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ISE entwickelt Prüfnormen für sichere Speicher

Das Fraunhofer ISE wird zusammen mit Partnern Forschungsprojekte durchführen, um die Normung und die Entwicklung von Prüfvorschriften für Solarstromspeicher voranzutreiben. Dabei geht es vor allem um die Sicherheit und das Alterungsverhalten. Aus den Ergebnissen können auch die Hersteller ihre Schlüsse für die künftige Entwicklung ziehen.

Mit gleich zwei Forschungsprojekten will das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) die Normung und die Entwicklung von Prüfvorschriften für Hausspeichersysteme auf der Basis von Lithium-Ionen-Akkus vorantreiben. Damit konzentrieren sich die Freiburger Forscher vor allem auf die Technologie, die Experten mehrheitlich als die bevorzugte Technologie für Hausspeicher sehen. „Netzdienliche Heimspeichersysteme auf Basis von Lithium-Ionen-Batterien werden immer günstiger und damit attraktiver für den Endverbraucher“, erklärt Stephan Lux, Teamleiter am Fraunhofer ISE. „Was aber lange Zeit fehlte, waren einheitliche, nachprüfbare Kriterien, um deren Leistungsfähigkeit und Sicherheit zu beurteilen.“

Das Vertrauen der Kunden gewinnen

Auch wenn die Bleiakkus ihre Berechtigung für gewisse Anwendungen haben, sind die Vorteile der Lithium-Ionen-Akkus nicht von der Hand zu weisen. Sie haben eine gegenüber den Bleiakkus höhere Lebensdauer, eine bessere Effizienz, die größere Leistungsbereitstellung und einen geringeren Platzbedarf, betonen die Freiburger Wissenschaftler. „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“, gibt Matthias Vetter, Abteilungsleiter für Photovoltaikinselanlagen und Batteriesystemtechnik am Fraunhofer ISE, zu bedenken. „Auf Langzeiterfahrungen kann noch nicht zurückgegriffen werden.“

Einer der relevanten Punkte, die jetzt angegangen werden müssen, ist die Sicherheit von Lithiumbatterien. Sie wird darüber entscheiden, ob sich Hausspeichersysteme mit Lithium-Ionen-Akkus in Zukunft durchsetzen werden. Die Sicherheit ist wiederum von verschiedenen Faktoren abhängig und muss je nach Anwendung abgewogen werden. Eines der größte Risiken ist die durch einen Defekt lokal auftretende Hitze. Wird diese nicht oder ungenügend abgeleitet, kann es zur Zerstörung der Materialien in der Batterie kommen. Im schlimmsten Fall geht die Batterie thermisch durch und es kommt zum Brand. Der Fachmann spricht dann vom Thermal Runaway.

Gute Qualität ist Voraussetzung

Um die Sicherheit der Lithium-Ionen-Batterien gibt es eine ganze Reihe von Möglichkeiten. Die grundsätzliche Voraussetzung ist die Qualität der Zelle und des verwendeten Batteriemanagementsystems sowie ein effektives thermisches Management. Zusammen mit Kollegen vom Karlsruher Institit für Technologie (KIT) und dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) werden die Wissenschaftler des Fraunhofer ISE im Rahmen des Projekts Safety First die bisher am Markt verfügbaren Heimspeicher untersuchen. Sie werden die Speicher mit speziellen Belastungsprofilen einem Dauertest unterziehen. Dadurch können sie die Sicherheit der Speicher nicht nur im fabrikneuen Zustand, sondern auch in verschiedenen Alterungszuständen untersuchen. Aus den dabei gewonnenen Daten über die Sicherheitseigenschaften der Batterie, die sich verändernden Wirkungsgrade und die zu erwartende Haltbarkeit werden sie Empfehlungen für die Hersteller, Normengremien und Behörden ableiten, die in Zukunft nicht nur als Prüfkriterien sondern auch als Fördervoraussetzungen Anwendung finden werden. „Im Projekt Safety First wollen wir den Sicherheitsleitfaden für Lithium-Ionen Heimspeicher mit kommerziell verfügbaren Photovoltaikheimspeichersystemen rückkoppeln, um zukünftige Normen vorzubereiten“, erklärt Stephan Lux das Ziel der Forschungsarbeit.

Ergänzend dazu analysieren die Forscher auch stichprobenartig die einzelnen Batteriezellen, um deren Alterung zu bewerten und diese mit der Alterung des Gesamtsystems abzugleichen. „Dies soll ermöglichen, in Zukunft durch schnelle Untersuchungen der Speicher Rückschlüsse auf Alterung und Sicherheit zu ziehen“, erklären die beteiligten Wissenschaftler.

Schwachstellen bei der Installation finden

In einem Zweiten Projekt werden die Freiburger Wissenschaftler zusammen mit den Prüfern von TÜV Rheinland, Kollegen vom ZSW und von der Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie Sicherheitsvoraussetzungen von Photovoltaik-Speicher-Kombinationen entwickeln. Im Projekt Speisi werden die Forscher die Sicherheit von speziell für die Photovoltaik gedachten Speichern untersuchen. Das Ziel ist es, Schwachstellen bei der Handhabung, bei der Installation und beim Betrieb dieser Batterien zu analysieren.

Im Mittelpunkt der Forschung stehen dabei drei Aspekte, die sich auf die Sicherheit von stationären Photovoltaikspeichern auswirken können: die Analyse der Gefahrenpotenziale und der geeigneten Speichertechnologien, das Risiko der Entstehung von Lichtbögen im Gesamtsystem und das Langzeitverhalten von Schalt- und Sicherheitselementen bei ausgeprägter zyklischer Belastung. Während der erste Aspekt bereits abgeschlossen ist, geht es bei der Untersuchung des Lichtbogenrisikos vor allem darum, wie diese erkannt und verhindert werden können. Bei der Untersuchung des Langzeitverhaltens der Schalt- und Sicherheitselemente geht es vor allem darum herauszufinden, ob die elektrischen Verbindungsstellen im Lauf der Zeit schwächer werden und dadurch auf Dauer ein Brandrisiko entstehen könnte. Darüber hinaus sollen unter anderem Kriterien zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit von Photovoltaikspeichersystemen entwickelt werden, um auch Aussagen über die Qualität des Energiemanagements der Systeme treffen zu können. (su)