(Stand 30.10.2023, Tim Schäfer, l. gekürzt in: „Brandschutz 2023“, Ernst & Sohn (Wiley), Berlin)
Batterien als Haus- oder Heimstromspeicher gelten als eine der wichtigen Technologien im Kampf gegen den Klimawandel, so zur nachhaltigen Speicherung von Energie aus erneuerbaren Quellen, es können auch Stromkosten gesenkt werden. Mit einem Solarstromspeicher können Haushalte, Gewerbebetriebe und andere Solarstromerzeuger den günstigen Solarstrom zudem zeitunabhängig nutzen und ihren Eigenverbrauch erhöhen. Ist der aktuelle Stromverbrauch geringer als die Erzeugung der Photovoltaikanlage, fließt der Strom nicht ins öffentliche Netz, sondern in den Solarstromspeicher – und kann bei Bedarf genutzt werden. Das sorgt für größtmögliche Unabhängigkeit (vgl. www.solarwirtschaft.de ). Auch im Hinblick auf den Brandschutz punkten innovative Batterien im Stand der Technik mit noch mehr Sicherheit, da neue Materialien und Konstruktionsmerkmale innere und äußere Sicherheitsrisiken, wie etwa Explosionen bei Havarien oder Bränden, ausschließen sollen. Alle Speicher müssen bestimmte, grundlegende Sicherheitsanforderungen erfüllen. Darüber hinaus gibt es aber Unterschiede oder Probleme (vgl. Presse zu Bränden), die zu beachten sind. Dieser Beitrag soll ausgewählte Aspekte zum Hintergrund seltener Restrisiken, Ideen zur Risikovermeidung vorzugsweise zu LiB grundlegend beleuchten.
Von den ca. 928.000 Stück Heimspeicher mit etwa 4.9 GW Speicherkapazität können viele als besonders stylisch und auch als sicher gelten (vgl. Battery Charts - (battery-charts.de), RWTH Aachen). Oder ist die versprochene Sicherheit der schönen Öko-Speicherwelt trügerisch? Die LiB-Speicher sind statistisch nicht besonders auffällig. Es gibt unschöne Zwischenvorfälle mit LiB- Batteriespeichern, mit Brand, Verpuffungen oder Rauchaustritten. E-Bike oder Pedelec Batterien für Fahrräder liegen nur bei 400- 800 Wh, also einem Bruchteil der Speicherkapazität von stationären Heim- LiB-Speichers, die deswegen besser geschützt werden sollten!
Insbesondere das Erzeugnis Heim- oder Hausspeicher mit CE-Kennzeichnung auf Basis von gasdichten Speichertechnologien aus der Familie der Lithium-Ionen-Batterien (LiB) kann Vorteile aufgrund der Effizienz, Energiedichte, dem Couloumb-Wirkungsgrad sowie einer langen Lebensdauer, die auch im teilgeladenen Betrieb erreicht wird, nachweisen. Dies geldwert und nachhaltig. Förderanreize, wie z.B. steuerliche Vorteile, hat der Gesetzgeber dauerhaft ermöglicht. Am Markt sind viele verschiedene Typen, Systeme und Bauformen erhältlich. Darunter Speicher, die ohne Nickel oder Kobalt auskommen. Manche Anbieter berufen sich darauf, dass Ihre Eisenbatterie (i.d.R. Lithiumeisenphosphat, LiFP) mithin aufgrund des einen, singulären Elektroden-Kathoden-Materials in der Zelle bereits immer völlig sicher sei. Dies ist jedoch als nicht hinreichend qualifiziert einzuschätzen.
Allein auf einer Zelltechnologie oder einer singulären Komponente basierende Aussagen, wie: „Sicherste Lithium-Technologie. Absolut eigensicher. Kein Gasen, keine Explosions- oder Brandgefahr.“, sind irreführend.
Abb. 1 Thermal Runaway (TR) – Rechts im Bild, diese Batterieanordnung: keine Kettenreaktion (TP-xTRn) vermieden!
Denn als seltenes Restrisiko kann jede Batteriezelle einmal in einen Thermal Runaway (TR) kommen, wie es Fachleute nennen. Das heißt, dass jede LiB- Batteriezelle durch Missbrauch/Beschädigung oder Fehler, Erhitzung bzw. (Zell-internen) Kurzschluss eine selbstzerstörende, exotherme Kettenreaktion mit exponentiell-schnellem Temperaturanstieg (Gefährliche Hitze!) auslösen kann, die spontan, intensiv und explosionsartig Rauch, Flammen und glühende, oft auch korrosiv wirkende Materialteile teils druckvoll auswerfen kann. Sicherlich ist LiFP als reines Kathodenmaterial in der einen singulären Zellkomponente Kathode einer LiB vergleichsweise thermisch stabiler. Dagegen ist die Rauchentwicklung unterschiedlich zu bewerten.
