Sicher mit Lithium

Wer schönes Feuerwerk sucht, muss bei Youtube nur die Begriffe „Lithium“, „Batterie“, „Explosion“ eingeben. Filme von berstenden Lithiumakkus gibt es zuhauf. Dass dadurch zumindest ein Imageproblem droht, dürfte spätestens deutlich geworden sein, als Boeings Dreamliner wegen brennender Akkus nicht mehr starten durfte. Die Frage ist, droht wirklich nur ein Imageproblem oder besteht zudem ein echtes Sicherheitsrisiko?

Mit berstenden Lithiumakkus beschäftigt sich auch Andreas Sander von der Textilien-Firma K-Tex. Er zeigte ähnliche Filme bereits auf der Speicherkonferenz Energy Storage. Warum ein Experte für Textilien? Weil es durchaus Gegenmaßnahmen gibt. Sein Unternehmen entwickelt Taschen, mit denen Lithiumakkus verpackt werden können. Ein Akku für fünf Kilowattstunden elektrischer Energie setzt im Brandfall 25 bis 50 Kilowattstunden chemischer Energie frei, die Brandlast ist ungefähr acht- bis zehnmal so groß wie bei Bleiakkus. Ein Großteil der Energie ist nämlich in Gasen enthalten, die im Havariefall einen Lithiumakku erst aufblähen und dann zum Bersten bringen. „Durch die Verpackung entweichen diese Gase, ohne dass sie sich entzünden“, sagt er. „Sie führen deutlich mehr als die Hälfte der Brandenergie mit sich.“ Der Rest des Feuers bleibt auf den Filmen dann unter Kontrolle. Es gibt keinen Grund, warum das nicht auch mit dem Gehäuse eines Speichersystems für eine Photovoltaikanlage gehen sollte.

Testen ist möglich

Doch das ist unter Umständen nicht nötig. In der Branche herrscht das Credo vor, dass Lithiumbatterien und die darin enthaltenen Zellen durch ihren Aufbau so sicher sind, dass Explosionen praktisch ausgeschlossen werden können. Stephan Scheuer, Abteilungsleiter und zuständig für das Batterie-Testlabor bei TÜV Rheinland, hält es jedenfalls für machbar, Batterien mit einem hohen Maß an Sicherheit zu konstruieren. „Eine hohe Reinheit der verwendeten Materialien hilft beispielsweise, nachträgliche Unfälle zu vermeiden“, sagt er. Der Hersteller müsse die Toleranzen bei der Herstellung der Komponenten gering genug halten können. Das gilt zum Beispiel für Separatoren, die die zwei Kammern des Akkus voneinander trennen, und Elektrolyte, die das vermittelnde Medium zwischen den zwei Elektroden sind. Das sind wichtige Faktoren, die zusammen mit einem funktionsfähigen Batteriemanagementsystem bei einem Kurzschluss sicherstellen, dass es nicht direkt zu einem Brand kommt. Umgekehrt ausgedrückt heißt das: Verfügen die Separatoren über prozessbedingte inhomogene Leitfähigkeiten, kann dies Kurzschlüsse und im schlimmsten Fall einen Band provozieren. Wichtig ist, dass sie bei Hitze nicht schrumpfen, so dass es zum Kurzschluss kommt. Das kann auf mehrere Arten erreicht werden. Zum Beispiel mit keramischen Elementen, die im Separator enthalten sind. Oder mit einem Separator, der aus zwei Schichten Kunststoff besteht. Eine schmilzt bei wenig Hitze und verstopft die Poren im hitzebeständigeren Kunststoff. Es drängen nach Ansicht von Experten jedoch auch Unternehmen mit Batterien auf den Markt, die sehr leichtfertig mit Sicherheitsstandards umgehen. Wenn 3.000 Systeme installiert und 20 Jahre betrieben werden, sei zu erwarten, dass an etwa 30 Systemen während der Nutzungsdauer Probleme auftreten. 90 Prozent davon würden von den Sicherheitseinrichtungen abgefangen. Doch bei drei Systemen könnte es dann zu einem Brand kommen.

