Die Sicherheit von Batteriespeichersystemen (BESS) hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht. Statistiken zeigen, dass Systemausfälle im Verhältnis zum rapiden Wachstum der installierten Anlagen weltweit seltener werden. Dieser Erfolg ist auf technologische Weiterentwicklungen, bewährte Industriepraktiken und die Evolution von Normen und Standards zurückzuführen. Doch trotz aller Fortschritte bleibt das Risiko eines thermischen Durchgehens – der Hauptursache für Brände in Lithium-Ionen-Batterien – bestehen. Daher setzen Entwickler und Betreiber auf innovative Schutz- und Eindämmungssysteme, um potenzielle Gefahren zu minimieren.
Wichtige Erkenntnisse
- Moderne BESS sind sicherer durch LFP-Zellen und optimierte Gehäuse.
- Früherkennung von thermischem Durchgehen ist entscheidend, oft durch Abgasdetektion.
- Immersion Cooling bietet eine direkte Methode zur Wärmeregulierung auf Zellebene.
- Aerosol- und Inertgas-Löschsysteme bekämpfen Brände effektiv.
- Zellenbarrieren verhindern die Ausbreitung von Wärme innerhalb des Batteriepacks.
Fortschritte in der Batteriesicherheit
Die Industrie hat aus früheren Vorfällen gelernt. Ein Beispiel ist das 300-MW-System in Moss Landing, Kalifornien, das durch einen Brand zerstört wurde. Es nutzte noch die anfälligere Nickel-Mangan-Kobalt (NMC) Lithium-Ionen-Chemie und war in einem umfunktionierten Gebäude untergebracht, was die Brandausbreitung begünstigte. Heute verwenden fast alle netzgekoppelten Lithium-Ionen-Systeme Lithium-Eisenphosphat (LFP) Zellen. Diese Zellen sind deutlich toleranter gegenüber thermischen und mechanischen Schwankungen als NMC-Zellen.
Zudem werden BESS-Gehäuse heute meist im Freien platziert und so konzipiert, dass sich Feuer innerhalb einer Einheit nicht auf benachbarte Container oder andere Anlagen ausbreitet. Normen wie NFPA 855 und UL9540A schreiben mittlerweile umfangreiche Brandtests vor. Dabei wird eine BESS-Einheit absichtlich in Brand gesetzt, um das Verhalten unter Worst-Case-Szenarien zu analysieren und die Wirksamkeit der Eindämmungsstrategien zu überprüfen.
Faktencheck
Das thermische Durchgehen kann durch Überladung, interne Kurzschlüsse, mechanische Belastung, fehlerhafte Komponenten, Fehler im Batteriemanagementsystem (BMS) oder hohe Umgebungstemperaturen ausgelöst werden.
Früherkennung durch Abgasdetektion
Eine der effektivsten präventiven Maßnahmen ist die frühzeitige Erkennung von Warnsignalen, bevor ein Brand überhaupt ausbricht. Hier setzt die Abgasdetektion an. Hochsensible Gassensoren identifizieren flüchtige organische Verbindungen (VOCs), Wasserstoff, Kohlenmonoxid und brennbare Kohlenwasserstoffe, die von der Batterie freigesetzt werden, lange bevor Rauch oder Feuer sichtbar werden.
Xtralis und Honeywell haben den Li-ion Tamer Sensor entwickelt, der diese Gase erkennt. Das System besteht aus Sensoren, einem Hub, Schaltern und einem Controller. Die Sensorknoten, ausgestattet mit Gas-, Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren, werden an den Batterieregalen installiert. Sie sind zellagnostisch, also mit verschiedenen Lithium-Ionen-Chemien und Formfaktoren kompatibel. Bei Erkennung von Abgasen wird eine Reaktion eingeleitet, um ein kritisches Versagen zu verhindern.
„Die frühzeitige Identifizierung von Warnzeichen vor dem Ausbruch eines thermischen Durchgehens ist entscheidend für ein schnelles Eingreifen und um zu verhindern, dass das Feuer außer Kontrolle gerät.“
Der Li-ion Tamer Controller kann bis zu 100 Sensoren verwalten und hat eine Lebensdauer von mindestens 10 Jahren. Die integrierten Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren messen Temperaturen zwischen -40 und 125°C mit einer Genauigkeit von ± 0,4°C und relative Luftfeuchtigkeit zwischen 0-100% mit einer Genauigkeit von ± 2,0%.
Immersion Cooling: Direkte Wärmeableitung
Ein weiterer präventiver Ansatz ist das Immersion Cooling, bei dem die Batteriezellen vollständig in eine nicht-leitende (dielektrische) Flüssigkeit getaucht werden. Diese Methode adressiert die Wurzel des Problems: die große Wärmemenge auf Zellebene. Die dielektrische Natur der Flüssigkeit verhindert elektrische Kurzschlüsse.
