Brände von Batteriespeichersystemen

Was sind Energiespeichersysteme?

Energiespeichersysteme im Allgemeinen sind genau das, was der Name impliziert – Systeme die Energie speichern um sie zu einem späteren Zeitpunkt zur Verfügung zu haben.

Energiespeichersysteme gibt es in unterschiedlichen Ausführungen. Einige Unternehmen nutzen Hydropower-Systeme, bei denen Wasser in ein Reservoir gepumpt wird. Wenn die Energie gebraucht wird, wird über den Druck des Wassers eine Turbine angetrieben, die dann Elektrizität erzeugt.

Hydropower Systeme sind sehr kostspielig und logistisch komplex. Deshalb sind sie meist nur in Installationen auf Versorgungsniveau, also mit Systemrelevanz zu finden.

Aufgrund der hohen Infrastrukturkosten steigen die meisten Unternehmen zunehmend auf Batteriespeichersysteme um.

Was sind Batterie-Energiespeichersysteme?

Solche Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) bestehen üblicherweise aus großen Lithium-Ionen-Batterien um Energie für kurze Zeit zu speichern. Die Systeme sollen dann Phasen geringer Energieproduktion oder hoher Nachfrage abfedern. Die Hauptaufgabe ist also die Stabilisierung des Versorgungsnetzes und das Vermeiden von Blackouts.

Batteriespeichersysteme für kommerzielle und private Anwendungen stellen einen kleinen – aber schnell wachsenden – Sektor der Energiespeichersysteme dar. Zunehmend werden auch in privaten Haushalten und Unternehmen, die erneuerbare Energiegeneratoren (z.B.  Solar- oder Windkraftanlagen) verwenden, Lithium-Ionen Batteriespeichersysteme installiert. Dies ermöglicht auch dort die Speicherung von Strom in Zeiten überschüssiger Produktion und ist günstiger, als den Strom an das Netz zu verkaufen und dann zu einem höheren Preis zurückzukaufen. Sie dienen auch als Backup bei Stromausfällen.

Es wird geschätzt, dass BESS einen weltweiten Marktanteil von 90% in Bezug auf Energiespeichersysteme haben. Angewandte Forschung und wirtschaftliche Maßstäbe in der Fertigung haben zu sinkenden finanziellen Ausgaben für ihre Installation geführt. Es wird prognostiziert, dass der Marktanteil von Batteriespeichersystemen auf Lithium-Ionen Basis aufgrund ihres Potenzials in den kommenden Jahren exponentiell wächst.

Wie sieht ein Lithium-Ionen Batteriespeichersystem aus?

Lithium-Ionen Batterien sind allgegenwärtig. Zweifellos besitzen Sie eine oder mehrere – in Ihrem Handy, Ihrem Laptop oder Ihrem Elektroauto. Der Grund für die weit verbreitete Verwendung ist ihre Fähigkeit, eine hohe Energiedichte in einem kleinen, leichten Gehäuse bereitzustellen.

Bei kommerziellen Installationen werden die Batterien in der Regel in Racks in Containern außerhalb der zu beliefernden Einrichtung aufbewahrt oder in speziell konstruierten Räumen im Inneren installiert.

Risiken von Energiespeichersystemen

Beim Umgang mit jeglicher Form von Energie und deren Speicherung besteht immer ein gewisses Risiko und einer damit verbundenen Gefährdung. Bei Hydropower Systemen besteht die Gefahr, dass der Sicherheitsbehälter versagt und das darin befindliche Wasser die umliegenden Bereiche flutet und beschädigt.

Batteriespeichersysteme speichern viel Energie auf kleiner Fläche. Das Design ist zwar effizient, schafft jedoch ein nicht unerhebliches Risiko, welches gemanagt werden muss. Die meisten BESS arbeiten zwar aufgrund von modernen Überwachungssystemen zuverlässig und ohne unglückliche Zwischenfälle, dennoch muss das Risiko des Ausfalls einer oder mehrerer Zellen berücksichtigt und angegangen werden.

Brandrisiko

Die Hauptrisiken von Lithium-Ionen BESS ist die Beschädigung des Batteriegehäuses oder die Überhitzung des Systems durch interne Fehler oder extern durch bspw. Feuereinwirkung. Kommt das Risikozenario erst einmal zum Tragen können giftige und entzündliche Gase freigesetzt werden, die oft zu einem Brand und möglichen Explosionen führen. Die Obliegenheiten solche Risiken zu identifizieren und Maßnahmen zu ihrer Minimierung zu ergreifen liegt beim Betreiber solcher Anlagen.

Brandablauf von Lithium-Ionen Batterien

Bevor wir uns mit den spezifischen Risikomanagementstrategien beschäftigen, ist es notwendig, die Fehlerabläufe bei Lithium-Ionen Batteriespeichersystemen zu verstehen.

Phase 1

Die Batteriezelle wird aufgrund von mechanischen Beschädigungen, internen oder externen thermischen Vorfällen oder elektrischen Störungen beeinträchtigt.

Phase 2

Kleine Mengen Gas, typischerweise Wasserstoff, entstehen und werden mit Wärme freigesetzt. Dieser Vorgang wird als „Ausgasen“ bezeichnet.

Phase 3

Mit zunehmender Hitze beginnt Rauch aus der Zelle auszuströmen. Rauch ist der beste Indikator für eine bevorstehende Entzündung der Batteriezelle und das oftmals damit verbundene „thermische Durchgehen“.

Phase 4

Es entsteht ein Brand. Die auf umliegende Zellen wirkende Hitze führt mit hoher Wahrscheinlichkeit zum „Thermal Runaway“ zusammen mit der Möglichkeit einer Explosion. Bei großen Batterieanlagen werden beim Brand teilweise so große Mengen von elektrisch leitendem Graphitstaub freigesetzt, dass auch umliegende elektrische Anlagen beschädigt werden.