Kettenreaktion verhindern

Deshalb müssen die Gehäuse der Zellen so konstruiert sein, dass sie bei mechanischen und chemischen Belastungen nicht bersten. Das ist wichtig, um eine Kettenreaktion zu verhindern. Denn versagt eine Zelle, die zusammen mit anderen ein Batteriemodul bildet, besteht die Gefahr, dass auch die benachbarten Zellen anfangen, sich zu erhitzen, oder durch den Druck, den die entweichenden Gase aufbauen, geschädigt werden und schließlich brennen.

Doch wie soll ein Käufer oder Installateur wissen, ob eine Batterie diese Voraussetzungen erfüllt? Der TÜV ist Mitglied im Konsortium der Battery Safety Organization, kurz BATSO. Diese wurde 2009 gegründet und hat das sogenannte BATSO-Label entwickelt. Für Pedelec-Batterien gibt es das Label schon, da bei diesen elektrobetriebenen Fahrrädern bereits etliche Probleme mit brennenden Batterien aufgetreten sind. „Keine von denen, die wir untersucht haben, hatte das BATSO-Label“, sagt Scheuer. Der Pedelec-Markt zeigt, was zu vermeiden ist. Er ist nach Ansicht von Scheuer so schnell gewachsen, dass die Standardisierung nicht schnell genug mitgehalten hat. Daher arbeiten er und seine Kollegen im Konsortium an einem Label für stationäre Batterien, das es ab Herbst geben soll. Auf dem TÜV-Portal www.certipedia.com kann man jetzt bereits einsehen, wer vom TÜV Rheinland das Label für Pedelec-Batterien bekommen hat. Wer aber glaubt, jetzt werde wieder eine Debatte über die angeblich unterschiedliche Qualität in Asien und hierzulande geführt werden müssen, irrt. Bei Pedelec-Batterien sind schon etliche chinesische Unternehmen unter den BATSO-Trägern.

Die Eingangshürde von BATSO ist ein Vibrationstest. Bei ihm zeigt sich laut Scheuer schon relativ früh, welche Zellmodule oder Batterien vertrauenswürdig sind. Das gilt für mobile wie stationäre Speicher für Photovoltaikanlagen gleichermaßen. Wenn es kein BATSO-Label gebe, sei mindestens darauf zu achten, dass die Batterie von einer unabhängigen Organisation auf die Anforderungen der UN 38.3 für den Transport geprüft wurde.

Einer der Hersteller, der seine Geräte umfangreichen Tests unterzogen hat, ist das Unternehmen Voltwerk, das von Bosch Power Tec übernommen wurde. Der VS 5 Hybrid ist bauartgeprüft. Das bedeutet, er wurde von einem Prüfinstitut sicherheitstechnisch als Gesamtsystem untersucht. „Wir haben dazu zum Beispiel auch Zellen kurzgeschlossen, um zu überprüfen, ob die eingebauten Maßnahmen wirken“, sagt Produktmanager Alexander Grone. Selbst falls dies bei den eingesetzten Batterien von Saft im Betrieb passieren sollte, was sehr unwahrscheinlich ist, haben die Entwickler bei dem Gerät an diesen Fall gedacht. Die verwendeten Rundzellen haben  nach Aussage von Grone an der flachen Stirnseite eine Sollbruchstelle, die im Falle eines Fehlers dazu führt, dass die Zellen aufgehen. Hinter dem Batteriemodul ist eine Art Kamin mit Kühllamellen angebracht, der den heißen Dampf nach oben ableitet. Dieser wird dann so weit abgekühlt, dass er oben nur noch eine Temperatur von circa 70 Grad Celsius hat.

Ein-Fehler-Sicherheit reicht aus

Gute Zellen schalten sich im Übrigen ab, wenn der Druck beispielsweise durch Überladen zu groß wird – und zwar nicht mit einer Elektronik, die unter Umständen auch einmal ausfallen kann, sondern mechanisch. Zum Beispiel wird an der Sollbruchstelle ein Kontakt zerstört.

