Über welche Sicherheitsmerkmale sollte eine Batterie für die Solarenergie-Speicherung verfügen?

Verhinderung einer thermischen Durchgehung und brandsichere Konstruktion

Wie tritt eine thermische Durchgehung in einer Lithium-Ionen-Batterie für die Solarenergie-Speicherung auf?

Wenn es bei Lithium-Ionen-Solarspeicherbatterien zu einer thermischen Durchgehung kommt, beginnt dies in der Regel mit Problemen innerhalb der Zellen selbst, durch äußere Beschädigungen oder einfach durch normale Alterung und Verschleiß während des Betriebs. Sobald die Temperatur etwa 80 Grad Celsius (ca. 176 Grad Fahrenheit) übersteigt, zersetzt sich der Elektrolyt und setzt entzündliche Gase sowie zusätzliche Wärme frei, wodurch im Grunde eine selbstverstärkende Kettenreaktion ausgelöst wird. An Orten, an denen zahlreiche dieser Batterien dicht beieinander angeordnet sind, breitet sich die Wärme rasch auf benachbarte Zellen aus und kann deren Temperatur innerhalb weniger Sekunden auf über 400 Grad Celsius (ca. 752 Grad Fahrenheit) ansteigen lassen. Am häufigsten liegen interne Kurzschlüsse diesen Vorfällen zugrunde. Solche Kurzschlüsse resultieren typischerweise aus Dendritenwachstum innerhalb der Batterie oder aus Herstellungsfehlern. Nach Aufzeichnungen sind solche Ursachen für rund sieben von zehn Fällen einer thermischen Durchgehung verantwortlich. Um diesen gefährlichen Prozess zu verhindern, müssen Hersteller bestimmte Sicherheitsmaßnahmen integrieren, beispielsweise nicht brennbare Separatoren, spezielle flammhemmende Zusatzstoffe im Elektrolyten sowie Barrieren aus Epoxidharz, die die Wärmeausbreitung zwischen einzelnen Zellen eindämmen.

UL-9540A-Prüfung und Brandausbreitungsminderung für Batteriespeicheranlagen zur Solarenergie

Die Zertifizierung nach UL 9540A erfordert umfangreiche Brandtests, die untersuchen, wie sich eine thermische Durchgehung in kommerziellen Solarspeichersystemen ausbreitet. Der Prüfprozess simuliert Szenarien, die die gravierendsten möglichen Ausfälle darstellen – etwa, wenn ein scharfer Gegenstand die Akkus durchsticht oder diese überladen werden. Diese Tests bewerten unter anderem, wie schnell sich Wärme aufbaut, welche Gase freigesetzt werden und ob sich Brände von einem Modul auf ein anderes übertragen können. Akkusysteme, die diese Norm erfüllen, verfügen über integrierte Sicherheitsmerkmale, darunter spezielle feuerfeste Gehäuse um jedes Modul, Druckentlastungsventile zur sicheren Druckabfuhr sowie Wärmebarrieren, die eine Wärmeübertragung zwischen den Modulen verhindern. Unabhängige Tests zeigen, dass bei den meisten zertifizierten Systemen gefährliche thermische Ereignisse in rund 99 von 100 Fällen auf genau ein Modul begrenzt bleiben. Bei der Installation dieser Akkus im Innenbereich oder in engen Räumen mit geringem Abstand zwischen den Einheiten ist die Verwendung von UL-9540A-zertifizierter Ausrüstung sowohl aus regulatorischen Gründen als auch aus praktischen Sicherheitsüberlegungen sinnvoll. Viele Facility Manager berichten nach dem Wechsel zu diesen sichereren Systemen über weniger Vorfälle.

Intelligenter elektrischer Schutz über das Batteriemanagementsystem (BMS)

Kritische BMS-Funktionen: Überladung, Tiefentladung, Kurzschluss und Isolationsüberwachung

Ein Batteriemanagementsystem (BMS) fungiert wie das Gehirn für Lithium-Ionen-Solarspeicherbatterien und überwacht vier zentrale Sicherheitsfunktionen, um einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten. Wenn eine Batterie zu stark geladen wird, unterbricht das BMS den Ladevorgang bei etwa 3,65 Volt pro Zelle, da ein Überschreiten dieses Wertes gefährliche Lithium-Ablagerungen verursachen kann, die wiederum zu Überhitzungsproblemen führen könnten. Umgekehrt greift das System erneut ein, sobald die Batterie unter etwa 2,5 Volt pro Zelle entladen wird, um eine weitere Entladung zu verhindern – denn dies könnte interne Komponenten beschädigen und die Batterielebensdauer dauerhaft verkürzen. Bei Kurzschlüssen erfolgt die Reaktion nahezu augenblicklich, sobald der Strom auf das Dreifache des Normalwerts ansteigt; hierbei werden spezielle Schalter eingesetzt, um den Stromfluss sicher abzuschalten. Das System prüft zudem kontinuierlich den Isolationswiderstand zwischen aktiven Teilen und dem metallischen Gehäuse und reagiert bei jedem Abfall unter 100 Ohm pro Volt, da dies frühe Anzeichen von Verschleiß signalisiert. Feldberichte sowohl aus Großanlagen als auch aus privaten Installationen in den USA zeigen, dass diese mehrstufigen Schutzmaßnahmen die Zahl elektrischer Unfälle in den letzten Jahren um rund zwei Drittel gesenkt haben.