EticaAG hat eine solche dielektrische Kühlflüssigkeit entwickelt. Sie absorbiert Wärme und verhindert die elektrische Leitung. Der direkte Kontakt zwischen Flüssigkeit und Zellen eliminiert das Risiko der Hotspot-Bildung und verbessert die Wärmeverteilung. Dies verhindert, dass sich Wärme auf benachbarte Zellen ausbreitet und das thermische Durchgehen fortschreitet.
Hintergrund Immersion Cooling
Im Gegensatz zur Luftkühlung ist die Immersion Cooling eine effizientere Methode, da die Flüssigkeit einen direkten und gleichmäßigen Wärmeaustausch ermöglicht. Das System von EticaAG ist als Zirkulationssystem konzipiert. Die Kühlflüssigkeit nimmt Wärme von den Zellen auf, fließt zu einem Reservoir zur Wärmeabfuhr und wird dann wieder in den Kreislauf gepumpt. Dies verhindert thermische Gradienten, welche die Effektivität der Kühlung mindern könnten. Das Batteriemanagementsystem (BMS) steuert diesen Kühlkreislauf.
EticaAG gibt an, dass ihr Immersion-Cooling-System für verschiedene BESS-Anwendungen geeignet ist, von Rechenzentrums-Backups über große Speicher für erneuerbare Energien bis hin zu Ladestationen für Elektrofahrzeuge.
Aktive Brandbekämpfungssysteme
Wenn ein thermisches Durchgehen nicht verhindert werden kann und ein Brand ausbricht, sind robuste aktive Brandbekämpfungsmethoden unerlässlich, um das Feuer einzudämmen. StatX hat ein Aerosol-Löschsystem entwickelt, das feine Partikel freisetzt, um die Verbrennung zu unterbrechen.
- Die Einheiten von StatX wirken als Totalflutungsanlagen.
- Sie löschen Brände der Klassen A, B und C.
- Die kompakten, eigenständigen Einheiten benötigen keine externe Verrohrung und können daher leicht in bestehende BESS-Anlagen nachgerüstet werden.
Die Löscheinheiten können auf zwei Arten aktiviert werden: direkt über Rauchmelder oder über ein integriertes thermisches Detektions- und Aktivierungssystem. Bei Aktivierung wird eine ultrafeine Aerosolsuspension aus hochionisierten Kaliumpartikeln freigesetzt. Diese Partikel binden freie Radikale, die den Verbrennungsprozess antreiben, und unterbrechen so die chemische Kettenreaktion des Feuers. Die Partikel bleiben lange in der Luft, um ein Wiederaufflammen zu verhindern.
Eine weitere Löschmethode nutzt Inertgase wie Stickstoff und Argon. Diese Gase reduzieren die Sauerstoffkonzentration in der Nähe des Brandes und ersticken ihn so aktiv. Siemens bietet das Stickstoff-basierte System Sinorix NXN N2 für Lithium-Ionen-BESS an. Es hinterlässt keine Rückstände, was die Reinigung vereinfacht, und kann nach Entladung durch Zylinderwechsel schnell wieder befüllt werden. Auch diese Systeme lassen sich mit Rauchmeldern koppeln.
Zellenbarrieren: Schutz auf kleinster Ebene
Neben den externen Präventions- und Löschsystemen gibt es auch Lösungen, die direkt auf Zellebene ansetzen. Die Integration von thermisch leitfähigen Materialien beim Design der Zellen und Packs kann dazu beitragen, Wärme auf fundamentaler Ebene abzuleiten und eine zusätzliche Sicherheitsschicht zu schaffen.
Tecman hat verschiedene thermische Durchgehens-Zellenbarrieren entwickelt, darunter gerahmte Anti-Thermal-Propagation (ATP)-Pads und gekapselte ATP-Pads. Diese Barrieren sollen die Wärmeübertragung zwischen den Zellen während eines thermischen Durchgehens verhindern. Sie bieten außerdem Platz für Ausdehnung und sind mechanisch robust. Tecmans ATP-Pads können in bestehende Batterieproduktionslinien integriert und mit verschiedenen Zellgrößen verwendet werden.
Die gerahmten ATP-Pads verfügen über eine physische Abstandshalterschicht, die genügend Raum für die Zellausdehnung lässt. Isolierende Materialien verhindern die Wärmeausbreitung. Die gekapselte Version der ATP-Pads ist zusätzlich mit einer Folie umhüllt, die den dielektrischen Durchschlagwiderstand verbessert und das Risiko minimiert, dass Fremdkörper die Pads beeinträchtigen.
Die Auswahl der besten Methode hängt von Faktoren wie Budget und der spezifischen Installationsumgebung ab. In einigen Fällen, wo ein Container isoliert ist, kann es sogar die praktikabelste Lösung sein, den betroffenen Container kontrolliert ausbrennen zu lassen und anschließend zu ersetzen. Die Kombination dieser verschiedenen Schutzschichten trägt maßgeblich zur Erhöhung der Sicherheit von Batteriespeichersystemen bei.