Die Frage ist, wann eine Batterie sicher genug ist, dass man sie bei sich zu Hause in den Keller stellen würde. Martin Rothert von SMA setzt auf die Ein-Fehler-Sicherheit. Das bedeutet, dass ein Fehler auftreten können muss, ohne dass von der Batterie eine Gefahr ausgeht. Sie ist erfüllt, wenn die Batteriehersteller auch für mögliche Fehlerfälle eine Gefahr, die von der Batterie ausgeht, ausschließen können und dies auch getestet haben. Die CE-Erklärung hilft übrigens nur bedingt weiter, da sie eine Selbsterklärung von Herstellern ist und es daher von ihrer Sorgfalt abhängt, die richtigen Maßnahmen zu ergreifen. Experten warnen deshalb davor, irgendwelche Zellen zusammenzuschalten, ohne ausreichendes Fachwissen darüber, was für Möglichkeiten zur Erhöhung der Sicherheit es gibt.

Der Dreamliner fliegt übrigens wieder. Dort ist sogar eine brandgefährliche Batterie eingesetzt, nämlich aus Lithium-Cobalt-Dioxid. Sie beginnt zu brennen, wenn die Temperatur zum Beispiel durch Überladung über einen Schwellenwert steigt, da dann Sauerstoff freigesetzt wird und eine Kettenreaktion beginnt.

Lithiumakkus mit anderen Elektrodenmaterialien wie etwa Eisenphosphat sind da weniger gefährlich, da der Sauerstoff fester gebunden ist, aber dafür sind sie schwerer und haben geringere Leistungsdichten. Die Federal Aviation Administration hat am 26. April festgelegt, was Boeing tun muss, um den Dream­liner wieder starten zu lassen: die Wahrscheinlichkeit reduzieren, dass ein einzelne Zelle einen Brand auslöst. Eine Kettenreaktion soll verhindert werden. Es solle bedacht werden, was im Havariefall im Flugzeug geschehe. Für den Fall gibt es eine Klappe, durch die das Speichersystem die Gase nach außen pustet. Es ist ungefähr das Programm, an dem viele Solarspeicherhersteller auch gerade arbeiten.

Häufig gestellte Fragen zur Batteriesicherheit

Wie gefährlich sind Batterien?

Batterien enthalten je nach Batterietyp ätzende Säuren, Schwermetalle und andere umwelt- und gesundheitsschädliche Substanzen, die nicht in die Umgebung gelangen sollten. In einer Batterie steckt außerdem eine Menge Energie, die bei fehlerhafter Handhabung oder Herstellerfehlern schlagartig freigesetzt werden kann. Es kann zu Bränden und Explosionen kommen. Deshalb gibt es derzeit viele Diskussionen um verpflichtende Sicherheitstests und die Entwicklung internationaler Sicherheitsnormen, insbesondere für Lithium-Ionen-Batterien, damit diese sicher zu betreiben sind. Für stationäre Speichersysteme mit Lithium-Ionen-Batterien steht dieser Prozess am Anfang. Es gibt aber bereits einige Erfahrungen aus anderen Anwendungsbereichen. Für portable Geräte wie Laptops und Mobiltelefone oder im Bereich der Elektromobilität gibt es schon entsprechende Regeln und Vorschriften. Hier zeigt auch die Praxis, dass solche Batterien theoretisch, wenn sie den Vorschriften entsprechend hergestellt und betrieben werden, sicher zu betreiben sind.

Was ist sicherer: Blei- oder Lithiumbatterien?

Bleibatterien sind sicherer, denn sie sind praktisch unbrennbar. Wenn die Batterie überladen wird, kann hier allerdings ein Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch austreten, das in einem ungünstigen Mischverhältnis explodieren kann. Mit einer ausreichenden Belüftung des Aufstellungsraums kann das potenziell explosive Gemisch aber ausreichend verdünnt werden, so dass keine Explosionsgefahr mehr besteht. Außerdem gibt es Bautypen, die Wasserstoff und Sauerstoff über eine eingebaute Katalysatorpatrone in der Batterie wieder in Wasser verwandeln, wodurch das Ausgasen der Batterie reduziert wird.

Gängige Lithiumbatterien haben in Sachen Sicherheit gleich mehrere Nachteile. So liegen Plus- und Minuspol in den Batteriezellen sehr dicht beieinander. Kleinste Verunreinigungen oder Schäden im Trennmaterial können einen Kurzschluss verursachen und so eine Kettenreaktion in Gang setzen, die das ganze System in Brand steckt. Die organischen Lösungsmittel in der Batterie fangen leicht an zu brennen, und es kann sich hoch entzündliches metallisches Lithium bilden. Allerdings gibt es Konzepte, das unter Kontrolle zu bekommen (siehe Artikel).

