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Beherrschbares Risiko

Brandschutz für stationäre Lithium-Ionen-Energiespeichersysteme
ep10/2020, 3 Seiten

Li-Ionen-Batterien bieten eine hohe Energiedichte auf kleinem Raum. Darum kommen sie insbesondere im Zuge der Energiewende auch in stationären elektrischen Speichern in immer mehr Gebäuden und Infrastrukturen zum Einsatz. Doch bringen diese positiven Eigenschaften auch charakteristische Brandrisiken mit sich. Eine wirkungsvolle Lösung bietet ein anwendungsspezifisches Brandschutzkonzept für stationäre Lithium-Ionen-Speichersysteme, wie es Siemens auf Basis von umfangreichen Versuchsreihen entwickelt hat. Dieses verfügt auch über eine VdS-Anerkennung.


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Mögliche Ursachen für einen solchen Thermal Runaway können sowohl innerhalb als auch außerhalb der Batteriezelle liegen. Im ersten Fall kann ein interner Kurzschluss die Ursache für den gefährlichen Temperaturanstieg sein. Der Auslöser dafür wiederum ist eine extern beigeführte mechanische Beschädigung oder ein altersbedingter Ausfall des Separators durch Dendritenbildung. Im zweiten Fall können extreme äußere Einflüsse, wie z. B. ein Gebäudebrand, dazu führen, dass die Temperatur in der Batterie über den tolerierbaren Wert steigt.

Konzept zur Vermeidung eines Thermal Runaways

Wie Versuche im Brandlabor von Siemens Smart Infrastructure in Altenrhein in der Schweiz an Lithium-Ionen-Batterien unterschiedlichster Zellchemien (getestet wurden u. a. Lithium-Kobalt-Oxid-, Lithium-Mangan-Oxid-, Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid- und Lithium-Eisenphosphat-Zellen) gezeigt haben, kündigt sich ein Thermal Runaway schon vor dem eigentlichen thermischen Durchgehen an. Ein zuverlässiger Indikator ist das ausgasende Elektrolyt. Sobald also ein Elektrolytgas auftritt, ist mit einem Thermal Runaway zu rechnen. Es bleibt dann aber noch genügend Zeit, um automatisch geeignete Gegen- bzw. Löschmaßnahmen auszulösen. Das heißt zum einen: Löschmittel in ausreichender Konzentration in den Batterieraum einzubringen, bevor der Separator der ersten Batteriezelle ausfällt. Und zum anderen über das Batteriemanagementsystem Abschaltungen vorzunehmen, die die Entwicklung eines Runaways durch Überladung oder Überlast möglicherweise noch stoppen können.

Die schnelle Flutung des Batterieraums mit dem Löschmittel verhindert, dass große Mengen an explosivem Elektrolyt-Sauerstoff-Gemisch entstehen und dass die Ausprägung eines ersten Thermal Runaways verringert sowie das Übergreifen auf benachbarte Batteriezellen gehemmt wird. Sekundärbrände und – durch eine langanhaltende Inertisierung – auch Rückzündungen sind ausgeschlossen.

Schritt 1: Detektion durch Ansaugrauchmelder

Ein entsprechendes Schutzkonzept muss also im ersten Schritt nicht nur eine zuverlässige Branderkennung erlauben, sondern auch eine möglichst frühe Elektrolytgas-Detektion. Diese Herausforderung erfüllen Ansaugrauchmelder, die mittels der Dual-Wellentechnologie sowohl elektrische Brände als auch Elektrolytgase bzw. -dämpfe auch bei hohen Luftgeschwindigkeiten und geringen Gaskonzentrationen zuverlässig erkennen.

Ansaugrauchmelder (Aspirating Smoke Detectors; ASD) entnehmen kontinuierlich Luftproben aus den zu überwachenden Bereichen und überprüfen diese auf Rauch- und Gas-partikel. Die Luftproben werden über ein Rohrnetz mit definierten Öffnungen angesaugt und der Messkammer zugeführt. Dort erkennt eine Auswerteeinheit die Größe der Partikel und deren Konzentrationen. Dabei lassen sich auch geringe Mengen von Brand- und Elektrolytgasen detektieren.


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Lithium-Ionen-Batterie-Energiespeicher mit integriertem Brandschutzsystem, das eine fr

Autoren
  • G. Hülsen
  • C. Meißner
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