Verhinderung von thermischem Durchgehen in groß angelegten ESS: Erkennung und Sicherheit548

Große Energiespeichersysteme (ESS) sind das Rückgrat der modernen Netzstabilität und der Integration erneuerbarer Energien. Allerdings bringt die hohe Energiedichte, die diese Systeme effizient macht, auch eine kritische Sicherheitsherausforderung mit sich: das thermische Durchgehen. Für Sicherheitsbeauftragte, Feuerwehrleute und Facility Manager, die die elektrochemischen Mechanismen von Ausfällen verstehen und vielschichtige Maßnahmen ergreifen Verhinderung des thermischen Durchgehens Strategien sind nicht nur eine Compliance-Anforderung, sondern eine betriebliche Notwendigkeit.

Wichtige Erkenntnisse: ESS-Sicherheit und Risikominderung

• Früherkennung ist entscheidend: Das thermische Durchgehen ist ein fortschreitender Fehlermodus. Die Erkennung muss im Stadium der Ausgasung (vor Rauch oder Feuer) erfolgen, um eine katastrophale Ausbreitung zu verhindern.

• Chemie ist wichtig: Während Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) im Vergleich zu NMC-Chemikalien eine überlegene thermische Stabilität bietet, sind geeignete Batteriemanagementsysteme (BMS) für alle Lithiumvarianten unerlässlich.

• Mehrschichtige Verteidigung: Eine robuste Sicherheitsstrategie integriert die Überwachung auf Zellenebene, die Isolierung auf Modulebene und die Brandbekämpfung auf Systemebene gemäß den Standards NFPA 855 und UL 9540A.

• VRLA-Überlegungen: Obwohl sie weniger flüchtig sind, kann es bei ventilgeregelten Blei-Säure-Batterien zu einem thermischen Durchgehen durch eine Eskalation des Erhaltungsstroms kommen, was unterschiedliche Abhilfeprotokolle erfordert.

Verständnis der Elektrochemie des thermischen Durchgehens

Um ein Scheitern zu verhindern, muss man die Anatomie des Ereignisses verstehen. Thermal Runaway ist eine unaufhaltsame Kettenreaktion, bei der ein Temperaturanstieg die Bedingungen so verändert, dass ein weiterer Temperaturanstieg entsteht. Dies führt bei elektrochemischen Zellen häufig zu einer zerstörenden Demontage.

Der Zersetzungsablauf in Lithium-Ionen-Zellen

In Hochspannung Lithiumbatterie Systeme folgt die Sequenz typischerweise einem vorhersehbaren temperaturabhängigen Weg:

1. SEI-Zersetzung (90 °C – 120 °C): Die Solid Electrolyte Interphase (SEI)-Schicht auf der Anode bricht zusammen. Hierbei handelt es sich um eine exotherme Reaktion, die die Zellinnentemperatur ohne äußere Anzeichen erhöht.

2. Separatorschmelzen (130°C – 150°C): Wenn sich die Hitze aufbaut, schmilzt der Polymerseparator zwischen Anode und Kathode, was zu einem internen Kurzschluss führt. Dabei wird enorme elektrische Energie in Form von Wärme freigesetzt.

3. Kathodenzerfall und Sauerstofffreisetzung (~180°C+): Das Kathodenmaterial zersetzt sich unter Freisetzung von Sauerstoff. Dieser Sauerstoff treibt die Verbrennung des organischen Elektrolyten an, was zu schnellen Temperaturspitzen über 600 °C führt.

Hinweis zur VRLA-Technologie: Das thermische Durchgehen in Blei-Säure-Batteriesystemen funktioniert anders. Die Ursache hierfür liegt in erster Linie bei Fehlfunktionen des Ladegeräts, bei denen eine übermäßige Erhaltungsspannung schneller interne Wärme erzeugt, als die Batterie diese abführen kann, was häufig zu Gehäuseverformungen und Wasserstoffemissionen führt, jedoch selten zu der explosionsartigen Ausbreitung, die bei Lithiumchemien beobachtet wird.

