Czytaj książkę: «Verbrennen und Löschen»

2 Voraussetzung »Brennbarer Stoff«
2.1 Allgemeine Grundlagen

Als erste Bedingung, die für den Verbrennungsvorgang notwendig ist, sollen die »Brennbaren Stoffe« beleuchtet werden. Unter brennbaren Stoffen versteht man alle gasförmigen Stoffe sowie feste und flüssige Stoffe in ihren unterschiedlichen Erscheinungsformen wie Dämpfe, Stäube und Nebel, die beim Vorhandensein von Sauerstoff und einer ausreichenden Zündenergie brennen. Betrachtet man das Einsatzgeschehen der Feuerwehr, so könnte man die brennbaren Stoffe in folgende drei Gruppen einteilen.

1. Brennbare Stoffe, die Kohlenstoff enthalten. Diese Gruppe macht wohl knapp 100 % der Brandeinsätze der Feuerwehr aus. Handelt es sich doch hierbei um Stoffe wie Holz, Heu, Stroh, Papier und Kunststoffe, die fast immer in irgendeiner Form an Bränden beteiligt sind und welche die typische Rußbildung beim Verbrennen hervorrufen. Weitere Vertreter dieser Gruppe sind Kraftstoffe, Mineralöle, Stadt- und Erdgas, Propan oder Acetylen.

2. Metalle wie Eisen, Magnesium oder Aluminium, die vor allem in zerkleinerten Formen als Granulat, Späne oder Pulver leicht zum Brennen gebracht werden können.

3. Bleiben noch Stoffe wie Schwefel, Phosphor, einige Alkali- und Erdalkalimetalle wie Natrium oder Calcium sowie deren Legierungen übrig, die im Brandeinsatz eine eher untergeordnete Rolle spielen.

Es gibt weitere Unterscheidungsmerkmale wie chemische Zusammensetzung, Temperaturklassen (Einteilung brennbarer Stoffe nach deren Zündtemperatur), Brennbarkeitsgruppen (leicht-, normal- und schwerbrennbare Stoffe) oder die Gefahrklassen bei brennbaren Flüssigkeiten bzw. Explosionsgruppen bei brennbaren Gasen, die zu einer Klassifizierung der brennbaren Stoffe herangezogen werden können. Letztendlich hat sich die Gruppeneinteilung nach gleichartigem Brandverhalten bewährt – die Einteilung in sogenannten Brandklassen.

2.2 Brandklassen
Brandklasse A – feste brennbare Stoffe

Definition der Brandklasse A nach DIN EN 2: Brände fester Stoffe, hauptsächlich organischer Natur, die normalerweise unter Glutbildung verbrennen.

Hauptbestandteil organisch aufgebauter Materie ist das Element Kohlenstoff in Kombination mit Wasserstoff (die sogenannten Kohlenwasserstoffverbindungen) sowie Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und/oder Phosphor. Organische Stoffe sind entweder natürlichen Ursprungs und entstammen dem Pflanzenwachstum oder es handelt sich um synthetisch hergestellte Stoffe wie eine Vielzahl von Kunststoffen. Da Kunststoffe in der Regel aus Erdölderivaten hergestellt werden, sind sie im weitesten Sinne auch organische Stoffe, die vom Pflanzenwachstum herrühren.

Typisch für Stoffe der Brandklasse A ist das Verbrennen mit Flammenerscheinung und Glutbildung. Erhitzt man einen brennbaren festen Stoff, so treten zunächst leichtflüchtige, später auch schwerer flüchtige Gase, die Pyrolysegase aus, die für die Flammenbildung verantwortlich sind. Die Glutbildung wird dann durch den nichtflüchtigen festen Kohlenstoffanteil hervorgerufen. Ein weiteres typisches Merkmal beim Verbrennen von Stoffen der Brandklasse A ist die Rußbildung und die damit einhergehende Brandparallelerscheinung Rauch.

Während bei der vollständigen Verbrennung einer reinen Kohlenwasserstoffverbindung nur die unsichtbaren Verbrennungsprodukte Kohlenstoffdioxid und Wasser gebildet werden, entstehen bei einem Brandereignis, das die Feuerwehr normalerweise in Form eines Schadenfeuers auf den Plan ruft, zusätzlich noch das giftige Kohlenstoffmonoxid, weitere Schwelgase, Aerosole und sichtbarer Rauch. Die schwarzen Ruß- und Holzkohleteile sowie Flugasche, der weiße Wasserdampf und die gelbgrün bis braun gefärbten Schwelgase bestimmen die Farbe des Rauches. Neben der Farbe können das Rauchvolumen, die Rauchdichte und die Geschwindigkeit bzw. der Druck, mit der Rauch aus einer Öffnung gedrückt wird, wichtige Hinweise auf das Brandereignis geben und damit Rückschlüsse auf die Entwicklung des Brandes gezogen werden – man kann quasi »aus dem Rauch lesen«. Welche Gefahren im Feuerwehreinsatz von Pyrolysegasen ausgehen und welche Hinweise der Brandrauch auf den Verbrennungsvorgang gibt, wird im Kapitel 6 »Brandverläufe am Beispiel eines Zimmerbrandes« näher beschrieben.

