Die Brandgefahr in Lithium-Batterie-Energiespeichersystemen resultiert hauptsächlich aus drei Faktoren: unkontrollierten internen Reaktionen in den Lithium-Batterien, äußeren Einwirkungen und Gefahren durch elektrische Betriebsmittel. Gemäß den Brandschutzbestimmungen müssen der Batterieraum (nachfolgend Batteriefach) und der Bereich für Hoch- und Niederspannungs-Betriebseinrichtungen (nachfolgend Betriebsraum) getrennt ausgelegt werden.

1. Lithiumbatterien: Risiken interner Reaktionen

Lithiumbatterien nutzen chemische Reaktionen zum Laden und Entladen, wodurch zwangsläufig Wärme entsteht. Übersteigt die erzeugte Wärme die Wärmeabfuhrkapazität der Batterie, kommt es zu einem Wärmestau und damit zu einer Überhitzung.

Interne chemische Reaktionen, wie die Zersetzung der SEI-Membran, des Elektrolyten und der positiven/negativen Elektroden, erzeugen große Mengen an Wärme und Gas, was zu einer Erwärmung und Ausdehnung der Batterie führt. Dies kann ein thermisches Durchgehen auslösen, wodurch die Temperatur rapide ansteigt und interne Materialien entzündet werden. Bei der Zersetzung des Elektrolyten werden brennbare Gase freigesetzt, die bei Erreichen einer bestimmten Konzentration und beim Kontakt mit einer Zündquelle explodieren können.

Darüber hinaus sind in Energiespeichersystemen mehrere Batteriemodule in Reihe geschaltet, was die Sicherheitsrisiken erhöht. Fällt eine Batterie aus und entzündet sich, kann dies auf die umliegenden Batterien übergreifen und den Brandherd vergrößern.

2. Äußere Krafteinwirkungen

Beschädigungsrisiko: Scharfe Gegenstände (wie Metallspäne oder heruntergefallenes Werkzeug) können die Batterie beschädigen. Obwohl das Gehäuse einen gewissen Schutz bietet, können starke Stöße die Metallhülle und den Separator durchdringen und so interne Kurzschlüsse, eine rasche Wärmeentwicklung und ein thermisches Durchgehen verursachen.
Mechanische Beschädigung: Beim Transport oder der Installation kann es durch starke Quetschungen oder Stöße (z. B. Fahrzeugvibrationen oder unsachgemäße Handhabung) zu Verformungen des Akkus, Beschädigungen der internen Elektrodenstruktur und Kurzschlüssen kommen. Risse im Gehäuse können außerdem zum Austreten brennbarer Elektrolyte führen, die sich bei Kontakt mit elektrischen Funken entzünden können.
Auswirkungen von Vibrationen: Langanhaltende hochfrequente Vibrationen können Verbindungselemente (z. B. Kabel und Elektrodenkontakte) lockern, den Kontaktwiderstand erhöhen und lokale Überhitzung verursachen. Vibrationen können außerdem zum Ablösen von Aktivmaterialien führen, was die Batterieleistung verschlechtert und das Risiko eines thermischen Durchgehens erhöht.

3. Gefahren durch elektrische Geräte

Die Stabilität und Sicherheit elektrischer Anlagen in Energiespeichersystemen beeinflussen die Batterieleistung unmittelbar. Das Vorhandensein von Hochspannungs- und Hochstromsystemen sowie zahlreicher Schwachstrom-/Kommunikationssysteme kann Schutzkomponenten beschädigen, Sicherheitsfunktionen außer Kraft setzen und potenziell Brände verursachen.