Es bestehen Unterschiede nach Bauform, Lade- Alterungszustand, Beschädigung oder Betriebszustand. Aufgrund der Spezifik der Heimspeicher und dem Stand der Technik der Batteriezellen selbst, ist eine spontane Zerlegung durch eingebaute Sicherheitseinrichtungen derselben eher als unwahrscheinlich einzuschätzen. Gerade in geschlossenen Räumen muss u.U. eine Rückzündung/Explosion/flash over ausgetretender Rauchgase als ein Risiko bei TR/TP bewertet werden! Eine Diversität der zielführenden Schutzlösung liegt auf der Hand, wenn in Betracht gezogen wird, dass Lithium-Ionen Batteriezellen von < 3 Ah – > 150 Ah eingesetzt werden. Die derzeit größten, kommerziell verfügbaren Batteriezellen haben etwa ein Gewicht von 6,5 kg. Die Restrisikomomente sollten auf Systemebene neutralisiert werden können, so dass im Heim keinerlei Gefährdung durch die LiB- Speicherbatterie generiert werden kann. Das fordern die Vorschriften sowie die Erwartung der Kunden, der Umweltschutz, bzw. der Schutz des Heimes ein.
Die ff. Übersicht soll hin weislich das Potenzial Gasfreisetzung von Batterien visualisieren, die freigesetzten Volumina können pro kg Batterie etwa zwischen 22-80 I liegen, in molar %, vgl. INERIS 4.IBSW Ulm 2023/ACS Energy Lett. 2022/French National Institue for Industrial Enviroment and Risk. Somit ca. 20 kg Batterie(net) = Vol max = 1600 l.
Die Sicherheit – CE muss somit explizit unter holistischem Blick auf die Batterie auf Hausspeicher-Systemebene nachgewiesen, erklärt und gewährleistet werden.
Wohlangemerkt unter Lebensdauern, die heute durchaus > 15 Jahre oder mehr betragen können, ff. Tabelle zur Übersicht:
Die oben beschriebene selbstzerlegende Kettenreaktion (TR) der Batteriezelle darf nicht dazu führen, eine Ansteckung von xnTR durch Hitzeübertragung = Thermal Propagation-(TP) in den Modulen als Batteriebaugruppen in der Batterie bzw. dem -system und darüber hinaus zu generieren. Es ist zu bemerken, dass die Brandlasttheor. einer Lithium-Ionen Hausspeicherbatterie auch ein Mehrfaches ihrer Stromspeicherkapazität betragen wird, die konkreten Daten liefert der Hersteller.
Den Produkthinweisen bzw. der Betriebsanleitung der Hersteller ist für die Anordnung und Installation/Betrieb unbedingt Folge zu leisten. Auch zur Frage eines aus TR / TP resultierenden, möglichen Restrisikos sollte der Hersteller Informationen liefern können.
Baulich sind die hier betrachteten PV Li-Ionen Hausspeicher grds. für den festen Einbau in Gebäudeteilen vorgesehen, am Markt sind auch teilmobile Batteriesysteme erhältlich. Die Installationen sollten örtlich auch für absehbare Havariefälle durchdacht und geplant erfolgen, unter dauerhafter Gewähr der angegebenen sonstigen Betriebsbedingungen, wie dem Temperaturbereich / Feuchte. In einer gegebenen Örtlichkeit sollte alternierend berücksichtigt werden, ob und welche Wasser- / Abwasserinstallationen (Waschtrockner- Abdichtung LiB Heimspeicher dauerhaft gegen Feuchtigkeit?) oder zusätzliche Brandlasten, etwa leicht brennbare Materialien, Gasanlagen usw. noch vorhanden sind.