Bild 2: Feste brennbare Stoffe verbrennen mit Flammenerscheinung und Glutbildung sowie Rußbildung

Eine besondere Gefahr geht von brennbaren festen Stoffen aus, die in feinstverteilter Form vorliegen, den Stäuben. Zu nennen sind hier die klassischen organischen Stäube aus Holz oder Kohle sowie den daraus abgeleiteten Nahrungsmittelstäuben aus Mehl und Zucker. Es sind aber auch Stäube von Schwefel, Hartgummi, Erzen, Kunststoffen, Arzneimitteln oder Farbstoffen anzuführen. In der Luft bilden diese Stäube explosionsfähige Atmosphären, die sich ähnlich wie Dampf- oder Gas-Luft-Gemische verhalten und unterschiedliche Abbrandverhalten aufweisen. Die für die Feuerwehr relevanten Kennzahlen bzw. Begrifflichkeiten im großen Umfeld des Begriffs der Explosion sind im Kapitel 5 »Voraussetzung Mengenverhältnis« näher erläutert.

Bild 3: Der Rauchaustritt bei einem Schadfeuer lässt Rückschlüsse auf das Brandgeschehen zu.

Brandklasse B – flüssige brennbare Stoffe

Definition der Brandklasse B nach DIN EN 2: Brände von flüssigen oder flüssig werdenden Stoffen.

Eigentlich ist diese Definition nicht ganz richtig, denn es brennen nicht die Flüssigkeiten selbst, sondern die sich aus der Flüssigkeit heraus entwickelnden Dämpfe. Ein Faktum, das beim Löschen von brennbaren Flüssigkeiten eine wichtige Rolle spielt (siehe Kapitel 8 »Löschmittel«). Je nachdem, um welche Flüssigkeit es sich handelt, entwickeln sich abhängig von Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck mehr oder weniger zündfähige Dämpfe. Ein typisches Merkmal für Stoffe der Brandklasse B ist, dass sie nur unter Flammenerscheinung brennen. Je nach Unvollständigkeit der Verbrennung ist aber auch hier eine Rußbildung die Regel, vor allem wenn es sich um größere (längere) Kohlenwasserstoffverbindungen handelt. Die komplexen Kohlenwasserstoffverbindungen Benzin oder Diesel verbrennen mit einer deutlichen Ruß- und Rauchentwicklung, ebenso Wachs. Brennspiritus bzw. Ethanol oder Methanol hingegen rauchen fast überhaupt nicht.

Bild 4: Brennbare Flüssigkeiten verbrennen normalerweise nur unter Flammenerscheinung, bei unvollständigen Verbrennungen tritt auch eine Rußbildung auf. (Quelle: Roy Bergdoll)

Eine differenzierte Einteilung brennbarer Flüssigkeiten erfolgt in der Regel nach deren Flammpunkt (wie der Flammpunkt definiert ist, ist im Folgenden angeführt). Bis 2003 erfolgte die Einteilung nach der »Verordnung über brennbare Flüssigkeiten« (VbF). Unterschieden wurde dabei zwischen nicht wasserlöslichen (unpolaren) brennbaren Flüssigkeiten (Gefahrklasse A) und bei 15 °C wasserlöslichen (polaren) brennbaren Flüssigkeiten mit einem Flammpunkt unter 21 °C (Gefahrklasse B). Die Gefahrklasse A war, abhängig von den Flammpunkten, nochmals in die drei Untergruppen AI bis AIII unterteilt.

Derzeit erfolgt die Klassifizierung nach europäischem Gefahrstoffrecht wie folgt:

hochentzündliche Flüssigkeiten (F+) mit einem Flammpunkt unter 0 °C und Siedebeginn kleiner 35 °C,

leichtentzündliche Flüssigkeiten (F) mit einem Flammpunkt von 0 °C bis 21 °C,

entzündliche Flüssigkeiten mit einem Flammpunkt von 21 °C bis 55 °C.

Bild 5: Kennzeichnung brennbarer Flüssigkeiten nach der Gefahrstoffverordnung (GefStoffV) (Quelle: Roy Bergdoll)

Die GHS-Verordnung (Globally Harmonised System of Classification and Labelling of Chemicals) klassifiziert noch etwas genauer, was aber für den Feuerwehreinsatz keinen Unterschied macht.

Flüssigkeit und Dampf extrem entzündbar (Gefahrenkategorie 1) mit einem Flammpunkt kleiner 23 °C und Siedebeginn kleiner/gleich 35 °C.

Flüssigkeit und Dampf leicht entzündbar (Gefahrenkategorie 2) mit einem Flammpunkt kleiner 23 °C und Siedebeginn größer 35 °C.

Flüssigkeit und Dampf entzündbar (Gefahrenkategorie 3) mit einem Flammpunkt von 21 °C bis 60 °C.

