Stromspeicher-Sicherheit

Roman Brück (Abteilungsleiter Komponenten, Power Electronics, PV Power Plants, Zertifizierung bei der TÜV Rheinland Group) beantwortet im Interview mit Markus Linder (Technischer Direktor der SENEC GmbH) einige Fragen rund um die Batteriesicherheit und das Prüfsiegel VDE-AR-E 2510-50. Die VDE-AR-E 2510-50 ist eine Anwendungsregel des Verbands der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (VDE) in Deutschland. Diese Regel legt Anforderungen für Batteriespeicher mit Lithium-Ionen-Batterien fest, um ihre sichere Nutzung während des gesamten Lebenszyklus zu gewährleisten.

Welche Batterien werden in Stromspeichern verwendet?

In fast allen modernen Stromspeichern für Privathaushalte kommen heute Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz. Die Lithium-Ionen-Technologie, die seit 1991 auf dem Markt ist, gilt nach wie vor als die effizienteste Batterietechnologie – nicht umsonst sind Li-Ionen-Batterien der Standard in Smartphones und Notebooks, Akku-Werkzeugen, E-Autos und Pedelecs.

Aktuell ist die Lithium-Ionen-Technologie die am schnellsten wachsende Batterietechnologie weltweit.

Aufgrund seiner physikalischen und chemischen Eigenschaften eignen sich besonders Lithiumionenbatterien für Stromspeicher mit hoher Energiedichte. Entscheidend für die Leistungsfähigkeit der Lithium-Batterie ist das Kathodenmaterial. Die Kombination aus Kathodenmaterial und Anodenmaterial, welche in einer Lithiumionenbatterie verwendet werden, wirkt sich stark auf den Batteriebetrieb aus. Grafitanoden sind unabhängig von dem Kathodenmaterial besoders weit verbreitet. Als Kathodenmaterial kommen in Li-Stromspeichern hauptsächlich zwei verschiedene Klassen vor:

• Lithiumübergangsmetallschichtoxid, wie Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC) und Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium (NCA)
• Lithiummetallphosphat, wie Lithiumeisenphosphat (LFP)
   

Lithiummetalloxidzellen weisen eine höhere Energiedichte auf und eignen sich damit besonders für den mobilen Einsatz. Allgemein gilt, dass Lithiummetalloxid-Zellen höhere gravimetrische und volumetrische Energiedichten aufweisen können als Lithiumeisenphosphatzellen, d. h. in einer Batteriezelle mit dem gleichen Gewicht und Volumen lässt sich im Falle von LFP weniger Strom speichern. Jedoch überzeugt LFP mit einer höhen Zyklenfähigkeit, d. h. LFP Zellen können in der Regel für mehr Lade- und Entladezyklen belastet werden.

Von den Energiedichten alleine lässt sich jedoch nicht ohne Weiteres auf die Sicherheit der gesamten Zelle schließen. Einen entscheidenden Vorteil bietet LFP jedoch dadurch, dass bei einem System oder Zellfehler in der LFP Zelle praktisch kein Sauerstoff freigesetzt wird, welcher zu einer Selbstentzündung führen könnte.

Neben der Batteriezellchemie spielt das gesamte Batteriekonzept sowie weitere externe Faktoren und Betriebszustände, wie zum Beispiel Fertigungsqualität, Materialreinheit, Qualität der elektrischen Kontakte, Umweltfaktoren, sowie einen angemessenen Batterieschutz (durch das BMS) und weitere Gesichtspunkte.

Eine pauschale Aussage „LFP-Batterien sind sicherer als NMC-Batterien (oder umgekehrt)“ ist dementsprechend nicht sinnvoll, da die Frage der Batteriesicherheit, wie oben beschrieben, viele Aspekte umfasst.

Ausführliche Informationen zu den verschiedenen Batterietypen und allen Sicherheitsaspekten finden Sie in unserem Whitepaper zur Batteriesicherheit.

Wenn Sie sich darüber hinaus für die Frage interessieren, welcher Batterietyp besser ist, dann empfehlen wir Ihnen den folgenden Beitrag: LFP vs. NMC: Welcher Akkutyp ist besser?

Auszug aus dem pv magazine: "Qualitätssicherung: Batterien sind nur so gut wie die Zellen, aus denen sie gemacht sind, und deren Qualität ist nicht offensichtlich. Für Systemhersteller ist das nicht trivial, da sie mit ihrer Produktgarantie bei einem vorzeitigen Aus der Zellen haften. Matthias Simolka spricht über typische Probleme an Zellen und ihre Ursachen. Er arbeitet als Senior Technical Solution Engineer beim Batterieanalytik-Unternehmen Twaice.[...]".

Weitere Informationen finden Sie im pv magazine-Beitrag "Gute Zellen, schlechte Zellen" (ISSUE 02 / 2023 6. JUNI 2023).

Welche Sicherheitsrisiken gibt es bei Stromspeichern?

Das bekannteste Sicherheitsrisiko von Stromspeichern ist die Brandgefahr – obgleich das Risiko, dass ein Speicher tatsächlich Feuer fängt, minimal ist. In der Regel ist dafür ein Kurzschluss in den Batteriezellen verantwortlich. Sowohl LFP- als auch NMC/NCA-Batterien enthalten entflammbare Elektrolyte. Sind die Elektroden der Batteriezellen nicht mehr richtig voneinander isoliert, beginnt der Strom unkontrolliert zu fließen und es kann zu einer thermischen Reaktion kommen, durch die sich der verwendete Elektrolyt entzünden kann.

