Modulare Designarchitektur mit intelligentem Schutz kann Sicherheitsbedenken bei der Batteriespeicherung in Industrie und Gewerbe ausräumen

Das größte Sicherheitsrisiko für Energiespeichersysteme auf Basis von Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) ist das thermische Durchgehen. Es tritt auf, wenn die erzeugte Wärme die abgegebene Wärme übersteigt, was zu einem raschen Temperaturanstieg führt.

Ein thermisches Durchgehen kann durch interne Fehler oder externe Bedingungen verursacht werden. Die gute Nachricht ist, dass das Risiko überwacht, kontrolliert und minimiert werden kann, einschließlich der Gefahr einer Brandausbreitung von einer Zelle auf benachbarte Zellen und in nahegelegene Gehäuse und andere Geräte oder Strukturen.

Obwohl die Häufigkeit von Vorfällen bei Batteriespeichern stark zurückgegangen ist – von 2018 bis 2023 um 97 % und nur noch ein Brand pro rund 35 GWh installierter Leistung –, steht die Sicherheit weiterhin im Fokus. New York und Kalifornien führen strengere Vorschriften ein, während die European Association for Storage of Energy (EASE) eine länderübergreifende Koordinierung von Standards und bewährten Brandschutzverfahren fordert.

Gleichzeitig trägt die Branche die Verantwortung dafür, dass Kunden, Gemeinden und lokale Behörden darauf vertrauen können, dass die in ihren Einrichtungen oder Wohngegenden eingesetzten Systeme so sicher wie möglich sind.

Neben der Verwaltung und Minimierung von Risiken muss das Unternehmen die Beteiligten auch über die erzielten Fortschritte und das Engagement der Branche für die Sicherheit informieren.

Batteriespeichersysteme für gewerbliche und industrielle Anwendungen sind oft anspruchsvollen Betriebsbedingungen ausgesetzt, darunter hohen Temperaturen, Staubbelastung und mechanischen Vibrationen. Sie werden oft neben schweren Industrieanlagen installiert.

Mängel in kritischen Aspekten ihres komplexen Systemdesigns, wie etwa der Zellqualitätskonsistenz, der Belüftung, dem Wärmemanagement und den Brandschutzsystemen, können zu potenziellen Sicherheitsrisiken führen. Während des Betriebs ist eine kontinuierliche Überwachung des Batteriezustands (SoH) und des Spannungsausgleichs unerlässlich, ebenso wie eine laufende Bewertung des Bedarfs an Komponentenaustausch.

Viele der heute verfügbaren Energiespeichersysteme können diese Risiken jedoch nicht minimieren. Ihre Defizite liegen im System- und Komponentendesign, in der Zellgarantie, im Brandschutz, in den Energiemanagementsystemen (EMS) und in den Softwarestrategien.

Beispielsweise folgen C&I-Systeme typischerweise einem zentralisierten, schrankbasierten Design, bei dem Batteriemodule, Stromumwandlungssystem (PCS), Batteriemanagementsystem (BMS), Brandschutz- und Wärmemanagementkomponenten in einem einzigen Schrank integriert sind.

Diese integrierte Architektur hat den Nachteil, dass alle kritischen Komponenten in einem einzigen Schrank untergebracht sind, wodurch das Risiko eines Brandes, der alle Komponenten betrifft, erhöht ist.

Außerdem ist bei schrankbasierten Konstruktionen nicht genügend Platz zwischen den Batterieclustern vorhanden, was zu einer schnellen Brandausbreitung führen kann.

Darüber hinaus werden Feuerlöschanlagen extern in schrankbasierten Konstruktionen installiert, was ihre Fähigkeit, thermische Vorfälle schnell und effektiv einzudämmen, einschränkt. Oft fehlt es auch an einer Isolierung zwischen Zellen und Metallgehäusen, was mit der Zeit zu Kurzschlüssen und Wärmeübertragung führen kann, da die Zellen durch ihre Ausdehnung direkten Kontakt verursachen.