Ein Trennschalter könnte so angeordnet werden, dass dieser sicher außerhalb des Installationsortes Batterieraum betätigt werden kann. Rauchgas-Detektoren (Rauchmelder) können warnen, wobei ein auf batterietypischen Gasaustritt bei Leckagen wirkender Sensor einen zusätzlichen Beitrag zu mehr Sicherheit erbringen kann. Schon leichte Leckagen während eines langen Betriebszeitraums eines Li-Ionen Hausspeichers können detektiert, Defekte diskret schnell erkannt sowie weitere Maßnahmen (Datencloud, Digitalisierung) zielführend umgesetzt werden, damit es zu keinem eskalierenden Ereignis kommt.
Abb. 2 Zelle- Modul- Batteriesystem für Haus-, Heim-, stationäre Speicher, die Systemebene gewährt die Sicherheit gegen seltene Restrisiken und daraus folgende Gefahrenmomente – unverbindlicher Vorschlag, ohne jede Gewähr
Eine einfache Visualisierung als Notfallplan für die Bewohner des Hauses am Hausspeicher wäre hilfreich (vgl. EMKG im Arbeitsschutz). Empfehlenswert könnte die zusätzliche Warnung sein, bei einem Materialaustritt, bei stechendem Geruch nach Lösemittel oder so klebstoffartig, dies nicht einzuatmen oder ausgetretenes Material anzufassen sowie nach Möglichkeit ungefährdet, den Trennschalter unverzüglich auszulösen und zu lüften. Stoffaustritte bedeuten immer eine Gefahr für die Gesundheit und Umwelt, können giftig, reizend, ätzend usw. sein. Hier gilt erneut, den Sicherheitshinweisen des Herstellers ist strikt Folge zu leisten. Aufgrund der langen Lebensdauern der Hausspeicher sollte regelmäßig in definierten Wartungsintervallen in geeigneter Weise von einem Fachmann geprüft werden, ob der Li-Ionen Speicher noch absehbar sicher ist oder bleibt. Das sollte insbesondere dann gelten, wenn sogenannte 2d Life Batteriezellen eingebaut worden sind, die bspw. aus einer vorherigen Nutzung in der Elektromobilität stammen. Auch die Frage Sicherheit, Korrosion (Kupfer) im Inneren oder Abscheidungen (Li-Plating) bzw. Brüche in den Übergangsschichten und dergleichen bei alternden Batterien können unter Umständen zu einem relevanten Befund führen.
Grundsätzlich sind die Anmerkungen des Beitrages als Basis für die Betrachtung anderer Batterietechnologien wie Li-Metall, Feststoff, Blei, Natrium-Ion oder Redox-Flow in Hausspeichern, natürlich in den jeweiligen Spezifika betrachtet, auch als tlw. einschlägig anzusehen.
Bei Umsetzung der CE mit Schutzkonzept-nachweis für das Speichersystem & einem qualifizierten Service, werden auch die Restrisiken für Hausspeicher immer in einem sehr hohen Maß beherrscht werden können.
Über den Autor Tim Schäfer:
> 25 Jahre Erfahrung: Markt/Entwicklung von Lithiumbatterien, war oder ist in verschiedenen Funktionen in Wirtschaft, Verbänden (ZVEI, KliB) oder Gremien, besonders zur Sicherheit in Anwendung (BATSO, VDE-DKE, IEC, KliB) oder Beförderung (Gefahrgutbeauftragter, UN 38.3., AK LBES) tätig. An der Gründung der GAIA Akkumulatorenwerke GmbH, Nordhausen war er involviert, wirkte viele Jahre in der Li-Tec Battery GmbH. Das eigene Unternehmen cerman.power+ Battery GmbH ist ein Lieferant von Komponenten oder Lithium- Batterien/- prozeß und qualifiziert diese, insbesondere hinsichtlich von Aspekten der Sicherheit, Wirtschaftlichkeit oder Umwelt. An vielen Fachbeiträgen oder Patenten ist er beteiligt.
cerman.power+ Battery – Home (lithiumionen-batterien.de)
www.envites.de
www.cermanpower.de
Literaturhinweise: 4. IBSW, Int. Battery Safety Workshop, Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg, ZSW Ulm, 2023 / 7. Deutsche Photovoltaik Betriebs- und Sicherheitskonferenz, Deutsche Gesellschaft für Sonnenergie e.V., Berlin, 2023 / et_21_3_00_1_Umschlag.indd (tum.de), 2021 / KIT - Brandschutztechnik (EBI-VBT-FFB) / Leitfaden für Integrierte Brandschutzlösungen für Lithium-Ionen-Batterien-Euralarm (Schweiz), 2022 / Rechtliche Hilfe bei Problemen mit Senec-Stromspeichern | Energyload (05.10.2023).