Neben Defekten der Batteriezellen können auch eine zu hohe Umgebungstemperatur oder eine fehlerhafte Installation des Speichers bzw. des Wechselrichters dazu führen, dass die Batteriemodule überhitzen.

Auszug aus dem pv magazine: "Risikowahrnehmung: Dass ein Batteriespeicher raucht, brennt oder gar explodiert, ist äußerst unwahrscheinlich. Nachdem einige solcher Vorfälle in jüngster Vergangenheit bekannt wurden, erscheint das Risiko jedoch weniger abstrakt. Das wirft mehrere Fragen auf: Was passiert, wenn doch einmal etwas schiefgeht? Zahlen die Versicherungen ohne Probleme. Ziehen die Prämien für Speicherbesitzer an? Wie schätzen Versicherer das Thema ein?[...]".

Weitere Informationen finden Sie im pv magazine-Beitrag "Kein Grund zur Verunsicherung" (ISSUE 02 / 2023 6. JUNI 2023).

In unserem Beitrag Stromspeicher-Brandgefahr erfahren Sie im Detail, welche Brandursachen es bei Batterien gibt und wie man im Ernstfall reagieren sollte.

Weitere Risiken für Stromspeicher

Überladung: Wird eine vollgeladene Batterie weiter beladen, steigt die Spannung innerhalb der Batteriezellen – eine Überladung kann zum Batteriebrand führen.

Wie wird das Risko einer Überladung bei Stromspeichern vermieden? 
Bei Heimspeichern reguliert die integrierte Speichersteuerung das Be- und Entladen der Batteriemodule. Haben die Batterien ihre Beladegrenze erreicht, stoppt die Steuerung automatisch den Ladevorgang.

Tiefentladung: Ein vollständiges Entladen der Batterie kann Schäden an den Batterien hervorrufen.

Wie wird das Risiko einer Tiefentladung bei Stromspeichern vermieden? 
Bei Stromspeichern der neueren Generation besteht kein Risiko für eine Tiefentladung, da im Normalbetrieb die Batteriezellen nie vollständig entladen werden. Die integrierte Speichersteuerung entlädt die Batteriemodule nur bis zu einer bestimmten Grenze.

Mehr zur Be- und Entladeleistung sowie zur nutzbaren Kapazität von Stromspeichern finden Sie in unserem Beitrag Entladeleistung beim Stromspeicher.

Sicherheitsnormen und Regulierung für Stromspeicher

In Deutschland gelten hohe Qualitäts- und Sicherheitsanforderungen an Stromspeicher. Herstellerseitig beginnt das mit der CE-Kennzeichnung. Mit diesem Kennzeichen bestätigt der Hersteller, dass der Speicher alle gesetzlichen Mindeststandards erfüllt.

Batteriesicherheit: Hohe Anforderungen an Transport und Betrieb

Die Batteriemodule sind das Herzstück jedes Speichers und für eine Nutzungsdauer von vielen Jahren vorgesehen. Dementsprechend werden in Deutschland zugelassene Batterien streng geprüft, bevor sie zum Einsatz kommen. So ist unter anderem der Transport von Lithium-Ionen-Batterien nur dann zugelassen, wenn die Batterien entsprechend der Testreihe UN 38.3 geprüft wurden. Dazu zählen eine thermische Prüfung, Höhensimulationen, Schläge und Schwingungen sowie Aufpralltest, Kurzschlüsse und Überladung. Zudem müssen alle in Speichern verwendeten Batteriemodule einen Kurzschlusstest gemäß DIN EN 62123/62619/62281 bestehen.

Nicht zuletzt unterliegen die Lithium-Ionen-Batterien im Stromspeicher genau wie alle anderen Batterien dem Batteriegesetz (BattG). Dieses 2022 novellierte Gesetz verpflichtet jeden Hersteller von Batterien, die verkauften Batterien am Ende ihrer Lebensdauer zurückzunehmen und umweltfreundlich zu entsorgen oder dem Recyclingkreislauf zuzuführen.

Wie das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien funktioniert und welche Entwicklungen noch nötig sind, erfahren Sie in unserem Beitrag Lithium-Recycling.

Wie wird sich die Sicherheit von Stromspeichern künftig entwickeln?

Es ist wahr, dass Stromspeicher durch technische Defekte, unsachgemäße Installation oder falsche Handhabung Feuer fangen können. Ebenso wahr ist aber, dass solche Vorfälle die absolute Ausnahme sind – das zeigt auch ein Blick auf die rund 1,2 Millionen installierten Stromspeicher in Deutschland.

Strenge Auflagen und Sicherheitsstandards auf der einen Seite und die rasante Entwicklung der Technologien auf der anderen Seite werden dafür sorgen, dass Speicher in Zukunft noch sicherer werden. SENEC trägt dazu unter anderem mit der Monitoring Software SENEC.SmartGuard bei, die schon heute als Standard für alle Speicher verfügbar ist und die laufend weiterentwickelt wird.

Auszug aus dem pv magazine: "Batterieauswahl: Augen auf beim Speicherkauf, sagt Tesvolt Batterie-Experte Victor Schäfer. Er erklärt, worin sich Batteriezellen unter anderem in puncto Brandschutz unterscheiden.[...]".

Weitere Informationen finden Sie im pv magazine-Beitrag "Wann sind Batteriespeicher sicher?" (ISSUE 02 / 2023 6. JUNI 2023).