Wärmebilder zur Brandfrüherkennung an E-Ladestationen

Der Elektromobilität gehört die Zukunft. Steigende Zulassungszahlen für rein batterieelektrische Fahrzeuge und Plug-in-Hybride lassen daran keinen Zweifel. Auch die großen deutschen Automobilbauer haben ihre strategische Ausrichtung geändert und milliardenschwere Investitionsprogramme für Elektromobilität und Batteriefertigung aufgelegt. Das Aus für den herkömmlichen Verbrennungsmotor ist absehbar. Als Traktionsbatterien dienen Elektrofahrzeugen in der Regel Lithium-Ionen-Batterien. Neben der vergleichsweise hohen Energiedichte hat die Lithium-Ionen-Technologie aber auch einen großen Nachteil: Diese Batterien sind brennbar. Und wie alle elektrischen Geräte, die viel Strom liefern müssen, erhitzen sich auch die Komponenten einer Ladestation recht schnell. Dies hat zur Folge, dass jeder Ladevorgang mit einem gewissen Brandrisiko verbunden ist. Auch angesichts einer stetig wachsenden Ladeinfrastruktur ist es also ratsam, für eine Brandfrüherkennung an den Ladesäulen zu sorgen. Interessanterweise empfiehlt sich hier ein Technologieansatz, der in der Recyclingbranche schon länger erfolgreich im Einsatz ist: die Überwachung mit Wärmebildkameras.

In den großen Lagern und Sortierhallen der Recyclingwirtschaft sind Brände nicht leicht zu erkennen. Bevor ein klassischer Rauchmelder anschlägt, hat ein Feuer meist schon ein beträchtliches Ausmaß erreicht. Und solche Brände sind alles andere als selten: Ein Brand pro Betrieb und Quartal ist nicht unrealistisch. Die Recyclingbranche setzt darum schon länger Wärmebildkameras inklusive Künstlicher Intelligenz (KI) zur Auswertung ein, um so über die große Fläche eines Lagers hinweg Brände rechtzeitig detektieren zu können. Die Methode hat sich in internationalem Maßstab bereits bewährt. In Europa sind es nicht zuletzt französische Recyclingbetriebe, die schon in größerem Umfang auf die CNPP-zertifizierten Wärmebildkameras zur automatisierten Brandfrüherkennung vertrauen. Aktuell wird das Verfahren auf Elektroladesäulen für Fahrzeuge übertragen. Der Vorteil: Eine Wärmebildkamera kann nicht nur die einzelne Ladesäule, das Ladekabel und das angeschlossene Fahrzeug überwachen, sondern mehrere Ladeplätze gleichzeitig. Für eine entsprechend breite Perspektive auf eine größere Zahl von Ladesäulen lässt sich sorgen, indem man die Wärmebildkamera beispielsweise in einem Abstand von 50 m zur Stromtankstelle installiert.

Die Wärmekameratechnik eignet sich also auch für alle Einsatzszenarien, in denen nicht nur einzelne, sondern Gruppen von Ladesäulen zu überwachen sind. Von den Busdepots im öffentlichen Personennahverkehr über die Ladesäulen für batteriebetriebene Logistikflotten bis hin zu größeren Stromtankstellen, ob im Freien oder in Parkhäusern. Nachdem es 2021 bereits gravierende Brände in Busdepots in Düsseldorf, Hannover und Stuttgart gab, scheint der Handlungsbedarf in Sachen Überwachung des Ladevorgangs klar. Gerade in einer professionellen Ladeinfrastruktur eröffnet die Wärmebildkamera einen wichtigen Zusatznutzen, wenn sie als Bi-Spektrum- Kamera ausgelegt ist und zusätzlich zum Wärmebild auch ein Bild im sichtbaren Bereich liefert. Neben der automatisierten Auswertung des Wärmebilds für die Brandfrüherkennung ist dann sofort auch eine optische Überprüfung der etwaigen Brandmeldung möglich. Anders gesagt: Eine Bi-Spektralkamera dient zugleich der klassischen visuellen Überwachung.

Wärmebildkameras sind heute so empfindlich, dass sie Temperaturunterschiede von weniger als 40 mK (Millikelvin) erfassen können. Dies entspricht einer Temperaturauflösung von 0,04° C. Visuell dargestellt werden Temperaturunterschiede beispielsweise in Form sehr fein abgestufter Grauwerte. Damit die Brandfrüherkennung aber tatsächlich automatisiert stattfinden kann, braucht es einen KI-Algorithmus, der die Grauwertunterschiede regelbasiert interpretiert und verarbeitet. Durch die langjährige Erfahrung mit der Wärmebildtechnik in der Abfallwirtschaft berücksichtigt die Auswertungs-KI alle gängigen Quellen für Fehlalarme. So ist es heute ausgeschlossen, dass Hitzequellen wie beispielsweise Gabelstapler, Dieselmotoren oder brennende Zigaretten und ihr Rauch fälschlich als Überhitzung im Ladevorgang gedeutet werden und zu einem Alarm führen.

Mitunter sind die Bi-Spektrum-Kameras selbst bereits mit der benötigten Auswertungselektronik und künstlicher Intelligenz ausgestattet – dies macht die Installation und die Integration in ein Meldesystem denkbar einfach. Die Schnittstelle der Bi-Spektralkamera leitet dann nicht nur die beiden Bilder von der optischen und der Wärmebildkamera weiter, sondern gibt auch das Alarmierungssignal in den verschiedensten Formaten an die gewünschten Empfänger aus, ob an eine Brandmeldeanlage, an eine Leitstelle oder an die Endgeräte von Verantwortlichen. Sind mehrere solcher Netzwerkkameras installiert, etwa an unterschiedlichen Ladebereichen eines Parkplatzes oder auf verschiedenen Ebenen eines Parkhauses, sind die Meldungen über etwaige Temperaturanstiege natürlich eindeutig der jeweiligen Kamera und damit dem von ihr überwachten Bereich zugeordnet – und sogar der konkreten, einzelnen Ladestation.

Neben der hohen Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit der Wärmebildtechnik ist einer der größten Vorzüge dieses Ansatzes zur Brandfrüherkennung bei Ladevorgängen, dass die Methode Brände nicht erst erkennt, wenn sie offensichtlich sind – weil sie Temperaturen von etlichen Hundert Grad entwickeln und bereits Flammen sichtbar werden. Diese Überwachungssysteme warnen bereits vor ungewöhnlichen und besorgniserregenden Temperaturanstiegen, bevor diese zu einem nur noch schwer kontrollierbaren Brandgeschehen führen. Wenn Bi-Spektralkameras einen größeren Bereich überwachen, können die Auswertungsalgorithmen exakt differenzieren, welche Ladestation welche Temperaturentwicklung zeigt. An Station 1 ermittelt das System dann vielleicht eine Temperatur an Ladesäule, Ladekabel und Fahrzeugbatterie, die 40° C nicht übersteigt, an Station 2 mögen es 50° sein, an Station 3 aber erreicht die Temperatur mit 70° vielleicht schon einen Wert, der ein Einschreiten erfordert.

Neben Bi-Spektrum-Kameras, die entweder eine einzelne Ladesäule oder eine Gruppe von Ladesäulen abdecken, sind auch reine Wärmebildmodule nutzbar. Diese sind dann direkt in die Ladesäule integriert und überwachen das Sichtfeld unmittelbar davor: also das einzelne Elektrofahrzeug und die Temperaturentwicklung bei dessen Ladevorgang. Dies ist immer dann sinnvoll, wenn der Ladesäulenhersteller die Lösung direkt mit seiner Ladesäule kombinieren möchte, um sie dem späteren Betreiber ohne weiteren Installationsaufwand zur Verfügung zu stellen – als integriertes Sicherheitsfeature.

Bisher ist nur der kleinste Teil der Ladesäulen für die Elektromobilität mit geeigneter Überwachungstechnik zur Brandfrüherkennung und -vermeidung ausgestattet. Dabei eröffnet gerade die bewährte Wärmebildüberwachungstechnik den Weg zu mehr Sicherheit für die wachsende Ladeinfrastruktur. Denn man darf nicht vergessen: Rund 80 % aller Brände von Elektrofahrzeugen ereignen sich während des Ladevorgangs. Aber auch auf den vorangehenden Stufen der Fertigungskette lohnt der Einsatz der Überwachungstechnik: bei der Fertigung einzelner Batteriezellen und Batteriemodule bis hin zur Lagerung von Traktionsbatterien vor ihrer Montage. Moderne Wärmebildkameras sind in der Lage, selbst kleinste Temperaturunterschiede zu messen – und damit etliche Ladestationen gleichzeitig auf bedenkliche Temperatursteigerungen hin zu überwachen. Sie erkennen die Gefahr eines Brandes früh, schnell und zuverlässig. Zudem sorgen erprobte und ausgefeilte KI-Bildauswertungsalgorithmen dafür, Fehlalarme zu vermeiden und im Bild befindliche Objekte zuverlässig zu klassifizieren. Spektakuläre Brände in Busdepots sollten damit schon bald der Vergangenheit angehören.

Veli Kirim, Business Development Manager der Hikvision Deutschland GmbH.