Brandschutzmaßnahmen für Lithium-Batterie-Energiespeichersysteme

Brandschutzsysteme für Lithium-Batterie-Energiespeicher sind für große/dezentrale Energiespeicheranlagen, mobile Energiespeicherfahrzeuge und Notstromaggregate konzipiert und decken die gesamte Wertschöpfungskette der Energiewirtschaft ab (Erzeugung, Übertragung, Verteilung und Verbrauch). Trotz der Vorteile von Lithium-basierten Energiespeichern machen die hohe Reaktivität von metallischem Lithium und die häufigen Fälle von thermischem Durchgehen in Fahrzeugen den Brandschutz zu einer Priorität. Hier sind die wichtigsten Maßnahmen:

1. Brandschutzsystem

Bei einer thermischen Instabilität von Lithiumbatterien werden Gase, Energie, Rauch und sogar offene Flammen freigesetzt. Unter Bezugnahme auf Normen wie den „Code for Fire Protection Design of Thermal Power Plants and Substation Systems“ und den „Code for Design of Fire Alarm Systems“ wird das Batteriefach isoliert und ein separates Brandschutzsystem installiert, das Folgendes umfasst:

Erkennung und Steuerung: Bei abnormalen Änderungen der Gaszusammensetzung im Batteriefach werden Geräte wie Brandmelder, Kombinationsdetektoren und Sensoren für brennbare Gase aktiviert. Diese überwachen Wasserstoff, VOCs, CO, Rauch und Temperatur. Sie lösen Alarme aus, unterbrechen die Stromzufuhr und senden Warnmeldungen an die Leitstelle. Not-Aus-Taster, manuelle Alarme und optische sowie akustische Signale ermöglichen die Notfallsteuerung vor Ort.
Gasbrandbekämpfung: Die Ausrüstung umfasst Gaslöscher, Rohre und Düsen, die physikalische Methoden (Sauerstoffisolierung) zur schnellen Brandbekämpfung nutzen:
- HFC-227ea (Sieben-Fluorpropan): Ein farbloses, geruchloses, nichtleitendes Gas, das chemische Reaktionen hemmt. Es wird als Flüssigkeit gelagert und entweicht als Gas, ohne Rückstände zu hinterlassen oder elektrische Geräte zu beschädigen.
- Perfluorhexanon: Ein hocheffizientes Mittel der nächsten Generation, das schnell verdampft, um Sauerstoff zu isolieren und den Brandherd zu kühlen.
- Flüssiger Stickstoff: Ein umweltfreundliches Medium, das physikalisch kühlt und Brände durch die Freisetzung von Stickstoffgas erstickt, welches den Sauerstoff verdrängt.

2. Klimaanlage

Lithiumbatterien erzeugen beim Laden und Entladen kontinuierlich Wärme. Die optimale Temperatur im Batteriefach beträgt 25 °C, da niedrige Temperaturen den Kapazitätsverlust beschleunigen und hohe Temperaturen die Brandgefahr für elektrische Geräte und Batterien erhöhen.

3. Verriegelungsvorrichtungen

Um Unfälle durch Fehlbedienungen oder Notfälle zu vermeiden, sind die Batteriefächer mit Brandschutztüren, Abluftsystemen und externen Not-Aus-Tastern ausgestattet, die mit Feuermeldern, automatischen Feuerlöschern und der Belüftung für mehrstufige Sicherheit verriegelt sind.

4. Elektrische Planung

Überspannungsschutz: Hochspannungskreise sind mit Blitz- und Überspannungsschutzvorrichtungen ausgestattet, um die Risiken durch hohe Spannungen/Ströme zu reduzieren.
Layoutplanung: Mobile Energiespeicherbereiche verfügen über mindestens 2 Ausgänge; oberirdische Systeme halten eine 3,5 m breite Feuerwehrzufahrt bereit, und unterirdische Systeme verfügen über einen 1,5 m breiten Fluchtweg mit Feuerwehreinrichtungen.
Stromversorgung: Die Brandmeldeanlage nutzt eine unabhängige Stromversorgung aus dem Stromnetz mit feuerbeständigen Kabeln, um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

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Veröffentlichungsdatum: 10. Juni 2025