Bild 6: Kennzeichnung brennbarer Flüssigkeiten nach der GHS-Verordnung (Globally Harmonised System of Classification and Labelling of Chemicals) (Quelle: Roy Bergdoll)

Für den Einsatz des richtigen Löschmittels werden brennbare Flüssigkeiten, wie bereits angeführt, in Anlehnung an die nicht mehr gültige VbF in polare und unpolare Flüssigkeiten unterschieden (siehe Kapitel 8.2.2). Brennbare, mit Wasser nicht mischbare (unpolare) Flüssigkeiten sind z. B. Benzin, Heizöl, Petroleum und Ether. Brennbare, mit Wasser mischbare (polare) Flüssigkeiten sind z. B. Alkohol oder Aceton.

Bild 7: Gegenüberstellung der Kennzeichnung von brennbaren Flüssigkeiten nach GefStoffV und GHS-Verordnung und der nicht mehr gültigen VbF (Quelle: Roy Bergdoll)

Brandklasse C – gasförmige brennbare Stoffe

Definition der Brandklasse C nach DIN EN 2: Brände von Gasen.

Analog zu Dämpfen bei brennbaren Flüssigkeiten brennen Gase lediglich unter Flammenerscheinung und je nach chemischer Zusammensetzung des Stoffs und den Umgebungsbedingungen mit mehr oder weniger Rußbildung. Da brennbare Gase definitionsgemäß keinen Flammpunkt besitzen – einmal mit einer Zündquelle in Kontakt gekommen, hört der Verbrennungsvorgang bei Wegnahme der Zündquelle nicht mehr auf – ist ihr Abbrandverhalten wesentlich schwerer als bei den brennbaren Flüssigkeiten zu definieren. Es kommt in der Regel eher zu Explosionsereignissen als zu einem kontrollierten Abbrennen austretenden Gases. Um brennbare Gase klassifizieren zu können, werden neben der Zündtemperatur noch ihre sogenannten unteren und oberen Explosionsgrenzen (UEG und OEG) betrachtet.

Im Gegensatz zu Dämpfen brennbarer Flüssigkeiten, die alle schwerer als Luft sind, muss man bei Gasen unterscheiden, ob sie nach oben steigen oder nach unten fließen, um daraus einsatztaktische Maßnahmen ableiten zu können. Von den elf Gasen, die leichter als Luft sind, sind sieben brennbar. Dies sind

1. Wasserstoff H_2,

2. Methan CH₄ (Hauptbestandteil von Erdgas),

3. Acetylen C₂H_2,

4. Diboran B₂H_6,

5. Kohlenstoffmonoxid CO,

6. Ethen (Ethylen) C₂H₄ und

7. Ammoniak NH₃.

Prinzipiell ist Ammoniak (NH₃) auch ein brennbares Gas, das leichter als Luft ist, der Stoff wird aber aufgrund seiner Schwerentflammbarkeit vor allem im Gefahrguttransport als »nicht brennbar« eingestuft. Dennoch existieren Explosionsgrenzen und das Zünden eines Ammoniak-Luft-Gemischs ist durchaus möglich.

Eine weitergehende Klassifizierung brennbarer Gase ähnlich den brennbaren Flüssigkeiten gibt es nicht. Gegebenenfalls könnte man noch die vom Deutschen Verein des Gas- und Wasserfaches e.V. (DVGW) definierten drei Gasfamilien anführen.

Bild 8: Brand eines gasbetriebenen Pkw, die Rußanteile im Brandrauch stammen aus dem verbrennenden Lack bzw. von Kunststoffteilen.

Allerdings handelt es sich dabei, mit Ausnahme der Flüssiggase, weitestgehend um unterschiedliche Mischungen aus Wasserstoff, flüchtigen Kohlenwasserstoffen (insbesondere Methan, Ethan und Propan), Kohlenstoffmonoxid mit Nebenbestandteilen wie Schwefelwasserstoff oder Ammoniak und nichtbrennbaren Bestandteilen. Die Gasfamilien sind im Einzelnen:

DVGW-Gasfamilie N (Erd-, Erdöl- und Naturgase): hierzu zählen Erd- und Erdölgase aus natürlichen Lagerstätten sowie Grubengas. Weiterhin Wasserstoff sowie Naturgase, zu denen Faulgas aus Biogasanlagen und Kompostanlagen, Deponiegas oder Klärgas gerechnet werden.

DVGW-Gasfamilie F (Flüssiggase): hierzu zählen vor allem Propan und Butan sowie deren Gemische aber auch Raffineriegase, die als Nebenprodukte der Erdölraffinierung auftreten. Typisch für Flüssiggase ist und wie der Name schon sagt, dass diese Gase unter Druck flüssig sind, beim Freiwerden aber sofort in den gasförmigen Zustand übergehen wie z. B. bei Einwegfeuerzeugen.

