Toni Schmeida über Speichersicherheit & Batteriebrände

Welche Zellchemie dominiert derzeit den BESS-Markt und warum hat sie sich durchgesetzt? Welche Herausforderungen in Bezug auf Sicherheit bringt sie mit?

Schon seit einigen Jahren hat sich LFP (Lithium-Eisenphosphat) bei stationären Speichern weitgehend gegenüber NMC (Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid) durchgesetzt. Gründe dafür sind vor allem die niedrigeren Kosten, die hohe Zyklenfestigkeit und der Verzicht auf umweltschädliches Nickel und Kobalt. LFP bietet zudem im Brandfall einen Sicherheitsvorteil durch weit höhere thermische Stabilität des Materials. Es setzt auch bei hohen Temperaturen kaum Sauerstoff frei, das heißt, ein Feuer kann sich chemisch nicht so leicht selbst anfachen. Jedoch hat auch LFP ein gewisses Risiko für Brandentstehung. Je höher die Kapazität und damit die Größe einer Zelle ist, desto gravierender ist der Brand im Ernstfall. Da LFP eine geringere Energiedichte hat als NMC, sind die Zellen in den vergangenen Jahren gewachsen. Jede einzelne Zelle enthält heute eine größere Menge hochentzündlichen Elektrolyts. Im Ernstfall können dadurch explosionsfähige Gase, wie Wasserstoff, entstehen.
In aktuellen Speichersystemen sind eine Reihe von Sicherheitsvorrichtungen integriert, um mit diesen Brandrisiken umzugehen. Automatische Löscheinrichtungen und Leerrohre zur Löschwasserzuführung sind de facto Standard. Bei den notwendigen Zertifizierungen werden sie auch durch großskalige Brandversuche auf ihre Wirksamkeit überprüft. Zertifikate gelten jedoch für Neuanlagen. Ob reaktive Löschanlagen auch bei gealterten, geschädigten Zellen rechtzeitig greifen, bleibt fraglich. Speicher-Sicherheit entsteht deshalb nicht erst beim Löschen, sondern wenn wir Zellveränderungen im Betrieb so frühzeitig erkennen, dass es gar nicht erst zum Brand kommt.

Gibt es aktuell oder perspektivisch ernstzunehmende Alternativen zu LFP und NMC?

Ich glaube, dass wir in Zukunft einen deutlichen Zuwachs von Natrium-Ionen-Batterien (SIB) sehen werden. Auch wenn hier nochmals Abstriche in der Energiedichte gemacht werden müssen, verspricht die Technologie deutlich verbesserte Sicherheit. Einige Projekte mit Natrium-Ionen-Batterien sind bereits umgesetzt, jedoch ist die Forschung dort noch nicht am Ende. Und auch diese Technologie kommt nicht ohne Risiken daher. Keine Zellchemie ist absolut risikofrei. Auch alternative Batterietechnologien unterliegen elektrochemischer Alterung.

Ändert eine neue Zellchemie wie Natrium-Ionen etwas an der Notwendigkeit von Überwachung und Analyse der Batterien?

Nein, jedes komplexe System, das auf elektrochemischen Speichern basiert, erfordert ein lückenloses Monitoring über den gesamten Lebenszyklus. Hier ist nicht nur das Thema Sicherheit zu betrachten, sondern auch die Aufrechterhaltung der Leistungsfähigkeit und die Maximierung der Nutzungsdauer. Schließlich haben wir eine weltweite Umstellung unserer Energieversorgung trotz begrenzter Ressourcen zu meistern.

Wenn von einem „Batteriebrand“ gesprochen wird: Was passiert da physikalisch und chemisch genau?

