Zerstörende Batterietests helfen Entwicklern, sicherere und leistungsstärkere Solar-Plus-Speicher-Projekte zu bauen

Dieser Artikel erschien ursprünglich in der Juli/August-Ausgabe des Solar Builder Magazine.

Batterien lösen das Problem der intermittierenden Sonneneinstrahlung und zuverlässig saubere Energie. Mit Energiespeichersystemen können Eigentümer und Abnehmer von PV-Projekten den Solarstrom noch lange nach Sonnenuntergang nutzen. Nach Jahren des Hypes gewinnen Batteriesysteme endlich an Bedeutung in wichtigen Märkten, insbesondere in Staaten wie Hawaii, die neuen privaten Solarkunden keine Nettoenergiemessung mehr anbieten. Dennoch bleiben Energiespeichersysteme in den meisten Teilen der Vereinigten Staaten und auf dem globalen Solarmarkt eine Nischenanwendung.

Sicherheit ist ein wichtiger Faktor, der die Einführung von Solar + Speicher verhindert. Lithium-Ionen-Batterien, die heute dominierende Chemie in Energiespeichersystemen (ESS), können erhebliche Gefahren für Leben und Eigentum darstellen, wenn sie schlecht konstruiert, installiert oder gewartet werden. Diese Batterien enthalten flüchtige Kohlenwasserstoff-Elektrolyte, die unter bestimmten Bedingungen große, unkontrollierbare Brände oder Explosionen verursachen können. Brandschutzvorschriften und -normen, die darauf abzielen, ESS sicherer zu machen, werden derzeit entwickelt und angenommen, aber es gibt erhebliche Unsicherheit und mangelndes Bewusstsein in Bezug auf diese sicheren Praktiken.

Jetzt sehen wir uns den Konsequenzen gegenüber

Seit Mai 2018 sind in Südkorea fast zwei Dutzend großflächige ESS-Brände aufgetreten. Am 19. April dieses Jahres brachten eine Explosion und ein Brand in einer Batteriefabrik des öffentlichen Dienstes von Arizona (APS) acht Feuerwehrleute ins Krankenhaus, von denen drei mit einer Luftbrücke evakuiert werden mussten. APS hat Schritte unternommen, um zwei seiner anderen Batteriesysteme unmittelbar nach dem Ereignis abzuschalten, um Sicherheitsbedenken zu bewerten. Diese Vorfälle lösen berechtigte Alarme bei Code Officials und Authorities Have Jurisdiction (AHJs), der Feuerwehr und Versorgungsunternehmen in den Vereinigten Staaten und darüber hinaus aus. Viele Entwickler, unabhängige Stromerzeuger und Versorgungsunternehmen stellen den Betrieb vorübergehend ein, um die Sicherheit ihrer eigenen Systeme nach diesen alarmierenden Vorfällen neu zu bewerten.

Die Rolle des Brandtests

Brandschutzvorschriften wie die National Fire Protection Association (NFPA) 855 werden maßgeblich zur Verbesserung der ESS-Sicherheit beitragen. Während NFPA 855 und andere Codes kurz vor der Fertigstellung stehen, sind sie noch Jahre von einer breiten Akzeptanz entfernt. Um Energiespeichersysteme in der Zwischenzeit sicher einzusetzen, benötigt die Industrie zusätzliche Testdaten, die das Systemverhalten unter nicht idealen Bedingungen belegen und validieren und die helfen, Produktstandards zu definieren.

PV Evolution Labs (PVEL) und seine Partner führen groß angelegte destruktive Batterietests oder Brandtests durch, die Sicherheitsbedenken ausräumen können, insbesondere in Ermangelung einer Regulierung. Die Tests zeigen, wie sich bestimmte Energiespeichersysteme bei einem Ausfall verhalten, indem realistische Feldausfallbedingungen während des Batteriebetriebs simuliert werden. Die Ergebnisse von Verbrennungstests werden verwendet, um die Installationssicherheit zu bewerten und Ersthelfern dabei zu helfen, die besten Möglichkeiten zu finden, um zu reagieren, wenn Fehler auftreten.