DVGW-Gasfamilie S (Stadt- und Ferngase): Stadtgase – auch Kohlegase genannt – zeichnen sich durch einen hohen Gehalt an Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid aus, sind sehr giftig und heute eher selten. Kohlegase wie Kokereigas, Gichtgas, Grubengas, Wassergas, Holzgas usw. fallen in der Kohle- und Stahlindustrie als Nebenprodukte an. Sie werden aufgrund ihrer Giftigkeit heute nicht mehr in öffentliche Netze eingespeist.

Die DVGW-Gasfamilie L für Gas-Luft-Gemische hat heutzutage keine große Bedeutung mehr.

Brandklasse D – metallische brennbare Stoffe

Definition der Brandklasse D nach DIN EN 2: Brände von Metallen.

Grundsätzlich reagieren alle Metalle mit Sauerstoff. In der Regel erfolgt der Vorgang sehr langsam und es bildet sich über dem Metall eine Oxidschicht. Beispiele hierfür sind der Rost bei Eisen, die Patina bei Kupfer oder der Weißrost bei Aluminium. In Folge dessen kann man auch festhalten, dass fast alle Metalle unter bestimmten Bedingungen brennbar sind. Als brennbare Metalle werden aber in dieser Brandklasse in der Regel nur die Metalle angeführt, die unter den üblichen atmosphärischen Verhältnissen zu rasch verlaufenden Oxidationsvorgängen neigen. Typisch für Metallbrände ist die starke Glutbildung in Verbindung mit sehr hohen Verbrennungstemperaturen, die zur Schaffung dieser eigenen Brandklasse geführt haben. Bei den meisten Metallbränden sind Temperaturen von gut 1 000 °C zu erwarten, Leichtmetalle brennen bei 2 000 °C bis 3 000 °C und das Schwermetall Zirkon sogar bei über 4 600 °C. Diese hohen Temperaturen können chemische Reaktionen auslösen, beispielsweise die Zersetzung von Wasser oder Kohlestoffdioxid, die beim Löschen zu sehr unangenehmen, wenn nicht sogar lebensgefährliche Überraschungen führen können (siehe Kapitel 8.1.2 und 8.4).

Die größte Gruppe der brennbaren Metalle stellen aufgrund ihres ausgeprägten Oxidationsverhaltens die Alkali- und Erdalkalimetalle dar. Charakteristisch für diese Gruppe ist deren geringe Dichte und somit die Eingruppierung als Leichtmetalle sowie deren Reaktionsfreudigkeit. Die Alkalimetalle Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Rubidium (Rb) und Cäsium (Cs) sind metallisch glänzend mit silbrig-weißer Farbe. Eine Ausnahme hierbei zeigt jedoch das Cäsium, das schon bei geringsten Verunreinigungen einen Goldton aufweist. Alle Alkalimetalle sind mit dem Messer schneidbar und reagieren mit vielen Stoffen, so beispielsweise mit Wasser, Luft, niedrigsiedenden Alkoholen, Säuren oder Halogenen teilweise äußerst heftig unter starker Wärmeentwicklung. Rubidium und Caesium können sich an der Luft selbst entzünden, weshalb sie unter Luftabschluss in Ampullen aufbewahrt werden. Lithium, Natrium und Kalium werden unter Schutzflüssigkeiten wie Paraffin oder Petroleum aufbewahrt. Lithium und Natrium reagieren mit Wasser zwar heftig unter Wasserstoffentwicklung, aber ohne dass es in der Regel zur Entzündung des Wasserstoffs kommt. Kalium und Rubidium reagieren unter spontaner Entzündung des Wasserstoffs, Caesium reagiert explosionsartig.

Bild 9: Charakteristische gelbe Flammfärbung von brennendem Natrium (Quelle: Roy Bergdoll)

Als Erdalkalimetalle werden die Elemente Beryllium (Be), Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Strontium (Sr) und Barium (Ba) bezeichnet. Die Reaktionsfreudigkeit ist bei den Erdalkalimetallen nicht so stark ausgeprägt wie bei den Alkalimetallen. Beryllium ist bei Raumtemperatur an trockener Luft beständig, da es von einer passivierenden Oxidschicht überzogen wird, ebenso wird Magnesium passiviert. Diese Oxidschicht verhindert jedoch nicht, dass Magnesiumpulver, -bänder oder -folien sich leicht entzünden lassen. Calcium, Strontium und Barium laufen an trockener Luft schnell an und sind in fein verteilter Form selbstentzündlich. Auch in Verbindung mit Wasser werden Beryllium und Magnesium passiviert, die übrigen Erdalkalimetalle reagieren bei Raumtemperatur heftig mit Wasser. Auf Francium (Fr) als radioaktives Alkalimetall und Radium (Ra) als radioaktives Erdalkalimetall wird nicht näher eingegangen, da beide Elemente für die Feuerwehren in Bezug auf die Brandbekämpfung als nicht relevant angesehen werden können.

