TREND Energiespeicher: Sicherer Strom

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Li-Ionen-Speicher vereinen Brennstoff und Zündquelle in einem Gehäuse. Das erfordert nicht nur im „elektromobilen“ Bereich umfangreiche Sicherheitsmassnahmen.

Leistungsfähige wiederaufladbare Batterien sind eine der wichtigsten Komponenten von Elektro- und Hybridfahrzeugen. Sie speichern mittlerweile mehr als doppelt so viel Energie pro Gewicht wie die ersten kommerziellen Versionen von Sony aus dem Jahr 1991. Die immensen Speicherkapazitäten bergen aber auch Gefahren wie etwa die Selbstentzündungen durch technische Defekte, elektrische Überladung oder mangelhafte Kühlung.

Deshalb wird weltweit nicht nur an der Verbesserung von Kapazität und Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien geforscht, sondern auch an Sicherheitsaspekten. Dabei hat ihr Einsatz in kommerziellen Elektrofahrzeugen durch Standards und Normen schon eine hohe Sicherheitsstufe erreicht. Ein ausgeklügeltes System überwacht laufend wichtige Parameter wie Stromstärke, Spannung, Temperatur und Ladezustand. Eine Klimatisierung sorgt dafür, dass die Temperatur in den Zellen stets im unkritischen Bereich zwischen 35 und 40 Grad Celsius pendelt.

Gefährlich hohe Energiedichten

Kostengünstige Hochenergiezelle auf Basis der Lithium-Schwefel-Technologie mit Energiedichten von über 600 Wh/kg. (Bild Fraunhofer IWS)
Kostengünstige Hochenergiezelle auf Basis der Lithium-Schwefel-Technologie mit Energiedichten von über 600 Wh/kg. (Bild Fraunhofer IWS)

Experten warnen allerdings schon vor Super-Akkus, die mit neuen Material-Kombinationen die geforderten höheren Energiedichten ermöglichen, aber auch ein höheres Gefährdungspotential darstellen, da das Batteriemanagement aufwendiger und störanfälliger wird.

Dass das nicht so sein muss, zeigt das Verbundprojekt EiSiBatt (Eigensichere Batterie). In dem vom deutschen Wirtschaftsministerium geförderten Projekt haben Siemens-Forscher mit neuen Materialien und weiteren Optimierungen Lithium-Ionen-Batterien entwickelt, die erstmals auch bei Überladung sehr sicher sind und deren Ladezyklenzahl mit 20.000 weit über dem bisherigen Spitzenwert von rund 5000 liegt. Die Anode der neuen Zellen ist nicht wie sonst üblich aus Graphit, sondern aus Lithiumtitanat, und für die Kathode verwenden die Experten Lithium­eisenphosphat statt eines Lithium­metalloxids.

Lithium-Ionen-Batterien zuhause

Anders sieht es da bei dem noch jungen Markt der Batterie-Heimspeicher etwa für Photovoltaik-Anlagen aus. Hier besteht in Sachen Sicherheit noch Nachholbedarf. Das Projekt Competence E am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat deswegen Transport- und Betriebssicherheit stationärer Batteriespeicher untersucht und einen Checkliste entwickelt, mit der auch Nicht-Experten die Spreu vom Weizen trennen können.

Denn leider wenden auf dem jungen Markt der Batterie-Heimspeicher nicht alle Hersteller die „Goldenen Regeln“ für Batteriesicherheit an. Dazu gehören die Zertifikate UN38.3 auf Batterie- und auf Zellebene, der Entwurf der DIN EN 62619 und funktionale Sicherheitsprüfung gemäß ISO Sicherheits Integrations Level (SIL). Dass es schwarze Schafe in der Branche gibt, belegen die Einsatzberichte von Feuerwehren, die defekte Batteriespeicher als Brandursache aufführen. Auch aktuelle, eigene Tests des Projekts Competence E an kommerziellen stationären Batteriespeichern haben gezeigt, dass die Systeme zum Teil nicht den Sicherheitsstandards entsprechen.

Dabei lassen sich stationäre Speicher mit vergleichsweise einfachen Maßnahmen auch sehr sicher konstruieren und betreiben. So kann beispielsweise durch eine allpolige Abschaltung der Batterie, also die Trennung beider Batteriepole vom Netz, im Falle drohender Überspannung eine Überladung zuverlässig verhindert werden, wenn die Schalter durch unabhängig voneinander arbeitende Sicherheitssysteme ausgelöst werden.

Lithium-Ionen-Zellen ZWS

Im ZWS Labor für Batterietechnologie (eLaB) werden künftig Unternehmen Verfahren zur Herstellung großer automobiltauglicher Lithium-Ionen-Zellen entwickeln. (Bild ZWS)