Brandschutz für Lithium-Ionen Batterien

Wie kann ein Feuer in Energiespeichersystemen unter Kontrolle gebracht werden?

Um defekte Energiespeichersysteme unter Kontrolle zu bringen, gibt es zwei Zeitfenster. Das erste liegt ca. 11-12 Minuten vor dem thermischen Durchgehen, wenn sich die Batterie im Stadium des Ausgasens befindet. Mithilfe von speziellen Systemen lassen sich selbst kleinste Mengen Gas detektieren, sodass ein Batteriemanagementsystem (BMS) die Zellen abschalten kann. Das BMS dient der Überwachung der Zelle, sowie der Temperatur während der Lade- und Entladephase. Auch können Belüftungssysteme aktiviert werden, um die brennbaren Dämpfe aus dem Gehäuse des Batteriespeichersystems abzusaugen. Dadurch können bevorstehende Explosionen schon in der Entstehungsphase erkannt und Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.

Das zweite Zeitfenster liegt kurz vor der Entzündung der Zelle, wenn die Rauchentwicklung begonnen hat. Jetzt sollten Brandunterdrückungsmaßnahmen eingeleitet werden, um eine Ausbreitung des Feuers auf weitere Zellen zu verhindern.

Feuer in Lithium-Ionen Batteriespeichersystemen sind besonders problematisch. Dafür gibt es eine Reihe von Gründen:

• Der Thermal Runaway sorgt für immer neue Entzündungen umliegender Batteriezellen und sorgt dadurch für eine immer weitere Eskalation des Brandes
• Der Verbrauch der Kathoden in der Zelle erzeugt selbst Sauerstoff und damit eines der drei Grundvoraussetzungen eines Feuers
• Thermal Runaway-Ereignisse sind exotherm, das heißt sie setzen mehr Energie frei als ursprünglich als Aktivierungsenergie zugeführt wurde. Die damit verbundene Wärmefreisetzung erschwert das Löschen durch Kühlen

Bei Lithium-Ionen Batteriebränden gibt es außerdem eine Vielzahl an Stoffen die als Brennstoff in Frage kommen:

Brandklasse A:

• Isolierungen
• Polymerkomponenten

Brandklasse B:

• Elektrolyte
• Lösungsmittel

Brandklasse C:

• Wasserstoff
• Knallgas

Brandklasse D:

• Brennbare Metalle in Kathoden (momentanes Ereignis)

Das Design der Zelle führt zwangsläufig zu einem schwer zugänglichen Feuer innerhalb des Gehäuses.

Löschanlagen für Lithium-Ionen Energiespeichersysteme

Angesichts des besonderen Gefahrencharakters von Lithium-Ionen Batteriespeichersystemen sind spezielle Löschanlagen von Nöten. Bei wasserbasierten Löschanlagen kann das Löschmittel selbst Kurzschlüsse verursachen, zum anderen entstehen durch das Löschwasser unvermeidlich große Beschädigungen an der gesamten Anlage. Des Weiteren wird das Wasser durch die hohe Energie sofort in seine Bestandteile zerlegt, wodurch Wasserstoff entstehen kann. In Kombination mit Sauerstoff führt dies zu einer gefährlichen Knallgasmischung mit extrem hohen Zündpotenzial. Der Aufbau von Batteriezellen verhindert in den meisten Fällen außerdem, dass das Wasser bis an die Flamme herankommt. Dringt das verseuchte Löschwasser in das Grundwasser ein, entstehen noch weitaus erheblichere Schäden und Gefährdungen.

Gaslöschanlagen sind ebenfalls problematisch, da sie entweder durch Sauerstoffverdrängung oder Abkühlung der Anlage wirken. Beides wird jedoch von den brennenden Batteriezellen beim Brandvorgang selbst erzeugt.

Eine Option für die Löschung von Lithium-Ionen Batteriespeichersystemen dagegen sind Stat-X Aerosol Löschanlagen.

Stat-X Aerosol Löschanlagen für Lithium-Ionen Batteriespeichersysteme

Stat-X Aerosol Löschanlagen haben sich in den vergangen Jahren vielfach als Möglichkeit bewährt, Lithium-Ionen Batterien unter Kontrolle zu bringen. Aerosol Löschsysteme unterdrücken keinen Sauerstoff, sondern unterbrechen die gesamte Kettenreaktion des Feuers. Das Kaliumaerosol bindet die freien Radikale in der Flamme, sodass diese nicht mehr mit Sauerstoff reagieren können. Das Feuer wird somit innerhalb von Sekunden gelöscht. Zusätzlich entsteht ein intensiver Kühleffekt, da dem Feuer schlagartig Energie entzogen wird. Dieser Vorgang hemmt das thermische Durchgehen. Die hohe Standzeit des Aerosols sorgt außerdem für eine hohe Nachfeuersicherheit, was gerade bei Lithium-Ionen Bränden von großem Vorteil ist.

Fazit

Lithium-Ionen Batteriespeichersysteme werden in der Zukunft ohne Zweifel eine immer größer werdende Rolle spielen. Sie bieten exzellente Möglichkeiten für kurze und mittelfristige Speicherung großer Mengen Energie. Mit der steigenden Anzahl an Lithium-Ionen Batteriespeichern steigt jedoch auch die Anzahl an lebensgefährlichen Zwischenfällen durch Feuer und Explosionen solcher Systeme. Betrachtet man die besonderen Gefahren und Herausforderungen von Energiespeichern auf Lithium-Ionen Basis ist es unabdinglich auch für entsprechend geeigneter Lösungen zur Bekämpfung solcher zu sorgen.

 

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