Womit ist zu rechnen, wenn eine Lithiumbatterie in Brand gerät?

Lithiumbatterien haben eine hohe Energiedichte und können eine Menge Wärme freisetzen, etwa die zehnfache Menge der Speicherkapazität. Bei der typischen Kapazität eines Stromspeichers für Solaranlagen von vier bis acht Kilowattstunden werden also 40 bis 80 Kilowattstunden frei. Das ist vergleichbar mit einem Brand von vier bis fünf Benzinkanistern. Außer der Brandgefahr besteht zudem die Möglichkeit, dass gesundheitsschädliche und ätzende Stoffe aus der Batterie austreten.

Gibt es besonders sichere Batterietypen?

Lithiumbatterien mit Keramikseparatoren sind grundsätzlich weniger anfällig für Kurzschlüsse als solche mit Separatorfolien. Aber auch sie können Haarrisse haben oder schlicht brechen. Elektroden zum Beispiel aus Lithium-Eisen-Phosphat oder Lithium-Titanat anstatt aus den herkömmlichen Lithium-Mischoxiden können das thermische Durchgehen der Batterie bei einem Kurzschluss verhindern, weil in der Zelle kein brandfördernder Sauerstoff frei wird.

Gehäusekonstruktionen mit Sollbruchstellen verhindern, dass auf einen Schlag große Mengen leicht entzündlicher Elektrolytdämpfe austreten können. Manche Hersteller montieren die Zellen in einer Batterie mit einem Sicherheitsabstand, um das Risiko einer Kettenreaktion zu verringern.

Ausgeklügelte Batteriemanagementsysteme können die Folgen eines Batteriekurzschlusses deutlich mildern. Sie erfassen elektrische Kenndaten und Temperaturen und können, wenn etwas nicht stimmt, einzelne Zellen oder das ganze System abschalten. Der TÜV und der VDE erarbeiten gerade eine Vorlage für internationale IEC- und ISO-Normen.

Die Sicherheit ist nicht zuletzt eine Frage der Qualitätssicherung. Manche Hersteller setzen zusätzlich zu den Transporttests nach UN 38.3 auf eigene Qualitäts- und Härtetests. Eine unabhängige Prüfung wird voraussichtlich in der zweiten Jahreshälfte 2013 von der Battery Safety Organization (BATSO) angeboten.

Welche Gefahrenklassen gibt es für Lithiumbatterien?

Keine offiziellen. Die Organisation europäischer Autohersteller EUCAR schlägt eine Einteilung in sieben Gefahrenklassen vor. Ausschlaggebend für die Einstufung sind die Ergebnisse des UN-38.3-Transporttests. Als gefährlich gelten Batterien der Gefahrenklassen fünf bis sieben. Sie haben bei den Tests Feuer gefangen, sind geborsten oder explodiert

Eine Projektgruppe des Gesamtverbandes der deutschen Versicherungswirtschaft (GDV) schlägt eine Differenzierung von Lithiumbatterien in drei Gefährdungsklassen nach Batteriegewicht und -leistung vor. Laptop- oder Handybatterien mit weniger als einem Kilogramm Gewicht sind danach Gefährdungsklasse eins, Batterien für Elektrofahrräder oder zum Beispiel Gartengeräte mit über einem Kilogramm Gewicht und bis zu 60 Volt Batteriespannung fallen in Klasse zwei. Stationäre Solarbatterien, die in der Regel mehr als 60 Volt Batteriespannung haben, zählen zur Klasse drei. Für diese Gefahrenklasse liegen nach Einschätzung des GDV noch keine gesicherten Kenntnisse hinsichtlich adäquater Schutzmaßnahmen vor. Diese seien daher in Absprache mit dem Sachversicherer für den Einzelfall zu regeln.

Welche Normen und Sicherheitsstandards gelten für Solarspeicher?

Batterien gelten als Gefahrgut und müssen dementsprechend gekennzeichnet, gelagert und transportiert werden. Mitarbeiter müssen für den Umgang mit Gefahrgut geschult werden. Für die Lagerung kommen außerdem berufsgenossenschaftliche und bauordnungsrechtliche Vorschriften zum Tragen, die von Bundesland zu Bundesland verschieden sein können. Vor allem gilt: Die Herstellerangaben sind zu befolgen. Dann ist man im Schadenfall auf der sicheren Seite und der Hersteller haftet.