Die vier Phasen der ESS-Fehler- und Erkennungsfenster

Eine wirksame Prävention setzt voraus, dass zum frühestmöglichen Zeitpunkt eingegriffen wird. Die Branche kategorisiert Misserfolge in vier verschiedene Phasen:

Stufe 1: Missbrauchsfaktor

Hierzu zählen thermischer, elektrischer oder mechanischer Missbrauch. Ein hochentwickeltes Batteriemanagementsystem (BMS) ist hier der primäre Schutz und überwacht Spannung, Strom und Temperatur, um den Stromkreis zu trennen, bevor Schäden auftreten.

Stufe 2: Entgasung (Das goldene Fenster)

Bevor eine Batterie Feuer fängt, setzt sie Gase frei. Wenn der Innendruck steigt und sich die Zellenentlüftung öffnet, werden Elektrolytdampf und Zersetzungsgase (Wasserstoff, CO2, CO, VOCs) freigesetzt. Dies ist der kritische Eingriffspunkt. Herkömmliche Rauchmelder sind hier wirkungslos. Spezielle Abgasdetektoren, die bestimmte VOCs oder Wasserstoff erkennen, können Minuten vor Beginn des thermischen Durchgehens eine Systemabschaltung und Belüftung auslösen.

Stufe 3: Rauchentwicklung

Ein katastrophales Scheitern steht unmittelbar bevor. Die Temperaturen sind hoch genug, um Zellmaterialien zu verbrennen. Die Raucherkennung ist eine Standardanforderung, aber zu diesem Zeitpunkt ist die Zelle wahrscheinlich bereits verloren und das Ziel verlagert sich von der Prävention zur Eindämmung.

Stufe 4: Feuer und Ausbreitung

Es entstehen sichtbare Flammen. Das Ziel besteht darin, die Ausbreitung von Zelle zu Zelle (Kaskadenfehler) zu verhindern, um den Rest des ESS-Moduls oder -Containers zu schützen.

Fortgeschrittene Schadensbegrenzungsstrategien für Facility Manager

Minderungsstrategien für groß angelegte ESS müssen sowohl die aktive Unterdrückung als auch die passive Eindämmung berücksichtigen.

Aktive Kühlung und Unterdrückung

Im Gegensatz zu herkömmlichen Bränden der Klasse A werden Li-Ionen-Brände durch chemische Reaktionen gespeist, die ihren eigenen Sauerstoff (aus der Kathodenzersetzung) und Wärme erzeugen. Standardmethoden zum Sauerstoffmangel (Inertgas) reichen oft nicht aus, um die Reaktion zu stoppen, sobald die Kathode ausfällt. Kühlung ist unerlässlich.

• Wassernebelsysteme: Hochdruckwassernebel ist aufgrund seiner enormen Kühlleistung (latente Verdampfungswärme) sehr effektiv. Es entzieht Wärme schnell und verhindert so die Ausbreitung auf benachbarte Zellen.

• Reinigungsmittel (Novec 1230 / FM-200): Diese löschen die anfänglichen Flammen im Frühstadium (Stufe 3) wirksam und schützen die Leistungselektronik, sorgen jedoch nicht für eine nennenswerte Kühlung der Batteriemasse selbst.

Deflagrationsentlüftung

Beim thermischen Durchgehen sammeln sich im Gehäuse brennbare Gase (Wasserstoff, Ethylen, Kohlenmonoxid) an. Wenn die Konzentration die untere Entflammbarkeitsgrenze (LFL) erreicht und eine Zündquelle vorhanden ist, kann es zu einer Explosion kommen. NFPA 855 erfordert eine Explosionskontrolle, die typischerweise durch Deflagrationsentlüftungsplatten erreicht wird, die den Druck sicher nach oben oder außen leiten und so die strukturelle Integrität des Behälters schützen.

Vergleich von Unterdrückungsmitteln für ESS

Die Auswahl des richtigen Unterdrückungsmittels hängt von der spezifischen Batteriechemie und den Anlagenbeschränkungen ab. In der folgenden Tabelle werden gängige Wirkstoffe analysiert, die in LiFePO4- und anderen industriellen Batterieinstallationen verwendet werden.

