxide). Vaak zullen deze gassen ontsteken, met brand als gevolg.

Door verhitting van naburige batterijen zal het proces zich uitbreiden naar andere batterijmodules, waardoor deze ook in thermal runaway kunnen raken. Dit proces kan lange tijd duren, waarbij het zo kan zijn dat een brand geblust lijkt te zijn, maar na enige tijd toch weer oplaait, omdat het proces zich grotendeels onopgemerkt in het binnenste van de batterij afspeelt. Dit is met name het geval bij grotere systemen waarbij de thermische reactie zich van de ene naar de ander module verplaatst. Bij thuisaccu’s is dit dan ook zeker een punt van aandacht.

De grootschalige introductie van lithium-ion batterijen brengt een verhoging van het brandrisico in woningen met zich mee. Het is dan ook belangrijk om hieraan bij installatie en gebruik van batterijsystemen aandacht te besteden. Foto: Friday Energy. De Friday Battery is een slimme batterij met energie management software die de pieken in opwek en verbruik opvangt.

Beheersmaatregelen

Al met al brengt de grootschalige introductie van lithium-ion batterijen een verhoging van het brandrisico in woningen met zich mee. Het is dan ook belangrijk om hieraan bij installatie en gebruik van batterijsystemen aandacht te besteden. Op basis van verschillende bronnen kunnen de volgende maatregelen worden voorgesteld:

• Zorg voor rookdetectie en alarmering in de ruimte waar het batterijsysteem is geplaatst.
• Zorg dat bij brand (of oververhitte batterijsystemen) vrijkomende rook niet in een vluchtroute terechtkomt.
• Plaats de thuisbatterij niet in een vluchtweg, indien mogelijk zelfs niet in de woning, maar in een van buitenaf benaderbare, externe ruimte. Let er wel op dat het systeem kan functioneren binnen de gebruiksspecificaties (de temperatuur bijvoorbeeld).
• Zorg dat de ruimte waarin het batterijsysteem is geplaatst als zodanig te herkennen en ook goed bereikbaar is.
• Zorg dat het systeem (op afstand) kan worden losgekoppeld van het elektriciteitsnet.
• Houd brandbare materialen op voldoende afstand van het batterijsysteem of helemaal weg uit de ruimte waar het systeem is geïnstalleerd.
• Zorg dat het Battery Management System (BMS) de gebruiker (of installatieverantwoordelijke) van de juiste informatie voorziet over het veilig in bedrijf zijn van de thuisaccu.
• Voorkom dat beschadigde batterijsystemen of systemen waarvan de herkomst onduidelijk is (tweedehands bijvoorbeeld), worden geplaatst. Voorkom ook dat de batterijsystemen worden beschadigd.
• Beperk de energie-inhoud van de aangebrachte systemen.

Ook hier geldt weer dat installatie en onderhoud moeten worden overgelaten aan deskundige, erkende installateurs, die zich ervan hebben vergewist dat aan de genoemde eisen is of kan worden voldaan. Ook moeten geschikte onderdelen (kabels, leidingen, schakelaars et cetera) worden gebruikt en op de juiste wijze worden geïnstalleerd.

De lithium-ion accu wordt op grote schaal gebruikt voor de opslag van elektrische energie, met name voor mobiele toepassingen, zoals auto’s. Foto: ABB.

Opwekking van energie via PV-systemen

De oorzaken van brand van zonnepanelen liggen met name in een gebrekkig ontwerp (legplan), gebruik van inferieure materialen en gebrekkige uitvoering van een installatie. Zonnepanelen wekken niet alleen elektrische energie op, maar kunnen ook heet worden. Als de hitte niet kan worden afgevoerd, kan dit brand veroorzaken indien brandbare materialen in de buurt zijn. De elektrische systemen (met spanningen tot honderden volts en stromen van meerdere ampères) kunnen via kortsluiting en slechte verbindingen brand veroorzaken als gevolg van tekortkomingen, zoals:

• Connectoren die niet goed op elkaar aansluiten of in water liggen.
• Onvoldoende afstand (tussen zonnepanelen, tussen de zonnepanelen en het dak of tussen de zonnepanelen en de dakrand).
• Beschadiging van kabels door bijvoorbeeld contact met scherpe voorwerpen, of door gebruik van te korte kabels.
• De aanwezigheid van brandbaar (isolatie)materiaal in de nabijheid van zonnepanelen.

Verder kan brandoverslag optreden als (brandende) zonnepanelen losraken of door het dak zakken. Ze kunnen ook de brandweerinzet hinderen als de brandweer bijvoorbeeld toegang wil hebben tot het dak. Voor brandbestrijding en ook ter voorkoming van brandoverslag is het tevens belangrijk dat de brandweer beschikt over informatie ten aanzien van het aantal PV-panelen en vermogen ervan en de locatie van de omvormer en DC-schakelaar.

Bijzondere aandacht hierbij vraagt het in toenemende mate toepassen van zonnepanelen op buitenmuren. In aanvulling op de hiervoor genoemde risico’s moet men beducht zijn op het ‘schoorsteeneffect’. Hierbij kunnen hitte en vlammen zich snel naar hoger gelegen etages verspreiden via de ruimte tussen de panelen en de muur. Hitte en vlammen worden daarbij geholpen door, eventueel aanwezige, brandbare elementen van de op de buitenmuren aangebrachte PV systemen.

De oorzaken van brand van zonnepanelen liggen met name in een gebrekkig ontwerp (legplan), gebruik van inferieure materialen en gebrekkige uitvoering van een installatie.

Beheersmaatregelen

Aanbevelingen en maatregelen hebben vooral betrekking op bovengenoemde factoren, dat wil zeggen: kwaliteitsborging van de componenten en installatie van PV-systemen. Ook hier geldt weer dat installatie moet worden overgelaten aan deskundige, erkende installateurs, die aandacht hebben voor bovenstaande punten.

Downloaden ‘Duurzaam bouwen – brandveiligheid van installaties’, NIPV: ga naar https://nipv.nl. Vul in het zoekvak in ‘Brandveiligheid installaties’.