Gefährlicher Brandrauch

Ist der Brandeinsatz ein Gefahrguteinsatz? FEUERWEHR-Autor André Piekuth zog bei den 3. Hamburger Atemschutztagen im Mai 2017 einen Vergleich.

Gefährlicher Brandrauch (Foto: M. Arning)

Noch heute trennt die Feuerwehr den Brandeinsatz von einem ABC-Einsatz. Es wurden für beide Fälle unterschiedliche Feuerwehr-Dienstvorschriften (FwDV) entworfen: die FwDV  3 (Einheiten im Lösch- und Hilfeleistungseinsatz) und die FwDV  500 (Einheiten im ABC-Einsatz). Kann man wirklich beide Einsatzszenarien so klar von­einander trennen?

In der Forschungsstelle für Brandschutztechnik an der Universität Karlsruhe (TH) wurden die chemischen Bestandteile nach Verbrennungsvorgängen untersucht. (Foto: Karlsruher Institut für Technologie)
In der Forschungsstelle für Brandschutztechnik an der Universität Karlsruhe (TH) wurden die chemischen Bestandteile nach Verbrennungsvorgängen untersucht. (Foto: Karlsruher Institut für Technologie)

Dieses Thema ist mit einigen Fragestellungen verbunden:

  • Was ist, wenn ein Gefahrstoff brennt?
  • Woher kommen solche Stoffe wie Aromaten oder gar PAK (polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe)?
  • Warum können Rauchgase durchzünden? Wenn etwas brennt, entsteht nicht brennbares Kohlendioxid (CO2).
  • Rauchgase enthalten giftige, krebserregende Gase. Wo kommen sie her und vor allem, wie hoch ist deren Konzentration?

Brände genauer betrachtet

Vielleicht lohnt es doch, sich ein Schadenfeuer genauer anzuschauen und tiefer in die Thematik von Reaktionen und ihre Umgebungsbedingungen einzusteigen.

Bei einem Feuer wird viel Wärme frei. Bei Wohnungsbränden haben wir nicht selten eine Temperatur von über 1.000  °C unter der Decke. Wärme ist Energie und diese Energie kommt aus der Reaktion von brennbarem Material mit Sauerstoff. Nehmen wir z.  B. das Verbrennen von Methan, welches ein Hauptbestandteil des Erdgases ist.

Die Ausgangsstoffe (Edukte) sind hier Methan (CH4) und Sauerstoff (O2). Sie besitzen ein viel höheres Energieniveau als die Produkte, die aus der Reaktion entstehen. In diesem Fall CO2 und H2O.

Damit die Reaktion beginnt, benötigt man Aktivierungsenergie, z.  B. in Form eines Zündfunkens, danach läuft diese Reaktion von alleine ab. Man nennt dies eine exotherme Reaktion. Chemisch betrachtet, versuchen alle Moleküle und Atome einen möglichst stabilen Zustand zu bekommen, d.  h. ein niedriges Energieniveau zu haben.

Nun herrschen bei einer Reaktion in der Regel keine optimalen Bedingungen. Man spricht dann von einer unvollständigen Reaktion. Bei der Verbrennung von Methan entsteht z.  B. auch Kohlenmonoxid (CO). Da Sauerstoff in unserer Umgebungsluft nur zu 21 Vol.-% vorliegt und damit im Falle eines Brandes nicht unerschöpflich zur Verfügung steht, sind unvollständige Reaktionen der Regelfall.

Nach jedem Brandeinsatz sollten die Einsatzkräfte, deren Persönliche Schutzausrüstung sowie die Gerätschaften dekontaminiert werden. (Foto: M. Arning)
Nach jedem Brandeinsatz sollten die Einsatzkräfte, deren Persönliche Schutzausrüstung sowie die Gerätschaften dekontaminiert werden. (Foto: M. Arning)

Kohlenmonoxid hat im Gegensatz zu Kohlen­dioxid ein höheres Energieniveau und ist noch in der Lage, weiter zu reagieren. CO bildet z. B. einen Explosionsbereich (12–74  %) aus und hat nicht nur aufgrund seiner Giftigkeit bei einigen Einsätzen der Feuerwehr schon zu Problemen geführt.

Nun wird bei einem Feuer bekanntlich viel Energie frei. Diese Energie erhitzt nicht nur die Luft, sondern kann auch einen Reaktionsverlauf ändern. Wenn man in unserem vorherigen Beispiel Methan Energie zuführt, so erhält man u.  a. Acetylen (C2H2) und Wasserstoff (H2). Diese Reaktion nennt man endotherme Reaktion.