Der ultimative Härtetest für Batterien ist zurzeit die Transportnorm UN 38.3 der Vereinten Nationen. Jede Baureihe wird Vibrations-, Schock-, Fall- und elektronischen Tests unterzogen, zum Beispiel im Testzentrum Batterie und Umwelt des Verbandes der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik (VDE) oder im Prüflabor von TÜV Rheinland.

Weitere relevante Normen für Lithium-Ionen-Batterien sind:

Stationäre Batterien: DIN EN 50272-2

Wiederaufladbare Batterien in

photovoltaischen Energiesystemen: IEC 61427

Tragbare wiederaufladbare Batterien:

DIN EN 62133 und IEC 62133

Gibt es Normen und Sicherheitsstandards speziell für stationäre Lithiumbatterien?

Nein, zurzeit noch nicht. Mit einer internationalen Norm für stationäre Lithiumspeicher ist erst in ein paar Jahren zu rechnen. Eine Vorlage, die vom ZVEI initiiert wurde, muss im IEC (International Engineering Consortium) noch abgestimmt werden. Lithium-Solarbatterien sollen in ein paar Monaten Sicherheitszertifikate der Battery Safety Organization (BATSO) erhalten können.

Was ist ein BATSO-Zertifikat?

BATSO steht für Battery Safety Organization. Der eingetragene Verein zertifiziert schon seit drei Jahren Lithiumbatterien für Elektrofahrräder. Batterien mit BATSO-Zertifikat wurden auf mechanische, elektromechanische und elektrochemische Stabilität getestet. Auch Produktionsprozesse und Qualitätssicherung wurden hier geprüft.

Was können Installateure und Betreiber tun, um Schäden zu verhindern?

Das Batteriegehäuse darf nicht mechanisch beschädigt werden. Sonst können gefährliche Substanzen in die Umwelt gelangen. Außerdem können Plus- und Minuspol im Inneren der Batterie in Kontakt kommen und einen Kurzschluss verursachen. Schon bei kleinsten Beschädigungen sollten Batterien deshalb sofort fachgerecht entsorgt werden.

Die Batterie muss den Herstellerangaben gemäß installiert werden. Plus- und Minuspol dürfen nicht kurz- oder verkehrtherum angeschlossen werden. Polkappen schützen vor einem äußeren Kurzschluss.

Die Batterien dürfen nicht überladen werden. Sie sollten nicht neben einer Heizung oder in der Sonne stehen, damit sie nicht zu heiß werden. Ideal sind Temperaturen um 20 Grad Celsius. Die Batterie sollte in einem eigenen Raum stehen und im Idealfall durch Brandschutzwände abgeschirmt werden.

Wie kann der Brand einer Lithiumbatterie gelöscht werden?

Feuerwehrexperten und der ZVEI empfehlen Wasser als Löschmittel. Es kühlt und ist überall verfügbar. Das Risiko, dass sich aus den Lithiumoxiden in der Zelle metallisches Lithium bildet, das mit Wasser zu explosivem Wasserstoff reagiere, sei gering. Außerdem sei ohnehin nur wenig Lithium in einer Batterie vorhanden. Risikoberater von Versicherungen dagegen sehen noch Handlungsbedarf auf der Suche nach dem idealen Löschmittel für Lithiumbatterien.

Wie verhalten sich Versicherungen?

Im Moment muss man wohl weder Aufschläge noch zusätzliche Auflagen fürchten. Die Versicherer warten noch ab. Die Praxis soll erst einmal zeigen, wie groß das Risiko ist und welche Schäden überhaupt eintreten können. Der Bundesverband der deutschen Versicherer hat zwar ein Merkblatt zur Schadenverhütung herausgegeben. Es ist aber gerade im Bezug auf stationäre größere Speicher wenig aussagekräftig und nicht verbindlich.

Kann man guten Gewissens eine Lithium-Solarbatterie im Haus betreiben?

Der TÜV Rheinland meint: Ja, wenn sie erfolgreich nach UN 38.3, besser noch durch BATSO, geprüft wurde. Und wenn man sich bei Standort, Installation und Betrieb an die Vorgaben der Hersteller hält.

Andrea Hoferichter