Die Verbrennung von Alkalimetallen und Erdalkalimetallen verläuft unter erheblicher Rauchentwicklung und es zeigen sich dabei charakteristische Flammenfärbungen, die teilweise zum qualitativen Nachweis dienen können. Ausnahme sind Beryllium und Magnesium, die keine Flammfärbung im sichtbaren Spektrum ausweisen, in metallischer Form verbrennen sie jedoch mit einer blendend weißen Flamme mit hohem UV-Anteil.

Lithium und seine Salze färben die Flamme karminrot,

Natrium und seine Salze färben die Flamme gelb,

Kalium und seine Salze färben die Flamme rotviolett,

Rubidium und seine Salze färben die Flamme rot,

Caesium und seine Salze färben die Flamme blauviolett,

Calcium und seine Salze färben die Flamme ziegelrot,

Strontium und seine Salze färben die Flamme rot,

Barium und seine Salze färben die Flamme fahlgrün.

Aufgrund dieser Flammenfärbung werden Alkalimetallverbindungen für Feuerwerke und Wunderkerzen benutzt und sind den Feuerwehren auch beispielsweise als bengalische Feuer in Form von Magnesiumfackeln bei Fußballspielen oder als Seenot-Handfackeln bekannt.

Neben den Alkali- und Erdalkalimetallen gibt es weitere Metalle und Metalllegierungen, die brennbare Eigenschaften aufweisen. Hier ist zum einen das Aluminium (Al) zu nennen, das zwar selbst nicht brennt, aber unter bestimmten Bedingungen, zum Beispiel in feinster Pulverform oder als Granulat, unter hoher Wärmefreisetzung reagiert. Als feinstes, unbehandeltes Pulver (sogenanntes nicht-phlegmatisiertes Pulver) ist Aluminium extrem reaktionsfreudig, entzündet sich bei Luftkontakt explosionsartig von selbst und verbrennt mit blendend weißer Flamme. Die hohe Wärmefreisetzung wird technisch zum Beispiel beim sogenannten Thermitschweißen von Bahnschienen genutzt. Hier wird ein Gemisch aus Aluminiumgrieß und Eisenoxidpulver mittels Magnesiumband oder Bariumperoxid entzündet und bei Reaktionstemperaturen von ungefähr 2 400 °C bildet sich flüssiges Eisen. Weniger bekannt ist, dass reines Aluminium auch mit Wasser reagiert und dabei Wasserstoff freisetzt. Zwar bildet sich sehr schnell eine Schutzschicht (Passivierung) und eine weitergehende Reaktion wird unterbunden, jedoch setzt die Passivierung so viel Wärme frei, dass es zu einer Reaktion des freigesetzten Wasserstoffs mit dem umgebenden Sauerstoff (der sogenannte Knallgasreaktion) kommen kann.

Abhängig vom Zerteilungsgrad verbrennen auch Metalle wie beispielsweise Eisen, Kupfer, Zink, Blei, Titan oder Zirkonium. Eisen ist in feinverteilter Form wie Stahlwolle oder Eisenpulver sehr leicht entzündlich, Bleipulver ist sogar selbstentzündlich. Stahlwolle lässt sich bereits durch den Kontakt mit den beiden Polen einer Flachbatterie entzünden – eine immer wieder vorkommende Brandursache in Werkstätten. Eisen verbrennt mit orange-gelber Flamme, Kupfer zeigt eine grünliche Flamme und Zink verbrennt bläulich weiß. Somit ist vor allem bei Einsätzen, bei denen Abfallprodukte von Schredder-, Fräs- und Drehmaschinen anzutreffen sind und somit ungewöhnliche Flammfarben sowie erhebliche Verbrennungstemperaturen entstehen können, ein besonderes Augenmerk auf die verwendeten Löschmittel zu legen.

Brandklasse F

Definition der Brandklasse F nach DIN EN 2: Brände von Speiseölen/-fetten (pflanzliche oder tierische Öle und Fette) in Frittier- und Fettbackgeräten und anderen Kücheneinrichtungen und -geräten.

Eigentlich gehören Speiseöle und Speisefette in die Brandklasse B eingegliedert, seit 2005 werden sie allerdings wegen ihrer besonderen Eigenschaften und Gefahren in der separaten Brandklasse F betrachtet. Ein weiterer Hintergrund für die Ausgliederung ist die Tatsache, dass die Standartlöschmittel für die Brandklasse B bei diesen Stoffen nur bedingt verwendet werden können, zum Teil keine Wirkung zeigen oder sogar zu einer Brandausweitung führen.

Während die meisten Stoffe der Brandklasse B in der Regel eine Zündquelle zur Entzündung benötigen, entzünden sich Speiseöle und Speisefette bei genügend hoher Wärmezufuhr von selbst und brennen mit Temperaturen über 300 °C. Versucht man nun diesen Brand mit Wasser oder wässrigen Löschmitteln zu bekämpfen, kommt es zur sogenannten Fettexplosion. Da Wasser schwerer als Öl ist, sinkt es auf den Grund des Behälters ab. Infolge der großen Hitze des Öls oder Fettes sowie des Behälters verdampft das Wasser augenblicklich, was zu einer Volumenvergrößerung infolge der Wasserdampfbildung führt. Mit dem Austritt des Wasserdampfes wird das Brandgut aus dem Behälter geschleudert und in feinstverteilte Tröpfchen zerstäubt. Es kommt zu einem explosionsartigen Zünden der Fett- und Öltröpfchen, was in einem geschlossenen Raum zu einer massiven Brandausweitung führt.

