Für stationäre Energiespeicher mit Lithium-Ionen-Batterien, die z.B. gekoppelt mit PV-Anlagen bereits heute zahlreich in Wohngebäuden installiert sind, bestehen im Gegensatz zu mobilen Anwendungen kaum angepasste sicherheitsrelevante Normen und Richtlinien. Technische Fehler, wie sie nicht zu 100% zu vermeiden sind, dieser Systeme können zu Bränden führen. Aufgrund des damit einhergehenden Vertrauensverlustes auf Verbraucherseite sowie der mit hohen Brandrisiken einhergehenden Nichtversicherbarkeit von Heimspeichern kann es zu einem Zusammenbruch dieses noch jungen Marktes kommen.

Daher sind für diese Technologien neuartige und geeignete Schutzkonzepte zu entwickeln und zu normen. Das von uns verfolgte Konzept sieht für alle Batteriesysteme eine diversitär-redundante Sicherheit auf drei Ebenen vor:

Ebene 1 - Sensorik

Das Batterie-Management-System dient der permanenten und redundanten Überwachung der Batteriegrenzwerte. Dabei werden die kritischen Betriebszustände aller Zellen, wie etwa Überladen, Tiefentladen, Überstrom, Kurzschluss oder Temperatur, permanent überwacht und mittels einer entsprechenden Ladesteuerung auf Zellebene vermieden. Da bei einem Ausfall der Spannungsmessung das Gesamtsystem abgeschaltet wird, ist eine diversitäre Redundanz des Systems erforderlich und damit eine Überwachung des Managementsystems auf Ebene 2.

Der Einsatz der vom Fraunhofer HHI entwickelten Glasfasersensorik zur Erfassung von Strom, Temperatur und Dehnung ermöglicht eine über konventionelle Messtechnik hinausgehende Überwachung und kann in übliche BMS integriert werden.

methodik 3saeulenEbene 2 - Elektrik

Im Fehlerfall, insbesondere bei Kurzschlüssen, wird das Batteriesystem schnell und sicher abgeschaltet. Insbesondere Lithium-Ionen-Batterien haben einen sehr geringen Innenwiderstand, der bei externen Kurzschlüssen in sehr kurzer Zeit zu sehr hohen Kurzschlussströmen mit entsprechendem Gefahrenpotenzial führt. Die somit erforderliche schnelle Abschaltung von hohen DC-Ladeströmen ist technisch anspruchsvoll, da die zu verwendenden Schalter hohe Spannungen und hohe Ströme sehr schnell abschalten können müssen. Zudem wird bei Kurzschluss eine allpolige Abschaltung der Batterie vorgesehen. Für den Fall des Versagens der Leistungsschalter werden als Sicherheitsreserve Schmelzsicherungen auf dieser Ebene integriert. Beim falschen Laden des Systems erkennt das engmaschige Glasfaser-Messsystem mit orts- und zeitaufgelösten Temperatur- und Druckmesswerten auf der Zellebene frühzeitig sich anbahnende Fehler und veranlasst eine rechtzeitige Abschaltung der Leistungsgrößen.

Ebene 3 - Schutzhülle

Schließlich sind die Batterien in brandhemmende Gehäuse einzubauen, deren Hauptfunktionen im Schutz der innenliegenden Lithium-Zellen vor einem thermischen Durchgehen und dem Schutz vor mechanischen Einwirkungen liegen. Elemente dieser Sicherheitsebene stellen u.a. der Schutz vor Berührungen/Stromschlägen und die Temperierung bzw. thermische Isolation der Zellen und Module dar. Sie stellen darüber hinaus eine letzte Schutzschicht zur Verzögerung eines Brandes bzw. dessen Eindämmung dar. Eine Auskleidung der Gehäusekomponenten mit brandhemmenden Materialien sowie eine angepasste aktive Löscheinrichtung komplettieren die Schutzmaßnahmen auf der dritten Ebene.

Batterie-Risiko-Management

Für die sichere Installation und insbesondere für den sicheren Betrieb eines Batteriesystems sind zusammenfassend also ausreichende Vorkehrungen zu treffen.

Neben der reinen Überwachung und Beobachtung der Batterieparameter sind für den sicheren Betrieb weitere - unter Umständen auch externe - Einflussgrößen zu betrachten, die für die Beherrschung von Gefahrensituationen nötig sind. Dieses kann z.B. mit dem jeweiligen Einsatzort, der Anwendung und den technischen Randbedingungen variieren. Insgesamt ist für den sicheren Betrieb eines Batteriesystems also ein entsprechendes Batterie-Risiko-Management vorzusehen. Bei Fragen hierzu stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung.

Batterie Risiko Management blau 400

Mit der zunehmenden Entwicklung und Nutzung unterschiedlichster Batterie-Speichertechnologien stellen sich für Forscherinnen und Forscher kontinuierlich neue Herausforderungen. Dabei tragen vor allem neuartige Hochenergie-/Hochleistungsstromspeicher für mobile und stationäre Anwendungen dem stetigen Fortschritt und dem Gelingen der Energiewende bei.