Ein anderes Beispiel für eine endotherme Reaktion wäre Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) aus Wasser (H2O) mithilfe von Strom (Elektrolyse) entstehen zu lassen. Man steckt also Energie in das Edukt Wasser und die Produkte (H2 und O2) haben dann ein höheres Energieniveau. Das bedeutet, dass man mit weiteren Reaktionen (Knallgas) rechnen muss.

Daher kann man folgende Thesen aufstellen:

  • Ein Sauerstoffmangel führt dazu, dass der Oxidationsprozess nicht vollständig durchgeführt werden kann.
  • Die Energie, die bei einem Feuer freigesetzt wird, wird zum Teil für die Umsetzung in andere energiereichere Stoffe genutzt.

Brandversuche

Es gibt eine Ausarbeitung der Forschungsstelle für Brandschutztechnik an der Universität Karlsruhe. Zuständig für die Ausarbeitung waren Dipl.-Ing. (FH) Peter Basmer und Dr. Gerhard Zwick, Ansyco GmbH. Sie haben u. a. die Gasbestandteile in einem Brand vermessen.

In ihren ersten Versuchen haben sie mit unterschiedlichen Ausgangsstoffen eine Pyrolyse in einer Brandkammer mit 1 m3 Rauminhalt durchgeführt. Es wurde dem Material Wärme zugeführt, bis die Ausgangsstoffe ohne Flammenbildung anfingen zu rauchen/reagieren.

Die Konzentrationsangaben sind in ppm (parts per million oder ml/m3) angegeben. Als Erstes wurde PVC erhitzt. PVC bedeutet Polyvinylchlorid: Eine Kette von Kohlenwasserstoffen, in der regelmäßig ein Chloratom eingebaut ist. Die dabei entstandenen Stoffe wurden qualitativ und quantitativ ermittelt (Tabelle 1: PVC).

Messung des Giftcocktails bei Bränden (A. Piekuth)
Messung des Giftcocktails bei Bränden (A. Piekuth)

Es entsteht Chlorwasserstoff in einer Konzen­tration von 1 Vol.-% (10.000 ppm). Dieser löst sich gut in Wasser und bildet die bekannte Salzsäure aus. Phosgen ist ein chlorbasierter chemischer Kampfstoff. Ab wann werden die Konzentrationen für den Menschen gefährlich?

Grenzwerte

Der Arbeitsplatz-Grenzwert (AGW) ist die Konzentration, unter deren Einfluss ein gesunder Arbeitnehmer acht Stunden am Tag, fünf Tage die Woche, 40 Berufsjahre arbeiten darf, ohne danach körperliche Beeinträchtigungen zu bekommen. Diese Werte sind medizinisch begründet.

Da der Feuerwehrmann nicht fünf Tage an der Einsatzstelle arbeitet, gelten für ihn die Einsatztoleranzwerte (ETW), die sich auf eine Einsatzzeit von vier Stunden beziehen. Die ETW sind von der Vereinigung zur Förderung des Deutschen Brandschutzes (vfdb) festgelegt worden. Sollte die Konzentration überschritten werden, wird nach
der FwDV  500 ein Gefahrenbereich gebildet und Sonderausrüstung (mindestens PSA und unabhängiger Atemschutz) ist zu tragen.

Existiert für diesen Stoff kein ETW, so findet der Acute Exposer Guideline Level (AEGL) Anwendung. Dies ist eine dreistufige Störfall-Konzentrationswerte-Tabelle, die sich auf die Allgemeinbevölkerung bezieht. Dort sind fünf Expositionszeiträume (10 min, 30 min, 1 h, 4 h, 8 h) mit jeweils drei Stufen hinterlegt.

Ab diesen Grenzwerten kann es bei der AEGL-Stufe 1 zu spürbarem Unwohlsein, der AEGL-Stufe 2 zu schwerwiegenden, lang anhaltenden oder fluchtbehindernden Wirkungen und der AEGL-Stufe 3 zu einer letalen (tödlichen) Wirkung kommen.

Da sich in der Allgemeinbevölkerung nicht nur gesunde Menschen bewegen, sind diese Werte auf lungenvorerkrankte Menschen zu beziehen.

In den meisten Fällen sind die Einsatztoleranzwerte an die AEGL-Stufe 2 (4 h) angeglichen, allerdings gibt es auch Ausnahmen, wie z.  B. bei den oben genannten Messwerten und Benzol.

