Fraunhofer ISE startet Projekte zur Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat zwei neue Forschungsprojekte aufgenommen, die die Akzeptanz und Verbreitung von Lithium-Ionen-Batterien fördern sollen. Bislang gebe es noch keine ausreichenden Normen und Prüfvorschriften für diese Batterietechnologie, die sich aber sowohl im Photovoltaik-Heimspeichermarkt als auch bei der Elektromobilität immer mehr an Bedeutung gewinne, so die Freiburger Wissenschaftler am Donnerstag. Die Sicherheit sei dabei von zentraler Bedeutung und von verschiedenen Faktoren abhängig. Sie müsse je nach Anwendung abgewogen werden. Lokal durch einen Defekt auftretende Hitze könne zur Zerstörung der umgebenden Materialien führen, schlimmstenfalls sogar zum Brand der Batterie. Es gebe verschiedene Ansätze, die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien positiv zu beeinflussen. Neben einer hohen Qualität der Zelle und des verwendeten Batteriemanagementsystems sei ein effizientes thermisches Management Grundvoraussetzung.

Das Fraunhofer ISE forscht seit vielen Jahren an der Lithium-Ionen-Technologie. »Während Blei-Säure-Batterien als Stromspeicher praxiserprobt sind, müssen sich Lithium-Ionen-Batterien als stationäre Stromspeicher erst noch bewähren und das Vertrauen der Verbraucher gewinnen, auf Langzeiterfahrungen kann noch nicht zurückgegriffen werden«, erklärt Matthias Vetter, Abteilungsleiter für PV-Inselanlagen und Batteriesystemtechnik am Fraunhofer ISE. Daher nun die zwei Projekte, die vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert werden.

Das erste ist dies das Projekt „Safety First“ für sichere netzdienliche Heimspeicher. Dafür arbeite das Fraunhofer ISE unter der Federführung des Karlsruher Instituts für Technologie KIT mit dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung (ZSW) zusammen. Es gehe dabei darum, nach der Analyse der am Markt verfügbaren Heimspeichersysteme für selbsterzeugten Strom Empfehlungen für Hersteller, Normengremien und Behörden abzuleiten. »Netzdienliche Heimspeichersysteme auf Basis von Lithium-Ionen-Batterien werden immer günstiger und damit attraktiver für den Endverbraucher. Was aber lange Zeit fehlte, waren einheitliche, nachprüfbare Kriterien, um deren Leistungsfähigkeit und Sicherheit zu beurteilen«, so Stephan Lux, Teamleiter am Fraunhofer ISE.

Ziel von „Safety First“ sei es, den Sicherheitsleitfaden für Lithium-Ionen-Heimspeicher mit den kommerziell verfügbaren Speichersystem rückzukoppeln und so eine zukünftige Norm vorzubereiten. Im Projekt würden mehr als zwanzig netzdienliche Heimspeichersysteme Dauertests in Testständen unterzogen, welche die tatsächliche Situation im privaten Haushalt nachstellen. Durch spezielle Belastungsprofile sei es möglich, die Sicherheitseigenschaften der Batterien nicht nur im fabrikneuen Zustand, sondern auch in verschiedenen Alterungszuständen zu untersuchen. Hierbei würden Daten über die Sicherheitseigenschaften, die sich verändernden Wirkungsgrade und die zu erwartende Haltbarkeit der Speichersysteme gewonnen. Zudem sollen ausgewählte Zellen vom Fraunhofer ISE und dem ZSW untersucht werden, um Rückschlüsse auf Alterung und Sicherheit zu ziehen. Die Empfehlungen der Forscher würden dann in Normen, Prüfvorschriften und Förderbedingungen berücksichtigt.

Das zweite Projekt mit dem Namen „Speisi“ befasst sich ebenfalls mit der Sicherheit und Zuverlässigkeit stationärer Photovoltaik-Speichersysteme. Der TÜV Rheinland leitete das Forschungsprojekt. „Speisi“ untersucht die Sicherheit solcher Photovoltaik-Speichersysteme, die vor allem zur Erhöhung des Eigenverbrauchs von selbsterzeugtem Strom eingesetzt werden. Dabei gehe es um die Analyse von Schwachstellen beim Handling, der Installation und dem Betrieb. »Die bestehenden Regeln für stationäre Batterieanlagen berücksichtigen separate Batterieräume in technischen Anlagen mit einer Not- bzw. Ersatzstromversorgung oder Anlagen für die unterbrechungsfreie Stromversorgung«, so Hermann Laukamp vom Fraunhofer ISE. »Die Regeln müssen daher für den zukünftigen breiteren Einsatz stationärer Energiespeicher mit hohem Energiegehalt, wie Lithium-Ionen Batterien, in Privathäusern angepasst werden«, ergänzt Georg Bopp, Teamleiter am Fraunhofer ISE. Darüber hinaus gehe es um Kriterien zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit von Photovoltaik-Speichersystemen, mit denen sich dann Aussagen über die Qualität des Energiemanagements der Systeme treffen ließen.

Die Wissenschaftler des Fraunhofer ISE arbeiten bei dem Projekt mit dem TÜV Rheinland, der Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie und dem Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff-Forschung ZSW zusammen. Die Freiburger Wissenschaftler würden sich  konkret mit drei Aspekte befassen, die sich auf die Sicherheit von stationären PV-Speichersystemen auswirken können. Es sei bereits eine Studie zu geeigneten Speichertechnologien und deren jeweiligen Gefahrenpotenzialen erstellt worden. Zweiter Punkt seien Untersuchungen zur Entstehungswahrscheinlichkeit von Lichtbögen im Gesamtsystem sowie deren Erkennung und Vermeidung. Drittens werde das Langzeitverhalten von Schalt- und Sicherheitselementen bei ausgeprägter zyklischer Belastung untersucht. Hinter stehe die Frage, ob die elektrischen Verbindungsstellen im Lauf der Zeit schwächer würden und dadurch auf Dauer ein Brandrisiko entstehen könnte. (Sandra Enkhardt)