Echtzeit-Überwachung von SOC/SOH und vorausschauende Fehlerreaktion für Batteriespeicher in der Solarenergie

Die besten Batteriemanagementsysteme heute kombinieren Coulomb-Zählverfahren mit Kalman-Filtern, um die Genauigkeit des Ladezustands (SOC) auf etwa plus/minus 3 % zu halten. Gleichzeitig verfolgen sie den Alterungszustand (SOH), indem sie beobachten, wie stark die Kapazität im Laufe der Zeit abnimmt. Diese Kombination liefert Betreibern zwei Ebenen an Informationen, die helfen, Probleme vor ihrem Auftreten vorherzusagen. Sobald einzelne Zellen Spannungsunterschiede von mehr als 50 Millivolt aufweisen oder eine Temperaturdifferenz zwischen Modulen von über 4 Grad Celsius besteht, reduziert das System die Ladegeschwindigkeit und sendet Warnungen bezüglich erforderlicher Wartungsmaßnahmen aus. Diese detaillierten Diagnoseprüfungen verhindern, dass sich kleine Störungen im Zeitverlauf akkumulieren – was die Lebensdauer der Batterie im Vergleich zu älteren Systemen ohne aktive Überwachung tatsächlich um rund 40 % verlängern kann. Neuere Versionen werden zudem noch intelligenter: Mithilfe historischer Leistungsdaten schätzen sie voraus, wann die Batterien etwa drei Monate vor Erreichen ihres Lebensendes stehen. Eine solche Prognose hilft Solarenergie-Installateuren, den Austausch besser zu planen, statt abzuwarten, bis ein Komponente vollständig ausfällt.

Zwingende gesetzliche Zertifizierungen für Solar-Energiespeicherbatterien

Die Einhaltung internationaler Sicherheitszertifizierungen ist für die Installation von Solar-Energiespeicherbatterien im Wohn- und Gewerbebereich zwingend vorgeschrieben. Diese Standards mindern Brandrisiken, gewährleisten die Betriebssicherheit und stellen Voraussetzungen für den Anschluss an das öffentliche Stromnetz, die Genehmigung durch Behörden sowie die Versicherungsabdeckung dar.

Sicherheitsstandards auf Zellen- und Packebene: UL 1642, IEC 62619 und UN 38.3

Komponentenbezogene Zertifizierungen bestätigen die grundlegende Sicherheit vor der Systemintegration:

• UL 1642 unterzieht Lithium-Zellen extremen Missbrauchsbedingungen – darunter erzwungener Kurzschluss, Überladung und Quetschtests –, um strukturelle und thermische Integrität zu verifizieren.
• IEC 62619 legt Sicherheitsanforderungen für industrielle Lithium-Batterien fest und schreibt Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischer Belastung, thermischem Missbrauch sowie abnormem Laden vor.
• UN 38.3 bescheinigt die sichere Beförderung, indem Simulationstests zur Höhenlage, Erschütterung, Stoßbelastung und thermischem Wechsel erforderlich sind, um Leckagen oder thermische Ereignisse während des Transports zu verhindern.
  Hersteller müssen die Einhaltung aller drei Kriterien nachweisen, bevor sie zur Systemebenen-Bewertung übergehen können.

Konformität auf Systemebene: UL 9540, NFPA 855 und Sicherheitsanforderungen für den Anschluss an das Stromnetz (IEEE 1547, NFPA 585)

Die Integration des Gesamtsystems erfordert die Einhaltung voneinander abhängiger Sicherheitsrahmen:

• UL 9540 bewertet die integrierte Brandausbreitung, elektrische Sicherheit und thermische Regelung unter simulierten Bedingungen einer thermischen Durchgehung.
• NFPA 855 regelt die Anforderungen an die physische Installation, darunter Mindestabstände, Lüftung, Brandbekämpfung und Fluchtwege, um die Brandausbreitung einzuschränken und die Notfallreaktion zu erleichtern.
• Netzanschluss-Standards wie IEEE 1547 (für Spannungs- und Frequenz-Fahrt durch Störungen sowie Anti-Islanding) und NFPA 585 (zur schnellen Abschaltung und Lichtbogenfehlererkennung) gewährleisten eine sichere Trennung bei Störungen.
  Stand 2024 haben 37 US-Bundesstaaten die NFPA 855 in ihre Elektrovorschriften übernommen, wodurch sie de facto eine zulassungsrechtliche Voraussetzung darstellt.