Bild 10: Darstellung einer Fettexplosion (Quelle: Feuerwehr Ilvesheim)

Selbst wenn das Speiseöl oder das Speisefett noch nicht brennt und es zu einem Siedeverzug durch die unsachgemäße Zugabe von Wasser kommt, können sich die feinverteilten Öl- und Fetttröpfchen an heißen Oberflächen explosionsartig entzünden und so einen Brand auslösen. Der physikalisch-chemische Vorgang einer »Fettexplosion«, also das Verdampfen von Wasser mit anschließenden Zünden des ausgeschleuderten feinverteilten Brandgutes, kann auch bei allen anderen brennbaren Flüssigkeiten oder flüssig werdenden Stoffen auftreten, sobald deren Temperatur über der Siedetemperatur des Wassers liegt. Ein klassisches Beispiel hierfür ist erhitztes Wachs, aber auch erhitzte Motor- oder Schweröle oder Bitumen können zu einer (Fett-)Explosion führen.

»Brandklasse E«

Eigentlich wurde die Brandklasse E, die für Brände in elektrischen Niederspannungsanlagen (bis 1 000 Volt) vorgesehen war, 1978 abgeschafft. Mittlerweile hat jedoch eine umfangreiche Akkumulatorentechnologie in unserem Leben Einzug gehalten, die aufgrund ihres Brandverhaltens und dem besonderen Einsatz von Löschmitteln, ähnlich der gesonderten Betrachtung der Brandklasse F, für die eine separate Betrachtung der »Brandklasse E« herangezogen werden könnte. Vor allem Lithium-Ionen-Batterien und Lithium-Ionen-Akkus haben aufgrund ihrer hohen Energiedichte (dem Energiespeichervermögen) millionenfach neben den herkömmliche Nickel-Cadmium- oder Nickel-Metallhydrid-Akkus den Markt erobert. In fast jedem aufladbaren haushaltsüblichen elektrischen Gerät wie Mobiltelefonen, Tablets, Notebooks, Digitalkameras, Werkzeugen, Gartengeräten usw., finden sich Lithium-Ionen-Akkus. Und in der immer weiter fortschreitenden Elektromobilität werden mehr und mehr diese leistungsstarken Akkus in Elektro- und Hybridfahrzeugen, E-Bikes, Pedelecs, E-Rollern und sogar in Elektrorollstühlen verbaut. Doch gerade aufgrund ihrer hohen Energiedichte und den verwendeten Bauteilen weisen Lithium-Ionen-Akkus unter bestimmten Umständen ein gewisses Gefährdungspotential auf. Mechanische Beschädigungen, thermische oder elektrische Belastungen sowie fehlerhafte oder unsachgemäße Handhabung oder Mängel in der Herstellung können zu einem Kurzschluss mit anschließender Brandentwicklung führen, wobei sich die gespeicherte Energie auf einmal entladen kann.

Wird durch einen der oben beschriebenen Fehlbehandlungen die Trennwand zwischen den beiden Elektrodenräumen, der sogenannte Separator, beschädigt, fließen Lithium-Ionen sehr rasch durch den Akku und führen zu vermehrten chemischen Reaktionen, wobei in sehr kurzer Zeit sehr viel Energie freigesetzt wird. Dies führt zu einer Kettenreaktion, dem sogenannten »thermal runaway«, da mit dem Anstieg der Temperatur der Separator mehr und mehr zerstört wird und die Reaktion immer schneller abläuft. Bei diesem Vorgang können durchaus Temperaturen von über 1 000 °C entstehen, die sowohl das in den Zellen enthaltene brennbare, zum Teil giftige Elektrolytgemisch sowie das enthaltene Elektrodenmaterial, vor allem das Lithium und Graphit, entzünden können. Neben einer starken Rauchentwicklung und dem eventuellen Freisetzen von Fluorwasserstoff (Flusssäure), Phosphorsäure sowie Schwermetalle in Form von Nickel- und Cobaltoxiden kann die Brandentwicklung von ruhig bis explosionsartig verlaufen. Trotz der Verwendung eines Alkalimetalls (Brandklasse D) in den Bauteilen sowie dem Füllen mit dem brennbaren Elektrolytgemisch (Brandklasse B), wird als Löschmittel Wasser empfohlen, wobei entsprechende Vorsichtmaßnahmen beachtet werden müssen (siehe Kapitel 8.1.1).