Auf dem Batterie-Sicherheitscampus werden Forschungsarbeiten zur sicheren Anwendung von Batterien ausgehend von kleinen Halbzellen bis hin zu großen Batteriesystemen durchgeführt. Durch die besondere, systemübergreifende Bündelung von Kompetenzen aus der elektrochemischen Verfahrenstechnik, der Sensorik und weiteren Ingenieursdisziplinen, lassen sich komplexe Problemstellungen ausführlich bearbeiten.

Im Themenfeld der Elektromobilität werden bspw. größere Reichweiten von Elektrofahrzeugen mit möglichst kompakten Batterien und sehr hohen Kapazitäten sowie einer schnellen und sicheren Ladetechnik benötigt. Auf dem Batterie-Sicherheitscampus wird diesbezüglich neben weiteren Projekten das ambitionierte Ziel verfolgt, in einem kurzen Ladevorgang von etwa 10 Minuten eine Reichweite von 500 km mit 100 % erneuerbaren Energien und minimaler Netz- und Batteriebelastung zu laden.

Eine Batterie muss in jeder Situation sicher und zuverlässig sein und darf auch unter Extrembedingungen nicht unkontrolliert in Flammen aufgehen. Um dies zu gewährleisten, wurde ein dreistufiges Sicherheitskonzept erstellt. Dieses wird fortlaufend an aktuelle Fragestellungen angepasst und weiterentwickelt. Dabei werden neben einer hochpräzisen und innovativen Sensorik auch verschiedene Betriebsstrategien und Sicherheitsmechanismen entwickelt und integriert.

Im Fokus weiterer Forschungsarbeiten steht unter anderem auch die Entwicklung von Metall-Luft-Batterien, die vor allem der Elektromobilität zum Durchbruch verhelfen sollen. Diese Systeme ziehen den Sauerstoff aus der Umgebungsluft und geben ihn beim Laden wieder ab, wodurch die Energiedichte im Vergleich zu heutigen Lithiumbatterien deutlich erhöht wird. Beim Entladen verändern sich „atmende“ Batterien chemisch irreversibel und lassen sich derzeit noch nicht langlebig wieder aufladen. Auch sind die aktuellen Ladetechnologien noch nicht ausgereift; eine zu schnelle Ladung verändert durch die entstehende Wärme die Elektrodenmaterialien und kann letztlich zum Bersten der Batterien führen. Eine angepasste Flüssigkeitskühlung stellt hier eine Lösungsalternative dar.

Das Kernstück der apparativen Ausstattung stellt das „Batterie- und Sensoriktestzentrum“ dar, welches auf 1.500qm Fläche unter anderem die Durchführung von elektrischen, dynamischen Belastungstests bis zu 1000V/1200A, d.h. 1,2MW, bis in Grenzbereiche hinein ermöglicht.

Neuartige faseroptische Sensorsysteme erfassen physikalische Eigenschaften von Zellen und Batteriesystemen sowie die orts- und zeitaufgelöste Wärmeentwicklung oder Ausdehnung in Echtzeit. Die Gasanalytik dient der Untersuchung und wissenschaftlichen Interpretation entstehender Schadgase im Falle eines Ausgasens oder Abbrandes der getesteten Batterien. Darüber hinaus lassen sich Batteriesysteme auch unter kontrollierten klimatischen Bedingungen auf ihre Funktionsfähigkeit hin untersuchen. Ferner verfügt das Batterie- und Sensoriktestzentrum über zwei Brandprüföfen mit nachgeschalteter Rauchgasreinigungsanlage, in welchen thermische Belastungstests (z.B. Temperatureinheitskurve, Fuel Fire Test) durchgeführt werden können.

Mit dieser apparativen Ausstattung wird das Verhalten von Batterien in Extremsituationen systematisch und umfassend erfasst, um angepasste Sicherheitskonzepte entwickeln und erproben zu können.

Gemeinsam mit unseren Partnern bieten wir darüber hinaus Konzepte zur fachgerechten Entsorgung Ihrer Batterien an.

Einzigartige Kombination von Forschungsanlagen

Der Batterie-Sicherheitscampus Deutschland verfügt über eine einzigartige Kombination von Forschungsanlagen für die Entwicklung und den Test innovativer Speichersysteme für mobile und stationäre Anwendungen.

Im Spannungsfeld von Sicherheit-Zuverlässigkeit-Langlebigkeit und Wirtschaftlichkeit von mobilen und stationären Batteriesystemen der nächsten und übernächsten Generation im Kontext eines strombasierten Energiesystems arbeiten in Goslar ausgewiesene Forscherinnen und Forscher universitärer und außer-universitärer Forschungseinrichtungen sowie innovative Unternehmen u.a. aus den Bereichen Sicherheitstechnik und Sensorik an einem Ort am Thema Batteriesicherheit zusammen. Diese Bündelung der wissenschaftlichen Kompetenzen in Kooperation mit der Wirtschaft am selben Ort beschleunigt den Weg von der Idee hin zu marktreifen Produkten.

Die folgenden Projekte und Referenzen dokumentieren die am Standort vorhandene außerordentliche Forschungskompetenz: