Energiespeicher Vollgeladen in eine sichere Zukunft

Die Batteriespeichertechnik zählt gegenwärtig zu den größten Wachstumsmärkten der Energiewirtschaft. Doch die Branche ist noch sehr jung. Es ist keine zehn Jahre her, da wurden von einzelnen Anbietern Akkus ohne Beachtung von Sicherheits- oder Qualitätsstandards zusammengeschraubt und an PV-Anlagen angeschlossen. Die Qualität der Produkte war folglich mehr als bedenklich. Deshalb entwickelte das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) in Deutschland 2015 gemeinsam mit führenden Industrieverbänden einen Sicherheitsleitfaden für Li-Ionen-Hausspeicher. Dieser sollte dem Markt eine Orientierungshilfe bezüglich der Sicherheitsanforderungen geben, die zu erfüllen sind. Seitdem hat sich vieles verbessert; doch nur ganz wenige Speicherhersteller haben bislang durch eine externe Zertifizierung nachgewiesen, dass sie mit ihren Speichern alle Regelungen des Leitfadens erfüllen.

Sicherheit hat oberste Priorität

Lithium-Ionen-Speicher sind Blei-Gel- oder Blei-Säure-Akkus in vielerlei Hinsicht überlegen. Die Wirkungsgrade, die Entladetiefe und damit verbunden die nutzbare Speicherkapazität sind höher. Zusätzlich schaffen sie mehr Vollzyklen und haben eine deutlich höhere Energiedichte. Heimspeicher, die auf Lithium-Ionen-Technik basieren, sind hochkomplexe Produkte, für deren Entwicklung Sorgfalt und Präzision erforderlich sind. Besonders die Sicherheit des Speichersystems muss jederzeit gewährleistet sein. Dazu müssen Betriebsgrenzen strikt eingehalten werden, um kritische Betriebszustände auszuschließen. Doch dies ist leider nicht bei allen Herstellern gewährleistet. Hier trennt sich die Spreu vom Weizen.

Spannung und Temperatur müssen stimmen

Eine Batterie besteht üblicherweise aus einer Vielzahl einzelner Zellen, die in einer Serien- und/oder Parallelschaltung zu einer Batterie zusammengeschaltet werden. Jede Zelle hat dabei einen relativ engen Korridor, in dem sie sicher betrieben werden kann – eine Zell-Spannung von etwa 2,7 bis 4,2 Volt sowie ein Temperaturbereich von etwa –10 bis +50 °C. Die genauen Grenzen hängen von der chemischen Zusammensetzung der Elektroden in der Batterie ab. Sollte in einem Akku nur eine Zelle einmal den sicheren Betriebsbereich verlassen, muss das gesamte Batteriemodul abgeschaltet werden.

Wird die Zelle beispielsweise überladen, weil das Batterie-Management-System (BMS) den Ladeprozess nicht richtig kontrolliert, kann sich der Elektrolyt an der Kathode zersetzen. Dabei entstehen brennbare Gase, die sich leicht entzünden können – und das mit verheerenden Folgen. Steigt die Temperatur in der Zelle zu stark an, beispielsweise durch einen internen Kurzschluss in der Zelle, kann eine Kettenreaktion ausgelöst werden, die nicht mehr aufzuhalten ist und im schlimmsten Fall zu einem unkontrollierbaren Batteriebrand führt. Doch wie lassen sich diese Horrorszenarien sicher vermeiden?

Hochwertige Zellen und ein intelligentes BMS

Ein hohes Sicherheitsbewusstsein ist bereits bei der Produktentwicklung essenziell, damit alle Systemkomponenten und Funktionen den Sicherheitsstandards genügen. Hier kommt es darauf an, dass bereits in diesem Stadium alle nur denkbaren Gefährdungsszenarien durchgespielt werden. Die verwendeten Zellen müssen beispielsweise einen niedrigen inneren Widerstand und eine hohe intrinsische Sicherheit aufweisen. Sie dürfen nur aus Fertigungen stammen, die einem hohen Qualitätsstandard gerecht werden und diesen durch umfangreiche Prozesskontrollen auch nachweisen können. Neben sorgfältiger Bauteilauswahl muss weiterhin durch eine intelligente Steuerung des Systems verhindert werden, dass die Batterie des Speichers überhaupt erst in einen kritischen Zustand gerät. Temperatur und Widerstand jeder einzelnen Zelle sowie die Ladeströme sind folglich jederzeit durch das Batterie-Management-System zu überwachen. Dies gewährleistet, dass sich das Gerät immer innerhalb der sicheren Betriebsgrenzen bewegt und im Gefahrenfall selbst abschaltet.

Datensicherheit: Hackerangriffe vermeiden

Auch das Thema Datensicherheit der Speichersysteme muss durch die Hersteller unter allen Umständen berücksichtigt werden – das haben auch die aktuellen Hacker-Attacken auf Internetrouter gezeigt. Sollte es gelingen, von außen auf den Speicher zuzugreifen und die Sicherheitsparameter des BMS zu verändern, kann dies verheerende Folgen haben. Eine Lösung wäre zum Beispiel, den Speicher nicht mit dem Internet zu verbinden. So ist er extern nicht erreichbar.

Die Vernetzung des Speichers ist nicht zwangsläufig nötig, da das Einspielen eines Updates auch per Schnittstelle möglich ist. Informationen zur Umgebungstemperatur oder Wetterprognosen können auch über die PV-Module erfasst werden. Bei Speichern, deren Steuerung mit dem Internet verbunden ist, muss von Seiten der Hersteller ein extrem hohes Maß an Datensicherheit erreicht werden. Das bedeutet, dass beispielsweise nur Protokolle verwendet werden, die ausschließlich einen lesenden Zugriff zulassen, bei denen aber niemals Daten vom Internet aus in den Speicher gelangen dürfen.

Lithium-Ionen-Speicher sind leistungsfähige Systeme, deren sicherer Betrieb aber viel Forschungs- und Entwicklungs-Knowhow auf Seiten der Hersteller erfordert. Nur wenn die Sicherheit in jeder Entwicklungsphase des Speichers an erster Stelle steht, können potenzielle Gefahren auch tatsächlich vollständig ausgeschlossen werden.