2.3 Weiterführende Informationen

So sehr sich die im vorangegangenen Abschnitt angeführten brennbaren Stoffe in ihren materiellen Eigenschaften unterscheiden, so besteht dennoch ein Zusammenhang zwischen festen, flüssigen und gasförmigen Stoffen. Schließlich gibt es genügend Substanzen, die von der Feuerwehr in verschiedenen Zustandsformen im Einsatz angetroffen werden können. Den Fachbegriff für die verschiedenen Zustandsformen nennt man Aggregatszustände. Anhand der Übergänge der verschiedenen Zustände kann man auch einige für die Feuerwehr relevanten Kennzahlen bzw. Begrifflichkeiten erklären.

Jeder Stoff hat eine von Temperatur und Druck abhängige Zustandsform, deren Übergänge wie folgt bezeichnet werden:

Übergang vom festen in den flüssigen Zustand: Schmelzen – die Umkehrung nennt man Gefrieren oder Erstarren.

Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand: Verdampfen oder Verdunsten – die Umkehrung nennt man Kondensieren.

Übergang vom festen in den gasförmigen Zustand: Sublimieren – die Umkehrung nennt man Resublimieren.

Ein Kennzeichen beim Wechsel der Aggregatszustände ist, dass Energie benötigt wird oder freigesetzt wird, damit die Übergänge erfolgen können. Bei den Übergängen von fest über flüssig nach gasförmig muss Energie zugeführt werden, in der umgekehrten Reihenfolge wird Energie freigesetzt. Vor allem der notwendige Energiebedarf beim Verdampfen von Wasser ist eine wichtige Eigenschaft in der kühlenden Löschwirkung dieses Stoffes (siehe Kapitel 8.1)

Bild 11: Symbolische Darstellung eines Zustandsdiagramms (Phasendiagramms) mit den drei Aggregatszuständen fest/flüssig/gasförmig. Die Linie zwischen den Aggregatszuständen fest-flüssig wird als Schmelzkurve bezeichnet, die Linie zwischen den Aggregatszuständen flüssig-gasförmig als Siedepunktkurve (stoffabhängig auch als Dampfdruckkurve) und die Line zwischen den Aggregatszuständen fest-gasförmig als Sublimationskurve. (Quelle: Roy Bergdoll)

Übergang fest – flüssig

Beim Übergang vom festen in den flüssigen Zustand ist die Schmelztemperatur, auch Schmelzpunkt genannt, eine für die Feuerwehr relevante Größe. Bei Bränden bestimmt die bei dem Brandereignis entstehende Temperatur, ob die Schmelztemperatur beteiligter Stoffe erreicht wurden und somit beispielsweise die Standsicherheit von Gebäuden gefährdet ist oder es durch Verflüssigung zu einer Brandausbreitung kommen kann, wenn niedrig schmelzende Stoffe beteiligt sind. Umgekehrt kann es bei flüssig transportierten Gefahrstoffen durchaus vorkommen, dass es im Havariefall bei erhitzt transportierten Stoffen oder bei relativ niedrigen Außentemperaturen zum Erstarren auslaufender Flüssigkeiten kommen kann. Das Erreichen dieser Temperatur nennt man dann Gefriertemperatur oder Gefrierpunkt. Andere Bezeichnungen hierfür sind Erstarrungspunkt oder Festpunkt.

Übergang flüssig – gasförmig

Für die Erläuterung der Kennzahlen und Begrifflichkeiten beim Übergang vom festen in den gasförmigen Zustand und umgekehrt muss man etwas weiter ausholen, da hier Temperatur und vor allem der Luftdruck bzw. der Druck in einem Behälter wesentlich mehr Einfluss auf die Zustandsänderung haben als bei festen Stoffen. Egal welche Flüssigkeit man betrachtet, es gehen selbst bei niedrigen Temperaturen und hohen Umgebungsdrücken (Molekül-)Teilchen aus der Flüssigkeit in die Gasphase über. Man spricht hier vom sogenannten Dampfdruck der Flüssigkeit. Man muss sich vor Augen halten, dass hier Temperatur und Druck gegenläufige Einflüsse haben. Je höher die Temperatur, desto mehr Flüssigkeitsteilchen gehen in die Gasphase über. Wasser dampft beim Erhitzen schon vor Erreichen der 100 °C merklich aus. Ausgelaufenes Benzin ist im Sommer wesentlich schneller von einer Oberfläche verschwunden als im Winter. Dies wird beschleunigt, wenn der Umgebungsdruck zudem noch niedrig ist. Den Einfluss des Druckes kennt jeder, der schon einmal in den Hochalpen Wasser gekocht hat. Der Luftdruck ist geringer (es drückt weniger »Gewicht« der darüberliegenden Luftschichten nach unten), das Wasser kocht schneller. Auf dem Mount Everest kocht Wasser schon bei etwa 70 °C, ein Ei hier hartzukochen ist somit unmöglich. Auch ein Schulexperiment kann hier den Zusammenhang verdeutlichen: Füllt man Wasser in ein Gefäß, aus dem man die Luft herausziehen kann, so wird man feststellen, dass ab einem bestimmten Punkt ein so niedriger Druck erreicht ist, dass Wasser bei Raumtemperatur »kocht«.