Weitere Einschränkungen gängiger Designs sind die Abhängigkeit von drei softwarebasierten Schutzebenen und die fehlende Hardwareredundanz. Das bedeutet, dass der Stromkreis im Falle eines Softwarefehlers ungeschützt bleibt. Das System könnte unter anormalen Bedingungen weiterarbeiten, was zu Komponentenschäden und einem erhöhten Risiko von Sicherheitsvorfällen führen könnte.

Neue Denkansätze zeichnen sich ab. Modulare Systeme könnten das Risiko einer Brandausbreitung in einer gesamten Anlage verringern oder sogar eliminieren.

Während schrankbasierte Konstruktionen mit zentralem Brandschutz und verzögerten Reaktionszeiten anfällig für Ausbreitungsrisiken sein können, können modulare Systeme die Konstruktion in eine grundlegend andere Richtung lenken.

Jeder Akkupack kann mit einem eigenen Brandschutzsystem und mehreren integrierten Sicherheitsfunktionen ausgestattet werden.

Auch die Märkte für gewerbliche und industrielle Energie sowie für Versorgungsunternehmen nähern sich einander an. Mittlere bis große gewerbliche und industrielle Energieprojekte mit einer Leistung im Megawatt- statt im Kilowattbereich sind häufiger anzutreffen. Eine stärkere Modularität ermöglicht eine Skalierung der Projektgröße, die auf die Bedürfnisse des Kunden zugeschnitten ist.

SigenStack von Sigenergy wurde entwickelt, um die Einschränkungen bestehender Ansätze zu überwinden. Es verfügt über ein modulares, skalierbares Design mit sechs integrierten Sicherheitsebenen. SigenStack wurde speziell für C&I-Anwendungen entwickelt.

Es überwindet oder mildert Sicherheitsprobleme, die bei Batteriespeichersystemen aufgrund von Designentscheidungen und Konventionen auf Systemebene auftreten können.

Die modulare Architektur von SigenStack umfasst beispielsweise einen unabhängigen Brandschutz für jeden 12-kWh-Batteriesatz. Die sechs Sicherheitsebenen (Sensoren, aktive Brandschutzmodule, Hochtemperatur-Isolierpads, Wärmebarrieren, Überdruckventile und Rauchmelder) ermöglichen die Erkennung thermischer Anomalien aus nächster Nähe und eine schnelle Reaktion.

Während das typische Verhältnis von Temperatursensoren zu Zellen bei herkömmlichen Designs etwa 8–12 Sensoren pro 52–60 Batteriezellen pro Schrank beträgt, verfügt SigenStack über 8 Temperatursensoren mit vollständiger Abdeckung für jeweils 12 Zellen, wodurch die Vollständigkeit und Genauigkeit der Überwachung erheblich verbessert wird.

Sigenergy hat auch das Pack-Design weiterentwickelt. Herkömmliche Lösungen verzichten zudem auf Wärmedämmpolster zwischen den Zellen, was einen besseren Wärmeaustausch zwischen ihnen ermöglicht. Das Batteriepack im SigenStack verfügt über Isolierpolster mit extrem niedriger Wärmeleitfähigkeit (<0,02 W/m·K) zwischen den Zellen.

Dies unterstützt nicht nur die flammhemmende und wärmeisolierende Wirkung, sondern erhöht durch die relativ hohe Impedanz auch die elektrische Sicherheit.

Viele aktuelle Energiespeichersysteme verfügen im Gegensatz zu SigenStack nicht über Überdruckventile. Diese Einweg-Abgasvorrichtung kann schnell interne brennbare Gase freisetzen, die sich bei einem thermischen Durchgehen ansammeln können. So wird verhindert, dass ein thermisches Ereignis zu einer Explosion eskaliert.

Jeder SigenStack-Akkupack ist mit einem integrierten Rauchmelder ausgestattet und fungiert als unabhängige Sicherheitseinheit. Dadurch wird die Erkennung eines thermischen Durchgehens aus größerer Entfernung ermöglicht und die Reaktionszeiten im Vergleich zum herkömmlichen schrankbasierten Systemansatz erheblich verbessert.