Einhaltung gesetzlicher Vorschriften: NFPA 855 und UL 9540A

Compliance ist die Grundlage für Sicherheit. Zwei Standards dominieren die Landschaft für die ESS-Installation:

• UL 9540A-Testmethode: Hierbei handelt es sich um eine zerstörende Testmethode zur Bewertung der Ausbreitungseigenschaften des thermischen Durchgehens von Batteriesystemen. Es bestimmt, ob sich ein einzelner Zellenausfall auf die Modul-, Einheiten- und Installationsebene ausbreitet. Facility Manager sollten UL 9540A-Testberichte von den Herstellern anfordern, um die Eindämmungsfähigkeiten des Systems zu verstehen.

• NFPA 855: Der Standard für die Installation stationärer Energiespeichersysteme. Es schreibt einen Abstand (3 Fuß zwischen den Arrays), maximale Grenzwerte für die gespeicherte Energie pro Brandbereich (z. B. 600 kWh für Li-Ion) vor und erfordert Explosionskontroll- und Rauchmeldesysteme.

Umgang mit verlorenen Energierisiken

Einer der gefährlichsten Aspekte eines ESS-Brandes ist die „gestrandete Energie“. Auch nach der Brandbekämpfung können die Batterien noch eine beträchtliche elektrische Ladung enthalten. Beschädigte Zellen können Stunden oder sogar Tage später erneut zünden (Re-Flash), wenn der interne Kurzschluss weiterhin besteht oder wenn bei der Reinigung mechanische Schäden auftreten.

Verfahrenshinweise für Feuerwehrleute:

• Gehen Sie niemals davon aus, dass eine Batterie sicher ist, nur weil die Flammen erloschen sind.

• Verwenden Sie Wärmebildkameras, um Hotspots innerhalb der Batterieschränke zu überwachen.

• Richten Sie nach dem Vorfall eine Brandwache für mindestens 24 Stunden ein.

• Wenden Sie sich vor dem Ausbau an den Hersteller der Batterie bezüglich sicherer Entlade- oder Neutralisierungsverfahren.

Häufig gestellte Fragen

Was ist die Hauptursache für das thermische Durchgehen bei ESS?

Die Hauptursachen sind interne Kurzschlüsse (aufgrund von Herstellungsfehlern oder Dendritenwachstum), externe Kurzschlüsse, Überladung (BMS-Fehler) oder übermäßige äußere Hitzeeinwirkung. In Blei-Säure-Systemen wird es hauptsächlich durch einen Ausfall des Ladegeräts verursacht, der zu Netzkorrosion und Austrocknung des Elektrolyten führt.

Kann es bei LiFePO4-Batterien zu einem thermischen Durchgehen kommen?

Ja, aber das Risiko ist deutlich geringer als bei Nickel-Mangan-Kobalt-Chemikalien (NMC). LiFePO4 (LFP) hat eine höhere Temperatur beim Einsetzen des thermischen Durchgehens (~270 °C) und setzt bei der Zersetzung weniger Sauerstoff frei, was zu einer weniger heftigen Reaktion führt. Präventionssysteme sind jedoch weiterhin obligatorisch.

Was ist der Unterschied zwischen Thermal Runaway und Thermal Walkaway?

Thermal Runaway ist ein beschleunigter, selbsterhaltender Temperaturanstieg, der normalerweise mit Lithiumbatterien verbunden ist. Thermal Walkaway bezieht sich häufig auf einen langsameren Prozess in VRLA-Batterien, bei dem der Ladestrom aufgrund der Erwärmung mit der Zeit ansteigt. Dieser kann jedoch normalerweise durch Unterbrechen des Ladestroms gestoppt werden, bevor es zu einem katastrophalen Ausfall kommt.

Warum ist die Abgaserkennung bei Batterien besser als die Raucherkennung?

Die Abgaserkennung identifiziert den Fehler in Stufe 2 (Entlüftung) und bietet ein Zeitfenster von Minuten, um das System abzuschalten und abzukühlen, bevor ein Feuer ausbricht. Die Raucherkennung erkennt einen Fehler in Stufe 3, wenn der Brand unmittelbar bevorsteht oder bereits vorhanden ist und nur wenig Zeit für die Vorbeugung bleibt.

JYC Battery ist ein weltweit führender Hersteller von Batterien und bietet fortschrittliche LiFePO4- und VRLA-Energiespeicherlösungen an, bei deren Entwicklung Sicherheit und Zuverlässigkeit im Mittelpunkt stehen.