Mit besseren Informationen darüber, wie sich ausgefallene Batterien verhalten, können die Beteiligten die Risiken identifizieren, die am wahrscheinlichsten für Ersthelfer, Gebäude und andere Infrastrukturen auftreten, wenn ein Vorfall eintritt. Entwickler und Systembesitzer können daher bessere Möglichkeiten zur Verwaltung und Eindämmung von Bränden und Explosionen entwerfen und implementieren. Beispielsweise können die Testergebnisse verwendet werden, um den Grad der Belüftung oder des erforderlichen Löschmittels zu bestimmen, die beide in mit Lagern ausgestatteten Gebäuden oder Containern erforderlich sind. Die Testergebnisse können auch bestimmen, ob Wasser oder andere nicht herkömmliche Mittel zur Eindämmung von Bränden geeignet sind oder nicht.

Wie es funktioniert

Zerstörende Batterietests im großen Maßstab beginnen mit dem Verständnis der grundlegenden Zusammensetzung von Energiespeichersystemen. Batterien bestehen aus Zellen – in einigen Fällen aus Tausenden von Zellen. Eine bestimmte Anzahl von Zellen wird in einer einzigen Struktur platziert, die als Paket oder Modul bezeichnet wird. Diese Module werden dann in Reihen- und Parallelkombinationen zusammengesetzt, um ein vollständiges Batteriesystem zu bilden. Die Beeinträchtigung einer der Komponenten auf Zellen-, Modul- oder Systemebene kann zum Entweichen brennbarer Gase führen, die explodieren können, wenn sie Sauerstoff und einer Zündquelle ausgesetzt werden. Brände entstehen normalerweise in einer einzelnen Zelle, können sich jedoch schnell von Zelle zu Zelle ausbreiten (ein Effekt, der als thermisches Durchgehen bezeichnet wird), wenn das Batteriesystem schlecht ausgelegt ist.

PVEL folgt der Methode UL 9540A zur Bewertung der thermischen Brandausbreitung in Batterie-Energiespeichersystemen. Der Standard erfordert zerstörende Tests der Batterie auf Zellen-, Modul-, Gestell- und Gesamtsystemebene. In jedem Fall wird die Zelle erhitzt oder auf andere Weise in ein thermisches Durchgehen gezwungen, wodurch Abgas freigesetzt wird, bis die Reaktion zu einem Brand, einer Explosion oder einem anderen thermischen Ereignis führt. Auf jeder Ebene werden Dutzende von Variablen in Bezug auf Abgaszusammensetzung und -freisetzungsrate, Temperatur, Wärmestrom, Wärmefreisetzungsrate und Explosionsrisiko erfasst.

Brandtests geben Aufschluss darüber, wo sich ein Feuer wahrscheinlich ausbreitet, wie schnell und welche Explosionsrisiken bestehen. Diese Informationen helfen Ersthelfern, geeignete Notfallpläne und Standardarbeitsanweisungen für eine sichere und schnelle Reaktion auf Vorfälle zu erstellen – sei es, schnell Wasser oder ein anderes Löschmittel auf das Feuer aufzutragen oder es einfach brennen zu lassen und sich stattdessen darauf zu konzentrieren, den Brand einzudämmen auf einen endlichen und definierten Bereich. Die Ergebnisse leiten auch das Design von Unterdrückungs- und Erkennungssystemen, die Explosionsmodellierung sowie Schutz- und Standortanforderungen.

Zukunftsausblick

Ohne Brandtests ist eine sichere ESS-Bereitstellung nicht möglich. Auch Versicherungen nehmen ESS-Risiken aufgrund der Brände in Südkorea und Arizona wahr. Es ist vernünftig anzunehmen, dass die Einhaltung von Standards bald zu einer Voraussetzung für finanzielle Unterstützung und Versicherungen werden wird.

Die Standards und Codes, die die Industrie für die ESS-Sicherheit benötigt, sind in Arbeit. Obwohl Brandtests heute nur in wenigen Gerichtsbarkeiten erforderlich sind, geht PVEL davon aus, dass sie bis 2021 in der überwiegenden Mehrheit der US-Gerichtsbarkeiten vorgeschrieben sein werden konservative Abstands- und Größenanforderungen für Batteriesysteme.

Mit den richtigen Informationen kann die Branche diese vielversprechende Technologie ohne unangemessene Gefahr für Leben oder Eigentum nutzen, noch bevor dringend benötigte Standards und Kodizes verfeinert, implementiert und erforderlich sind.