Verbesserungen bei der Werkstoffauswahl und der proaktiven Überwachung

Warum Lithium-Eisenphosphat (LFP) die bevorzugte Chemie für sicherere Solarenergiespeicherbatterien ist

LFP, die Abkürzung für Lithium-Eisenphosphat, ist mittlerweile die bevorzugte Wahl für die meisten Lösungen zur Solarenergiespeicherung, da es sich durch eine besonders hohe thermische Stabilität auszeichnet. Was dieses Material besonders macht, ist seine einzigartige Olivin-Kristallstruktur, die im Grunde verhindert, dass Sauerstoff auch bei extrem hohen Temperaturen entweicht. Das bedeutet, dass LFP-Akkus deutlich sicherer sind als solche mit Nickel oder Kobalt, die leichter Feuer fangen können. Laut tatsächlichen Feldberichten weisen Installationen mit LFP-Technologie etwa 60 Prozent weniger Brandvorfälle auf. Es gibt zudem zahlreiche weitere Vorteile: Diese Akkus durchlaufen wesentlich mehr Ladezyklen, bevor sie altern, halten ihre Spannung über lange Zeit hinweg relativ konstant und arbeiten auch bei ziemlich warmen Bedingungen – bis zu etwa 55 Grad Celsius – zuverlässig. Diese Temperaturtoleranz ist besonders wichtig für Solaranlagen auf Dächern oder im Freien, wo Hitze ein Problem darstellen kann.

Ferngestützte Wärmebildgebung, KI-gestützte Anomalieerkennung und automatisierte Alarmierung

Proaktives Monitoring fügt eine entscheidende Schutzschicht jenseits der Hardware- und BMS-Steuerelemente hinzu:

• Infrarot-Thermobildgebung bietet eine kontinuierliche, berührungslose Oberflächentemperaturabbildung, die Hotspots identifiziert, bevor sie sich verschärfen.
• Durch KI angetriebene Analytik korreliert Spannungsdrift, Impedanzverschiebungen und thermische Trends über Module hinweg, um Anomalien zu erkennen, die für schwellenbasierte Alarme unsichtbar bleiben.
• Automatisierte Alarmierung liefert Technikern Benachrichtigungen mit kontextbezogenen Diagnoseinformationen und ermöglicht so ein Eingreifen, bevor sich geringfügige Abweichungen zu Ausfällen entwickeln.
  Dieser Ansatz reduziert ungeplante Ausfallzeiten in Solarspeicherflotten um 34 % und verringert die Abhängigkeit von reaktiven Wartungsplänen erheblich, wodurch Sicherheit und Zuverlässigkeit auf lange Sicht gestärkt werden.

FAQ

• Was verursacht einen thermischen Durchlauf bei Lithium-Ionen-Batterien für die Solarenergiespeicherung?

  Ein thermischer Durchlauf kann durch interne Probleme innerhalb der Batteriezellen, äußere Beschädigung oder normale Alterung und Abnutzung ausgelöst werden. Er umfasst eine Kettenreaktion von Wärmeentwicklung, die das Problem verschärft – häufig eingeleitet durch interne Kurzschlüsse.

• Was ist die UL-9540A-Zertifizierung und warum ist sie wichtig?

  Die UL-9540A-Zertifizierung umfasst umfangreiche Brandprüfungen zur Bewertung der Ausbreitung einer thermischen Durchgehung in Solarbatteriesystemen. Systeme mit dieser Zertifizierung verfügen über feuerfeste Gehäuse und weitere Sicherheitsmerkmale, um den Wärmeübergang zwischen Modulen zu verhindern.

• Wie verbessert ein Batteriemanagementsystem (BMS) die Batteriesicherheit?

  Ein BMS überwacht Überladung, Tiefentladung, Kurzschluss und Isolationsüberwachung, um eine optimale Batterieleistung aufrechtzuerhalten und gefährliche Situationen zu vermeiden.

• Welche Vorteile bietet die Verwendung von Lithium-Eisenphosphat-(LFP-)Batterien für die Solarspeicherung?

  LFP-Batterien zeichnen sich durch thermische Stabilität aufgrund ihrer speziellen Struktur aus, wodurch das Brandrisiko verringert und längere Lebenszyklen im Vergleich zu anderen Chemien wie Nickel oder Kobalt ermöglicht werden.