Hier ist im Detail nach Batteriechemie zu unterscheiden. Grundsätzlich gilt jedoch, dass ab einer bestimmten Temperatur in der Batteriezelle chemische Prozesse losgetreten werden, die zu einer Kettenreaktion führen. Diese Kettenreaktion wird auch Thermal Runaway genannt, da die sich selbst verstärkenden Prozesse zu einer kritischen Selbsterwärmung führen. Bei hoch-nickelhaltigen Chemien (NMC, NCA) ist die Besonderheit, dass sich dabei im Zellinneren Sauerstoff bildet. Dadurch lassen sich diese Batterien nicht durch Sauerstoffentzug (wie mit CO₂ oder Schaum) ersticken, sondern müssen bis zum Unterbrechen der Kettenreaktion intensiv gekühlt werden.
Auch beim Großspeicherbrand eines Lithium-Speichers (Quelle: pv magazine Deutschland) in Bautzen wurde mit Wasser gekühlt. Um ein Übergreifen auf benachbarte Module zu verhindern und die massive Wärmeentwicklung zu kontrollieren, kühlte die Feuerwehr die Container ununterbrochen mit bis zu 5.000 Litern Wasser pro Minute (Quelle: MDR).

Was sind in der Praxis die häufigsten Auslöser für einen Thermal Runaway – liegen die Ursachen eher in der Zellfertigung, bei der Montage oder im laufenden Betrieb?

Ursachen sind, wie so oft, nicht ganz klar auf einen Faktor zu reduzieren. Die Fertigungsqualität und auch die Konstruktionsweise der Zelle nehmen jedoch eine Sonderrolle ein. Werden hier Fehler gemacht, wirken sich diese direkt auf die Sicherheit der Batterie aus. Nach der Fertigung sind Beschädigungen und Fehlbetrieb, besonders der Weiterbetrieb nach Tiefentladungen, besonders risikobehaftet.

An welchem Punkt erkennt ein gutes Monitoring- & Analysesystem bereits die Vorboten eines Thermal Runaway? Und warum reichen Board-BMS Systeme für die Früherkennung nicht aus?

Ein ganz klares: it depends. Neben offensichtlichen Fehlern, wie plötzlichen Spannungseinbrüchen, gibt es langfristige Entwicklungen, die, mit genügend Erfahrung, bereits bis zu mehreren Wochen vor dem Ereignis klare Indikationen liefern können. On-Board-Monitoring wie das BMS deckt funktionell eine andere Zeitskala ab als Remote-Monitoring. Das BMS arbeitet mit den Informationen der letzten Sekunden bis Minuten und muss innerhalb von Millisekunden Entscheidungen treffen und reagieren. Daher kann es nur reaktiv arbeiten. Für eine prädiktive Entscheidung ist ein größerer Zeithorizont notwendig. Wir analysieren Betriebsdaten über mehrere Monate hinweg, um schleichende Indikatoren verlässlich zu verfolgen.

Was kann man schon bei der Beschaffung eines BESS beachten, um die Risiken eines Batteriebrandes von Anfang an zu minimieren?

Beim BESS gilt: Vertrauen ist gut, Kontrolle ist BESSer. Bereits die Auswahl eines geeigneten Lieferanten ist mehr als eine wirtschaftliche Entscheidung, denn hier liegt das größte Potential, den Projekterfolg abzusichern. Es hat sich bewährt, Herstellern wirklich in die Karten zu schauen und sich nicht auf die reine Papierlage zu verlassen. Erst wenn wir Batteriezellen bis ins Detail analysieren oder sogar im Labor zerlegen (Teardown), lässt sich die echte Qualität eines Gesamtsystems ehrlich und qualifiziert bewerten.

Über den Experten: Toni Schmeida ist Chemiker bei der NOVUM engineering GmbH und Spezialist für Batteriediagnostik und elektrochemische Alterungsprozesse.

Über NOVUM engineering GmbH: Unabhängige Beratung bei der Speicherauswahl, lückenlose Analytik im Betrieb: NOVUM engineering schützt BESS-Investments über den gesamten Lebenszyklus.

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