Da reine Zahlenwerte für die Feuerwehr meist geringen Nutzen haben, versucht man Relationen zu einem bestimmten Stoff herzustellen. Zur Verdeutlichung des Dampfdrucks wurde nach DIN 53170 der vielen bekannte (Diethyl-)Ether als Bezugsstoff festgelegt und die Verdunstungszahl definiert. Diethylether hat demnach die Verdunstungszahl 1. Ist die Verdunstungszahl eines Stoffes größer 1, so verdunstet der Stoff langsamer, man spricht von einer geringeren Flüchtigkeit als Diethylether. Eine Verdunstungszahl kleiner 1 bedeutet schnelleres Verdunsten, also eine relativ hohe Flüchtigkeit.

Solange kein Behältnis den Austritt der Flüssigkeitsteilchen beschränkt, geht das Verdampfen solange weiter, bis die Flüssigkeit verschwunden ist. In einem Behälter (Kesselwagen, Tankzug, Fass) stellt sich bei gleichbleibender Temperatur irgendwann eine Sättigung des gasförmigen Raums des Behälters mit Stoffteilchen ein, das Verdampfen kommt quasi zum Stillstand, der sogenannte Sättigungsdampfdruck ist erreicht. Wird die Temperatur erhöht, steigt auch der Sättigungsdampfdruck. So kann es zum Beispiel in den Sommermonaten vorkommen, dass bei hohen Außentemperaturen der Sättigungsdampfdruck in einem Kesselwagen oder Tankzug so groß wird, dass der zulässige Betriebsdruck überschritten wird und das Sicherheitsventil anspricht.

Diejenige Temperatur einer Flüssigkeit, bei welcher der Sättigungsdampfdruck dem definierten Normaldruck von 1 013 mbar (Luftdruck auf Meereshöhe) entspricht, nennt man Siedetemperatur, in Feuerwehrkreisen meist auch Siedepunkt genannt. Die Temperatur, bei der bei einem Druck von 1 013 mbar Dampf in die Flüssigphase übergeht, nennt man Taupunkt.

Bei brennbaren Flüssigkeiten gilt es jedoch noch ein paar weiter Begrifflichkeiten bzw. sicherheitstechnische Kennzahlen zu erläutern, sinnvollerweise auf der Temperaturskala von niedrigen Temperaturen zu hohen Temperaturen. Die erste relevante Kennzahl hierzu ist der Flammpunkt. Es handelt sich hierbei um die Temperatur, bei der sich Dämpfe in einer so hohen Konzentration über der Flüssigkeit entwickeln, dass sich das Dampf-Luftgemisch bei Kontakt mit einer Zündquelle entzündet. Der Dampfdruck der Flüssigkeit ist am Flammpunkt so groß, dass es zwar zu einer Entzündung kommt, er ist aber so gering, dass nicht genügend weiterer Dampf entsteht, damit es selbstständig weiterbrennt. Entfernt man die Zündquelle, geht die Flamme wieder aus.

Bild 12: Darstellung unterschiedlicher Flammpunkte in einer nach oben und unten offenen Flammpunktskala (Quelle: Roy Bergdoll)

Ab einer bestimmten Temperatur entwickelt sich über der Flüssigkeit jedoch so viel Dampf, dass sich das Dampf-Luftgemisch beim Kontakt mit einer Zündquelle entzündet und von selbst weiterbrennt. Diesen Temperaturbereich nennt man Brennpunkt. Hält man die Zündquelle am Flammpunkt weiter über die Flüssigkeit, so ist bei vielen brennbaren Flüssigkeiten relativ schnelle der Brennpunkt erreicht. Tabelle 1 zeigt auf, wie nahe zum Teil Flamm- und Brennpunkt beieinanderliegen, so dass eine Unterscheidung von beiden im Feuerwehreinsatz keine wesentliche Rolle spielt.

Merke:

Je niedriger der Flammpunkt ist, umso geringer ist auch die Differenz zwischen Flamm- und Brennpunkt.

Tabelle 1: Beispiele für Flammpunkte und Brennpunkte einiger brennbarer Flüssigkeiten

Flammpunkt [°C]Brennpunkt [°C]

Oberhalb von Flamm- und Brennpunkt liegt der bereits erwähnte Siedepunkt bzw. die Siedetemperatur. Oberhalb der Siedetemperatur folgen bei brennbaren Flüssigkeiten und Gasen, aber auch bei brennbaren festen Stoffen, Zündtemperatur, Mindestverbrennungstemperatur und Brandtemperatur. Die drei letztgenannten Begriffe werden im Kapitel 4 »Voraussetzung Zündenergie« näher erläutert.

Bild 13: Nicht maßstabgetreue Darstellung der relativen Lage der für die Verbrennung wichtigsten Temperaturpunkte. Die Reihenfolge ist bei jedem brennbaren Stoff gleich. (Quelle: Roy Bergdoll)