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.
Ebene 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.
