Thermisches Durchgehen

Grundprinzip des thermischen Durchgehens

Thermisches Durchgehen (englisch: thermal runaway) ist die Überhitzung einer exothermen chemischen Reaktion oder einer technischen Apparatur durch einen sich selbst verstärkenden, Wärme erzeugenden Prozess. Die zunehmende Wärme beschleunigt den Prozess, wodurch noch mehr Wärme entsteht. Häufig kommt es zu einem Brand oder einer Explosion. Der dabei entstehende Überdruck kann die Apparatur zerstören oder zum Zerbersten führen.

Thermisches Durchgehen in der chemischen Reaktionstechnik

Exotherme chemische Reaktionen müssen gekühlt werden. Die Kühlung muss in einem dynamischen Gleichgewicht mit der Wärmeerzeugung stehen: Es muss genug Wärme abgeführt werden, damit die Reaktion nicht überhitzt, aber genügend Wärme im System bleiben, damit die Reaktion fortschreiten kann. Nach der RGT-Regel beschleunigt eine Temperaturerhöhung um 10 °C jede chemische Reaktion um den Faktor 2 bis 3.

Ein thermisches Durchgehen kann ausgelöst werden, wenn die Kühlung ausfällt oder zu schwach ist. Auch ein zu geringer Wärmetransfer aus dem Reaktionsgemisch ist gefährlich. Wird das Innere der Reaktionsmasse wegen schlechter Durchmischung nicht ausreichend erreicht, kühlen nur die äußeren Bereiche ab. Außerdem können Verunreinigungen die Reaktion beschleunigen. Dazu zählen beispielsweise Kühlflüssigkeiten wie Wasser oder Materialien aus der Reaktorwand, die teilweise sogar katalytisch wirken.

Der Vorgang kann sich anschließend durch Zersetzungsreaktionen verstärken, wenn deren Produkte wiederum reaktiv sind. Auch Defekte an Dichtungen oder am Reaktormantel können den Kontakt mit anderen reaktiven Stoffen ermöglichen. Eine Polymerisation kann zusammen mit einem Anstieg der Viskosität des Reaktionsgemischs den Wärmetransport weiter verschlechtern; als verwandter Effekt wird der Trommsdorff-Effekt genannt.

Zu den Schutzmaßnahmen gehören eine großzügig ausgelegte Kühlanlage, Vorrichtungen zum Löschen eines Brandes, Dosiereinrichtungen für Reaktionsinhibitoren sowie das Arbeiten in ausreichender Verdünnung oder das Vorhalten einer Notverdünnung.

Stabile und instabile Betriebspunkte

Bei einem Reaktor entsteht die Gefahr des thermischen Durchgehens besonders am instabilen Betriebspunkt. Allgemein kann ein Reaktor drei Betriebspunkte besitzen, an denen die durch Kühlung abgeführte Wärmemenge der durch die exotherme Reaktion erzeugten Wärmemenge entspricht.

Der stabile Betriebspunkt bei niedriger Temperatur ist selbstregulierend. Unterhalb dieses Punktes erzeugt die Reaktion mehr Wärme, als abgeführt wird; die Reaktionsmasse erwärmt sich. Oberhalb des Punktes ist die Wärmeabfuhr größer als die Reaktionsenthalpie, sodass sich die Reaktionsmasse abkühlt. Der instabile Betriebspunkt wird dagegen ständig verlassen: Bei niedrigeren Temperaturen ist die Kühlung stärker als die Reaktionsenthalpie, und der Reaktor strebt zum stabilen Betriebspunkt zurück. Bei höheren Temperaturen reicht die Kühlung nicht mehr aus, um die Reaktionsenthalpie abzuführen; der Reaktor droht durchzugehen.

Die Wärmefreisetzungskurve ist S-förmig. Bei hohen Umsätzen begrenzt die umsetzbare Masse die insgesamt freisetzbare Wärmemenge, selbst bei beliebig hoher Temperatur. Oberhalb des instabilen Betriebspunktes kann deshalb ein weiterer Schnittpunkt von Wärmeerzeugungskurve und Wärmeabfuhrgerade liegen. Dieser entspricht einem zweiten stabilen Betriebspunkt bei höherer Temperatur und höherer spezifischer Produktleistung.

Nach Möglichkeit wird ein stabiler Betriebspunkt gewählt. Ein instabiler Punkt kann in Ausnahmefällen erforderlich sein, muss dann aber durch ständige Regeleingriffe aufrechterhalten werden. Eine steigende Eintrittstemperatur des Kühlmittels oder ein verschlechterter Wärmeübergang, etwa durch Fouling, kann die Wärmeabfuhrgerade nach rechts verschieben oder flacher machen. Zunächst steigt die Betriebstemperatur nur geringfügig. Verschwindet schließlich der Schnittpunkt von Wärmeerzeugungskurve und Wärmeabfuhrgerade, geht der Reaktor ohne Vorwarnung in kurzer Zeit in den oberen instabilen Betriebspunkt über.

Thermisches Durchgehen in Akkumulatoren und Transistoren

In einem Lithium-Ionen-Akkumulator mit flüssigem, festem oder gebundenem Elektrolyten, zu dem auch Lithium-Polymer-Akkumulatoren gehören, kann ein lokaler Kurzschluss der internen Elektroden ein thermisches Durchgehen auslösen. Ursachen können eine Verunreinigung des Separators durch einen eingeschlossenen Fremdpartikel oder eine mechanische Beschädigung sein. Der Kurzschlussstrom erwärmt durch den inneren Widerstand die Umgebung der Schadstelle so stark, dass auch benachbarte Bereiche geschädigt werden. Der Prozess breitet sich aus und setzt die gespeicherte Energie in kurzer Zeit frei.

Besonders gefährdet sind Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren. Thermal Runaways wurden als Ursache für die in der Vergangenheit verstärkt aufgetretenen Brände von Laptop-Akkus angesehen. Vermutete Auslöser waren Fertigungsfehler in Verbindung mit Schwankungen der Betriebstemperatur. Bei neueren Entwicklungen soll die Brandgefahr durch eine veränderte Akkuchemie wie LiFePO₄ oder durch Verbesserungen der Zellmembran, beispielsweise keramische Beschichtungen, nahezu ausgeschlossen werden.

Auch ein Transistor kann thermisch durchgehen. Seine Überhitzung erhöht die Stromdurchlässigkeit, wodurch der Strom weiter ansteigt und das Bauteil noch stärker erhitzt wird. Bei einem Leistungs-MOSFET nimmt im durchgeschalteten Zustand mit steigender Temperatur der Drain-Source-Durchlasswiderstand zu. Dadurch steigt die Verlustleistung in der Sperrschicht. Bei unzureichender Kühlung kann diese Wärme nicht mehr ausreichend abgeführt werden; der Widerstand steigt weiter und das Bauteil wird schließlich zerstört.

Leistungstransformatoren

Bei ölgekühlten Leistungstransformatoren kann eine Verunreinigung, meist Wasser in den hygroskopischen Kühlölen, thermisches Durchgehen verursachen. Dadurch steigt der dielektrische Verlustfaktor. Der Transformator heizt sich immer stärker auf, bis es zu einer Explosion kommen kann.