In einem weiteren Versuch des Forschungsinstituts wurden 50 g Mohairwolle und danach eine Grafikplatine pyrolysiert (Tabelle 1: Mohair, Grafikplatine).

Zimmerbrand

Die Forschungsstelle für Brandschutztechnik hat nachfolgend einen Zimmerbrand real nachgestellt und die Gase qualitativ sowie quantitativ innerhalb sowie außerhalb des Raumes vermessen. 290 kg des insgesamt 730 kg schweren Inventars wurden verbrannt. Der Raum hatte die Maße 5 m  x 5 m  x 2,6 m. Die Konzentrationen sind in ppm angegeben. Auf den AGW wurde verzichtet.

Brandgase bei einem realen Zimmerbrand (A. Piekuth)
Brandgase bei einem realen Zimmerbrand (A. Piekuth)

Die in Tabelle 2: Realbrand aufgeführten Stoffe im Abgleich zu den Grenzwerten sagen bereits genug über die Giftigkeit der freiwerdenden Stoffe aus. Zu den Versuchsergebnissen:

Die Vermessung ergab weitere Stoffe im Bereich der einfachen Kohlenwasserstoffe, die auf jeden Fall eine Begründung für einen möglichen Flashover darstellen. Nicht ermittelt wurden die sogenannten PAK, da hierfür ein anderer Versuchsaufbau notwendig gewesen wäre.

Im Mobiliar waren kaum Wertstoffe, die einen höheren Chloranteil besaßen, daher ist der Wert an Chlorwasserstoff und Phosgen eher niedrig. Dafür war der Anteil an Stickstoff höher. Hier kann man sehr schön den Unterschied zwischen Pyrolyse (reine Energiezufuhr) und frei ablaufender exothermer Reaktion (Feuer) sehen. Anstatt Ammo­niak entsteht hier ein hoher Anteil nitroser Gase.

Schwefel war in den Pyrolysetests nicht vorgekommen. Entweder war es nicht vorhanden oder die zugeführte Energie hat nicht ausgereicht, dass sich der Schwefel freisetzt und in einer anderen Verbindung wiederfindet.

Im Realbrandversuch ist die Menge an freigesetztem Schwefeldioxid nicht unerheblich.

Schutz der Einsatzkräfte

Da die meisten der ermittelten Stoffe hochgradig giftig sind und zudem sehr gut über die Haut in den Körper aufgenommen werden können, wäre es ratsam, bei allen diesen Stoffen (bis auf Kohlenmonoxid) einen hochwertigen Chemikalienschutzanzug bei der Einsatzabwicklung zu tragen. Leider verträgt der CSA die Hitze des Feuers nicht, sodass man auf eine PSA zur Brandbekämpfung zurückgreifen muss.

Da die/der Feuerwehrfrau/-mann vor einem Schaden­feuer nicht weglaufen kann, ist sie/er natürlich einer sehr hohen Schadstoffkonzentration ausgesetzt. Zudem sind die Schadstoffe erhitzt, besitzen eine sehr hohe Bewegungsenergie und können somit ohne Probleme die Schichten der PSA durchdringen.

Da die Einsatzkraft in der Regel bei der Brandbekämpfung selbst eine erhöhte Last fährt und durch den erhöhten Kreislauf schwitzt, können sich die Schadstoffe auch sehr gut auf der Hautfeuchte absetzen. „Liegen“ sie erst einmal auf der Haut, so dringen sie auch in den Körper ein. Das ist ein normaler physikalischer Prozess, der sich Permeation nennt. Hautresorptive Stoffe können dies einfach nur schneller.

Darum ist der internationale Ruf nach Einsatzstellenhygiene absolut berechtigt und dient dem Schutz aller Feuerwehrfrauen und -männer. Die Belastung mit Gefahrstoffen bei einem Brandeinsatz kann nicht außen vorgelassen werden. Daher gilt nach meiner persönlichen Einschätzung die FwDV 500 (Dekontamination zum Schutz der Einsatzkräfte) als verpflichtend.

Weitere Informationen zu den Brandversuchen: www.ffb.kit.edu/download/Brandgascocktail.pdf

André Piekuth

Diesen und weitere informative und spannende Artikel finden Sie in der neuen FEUERWEHR. Weitere Themen in Heft 10/2017 sind u. a. Brandrauch und Atemschutz, Schutzkleidung, die Florian-Messe sowie Einsatzberichte und Fahrzeugvorstellungen. Das neue Heft ist ab 5. Oktober an ausgewählten Kiosken erhältlich. Eine Übersicht finden Sie hier: www.feuerwehr-ub.de/kiosk.

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