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Sicherheit: Wie sicher sind Photovoltaik-Batteriespeicher?

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Im Markt der Photovoltaik-Stromspeicher setzen sich Systeme mit Lithium-Ionen-Batterien durch. Nach und nach haben sie Marktanteile von den Bleispeichern erobert. Denn die Vorteile der Lithium-Ionen-Technologie sind gerade für Heimspeicher signifikant. Allen voran die höhere Speicherdichte, wodurch diese Systeme weniger Platz benötigen, aber auch der höhere Wirkungsgrad und die längere Haltbarkeit der Akkus. Der Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien in stationären Energiespeichersystemen ist jedoch noch relativ neu.

Zur Massenanwendung wurden Lithium-Ionen-Batterien durch den Einsatz in mobilen Geräten, zum Beispiel in Digitalkameras, Notebooks und Mobiltelefonen. Dies aber auch erst seit Ende der 1990er Jahre. Später wurden sie auch in Elektroautos eingesetzt – ebenfalls eine mobile Anwendung – und erst im nächsten Schritt in fest montierte Photovoltaik-Batteriespeichersysteme. Im Jahr 2011 kamen die ersten Photovoltaik-Heimspeicher auf den Markt. Meistens werden sie im Keller oder im Technikraum von Wohnhäusern aufgestellt. Dort speichern sie den Solarstrom vom eigenen Dach, der gerade nicht im Gebäude verbraucht werden kann.

So wird Sicherheit gewährleistet

Ein Thema, das die Verbraucher – verständlicherweise – besonders interessiert, ist die Sicherheit dieser Speichersysteme. Denn hin und wieder ist von brennenden Lithium-Akkus zu lesen, sei es in Handys oder in Notebooks. Und auch Berichte von brennenden Heimspeichern gingen schon durch die Presse. Dies war aber vor allem durch die Labortests an fünf PV-Speichern von einem Forschungsinstitut ausgelöst. Da das Gefahrenpotenzial durch Überladung, welche zu Überhitzung und im schlimmsten Fall zu Brand führen kann, bekannt ist, hat die Branche sich des Themas intensiv angenommen. Der sichere Betrieb von Heimspeichern hat Priorität bei der Entwicklung der Produkte. Dass in den vergangenen Jahren viel zur Erhöhung der Sicherheit geschehen ist, hat inzwischen auch das Forschungsinstitut anerkennend bestätigt.

DIN-Norm in Arbeit

Seit einigen Jahren schon arbeitet ein Expertengremium an einer DIN-Norm für Photovoltaik-Speicher. Solche Normen erfassen den Stand der Technik zu Industrieprodukten und gelten als Empfehlungen für die Hersteller. Letztlich fassen sie die Kriterien für einen sicheren Betrieb zusammen. Aufgrund der Komplexität der Batteriespeichersysteme und der Vielzahl an Mitwirkenden erfordert solch ein Normungsprozess viel Zeit. Im Dezember 2014 veröffentlichte der Ausschuss den ersten Entwurf mit dem Titel „Stationäre Energiespeichersysteme mit Lithium-Batterien – Sicherheitsanforderungen“. Darin werden Prüfungen von Batteriezellen, -Packs und -Systemen beschrieben. Anschließend konnten Verbände, Hersteller und andere Marktteilnehmer dazu Stellung nehmen. Die Rückmeldungen machten eine Überarbeitung erforderlich, im Juni 2016 lag der Folge-Entwurf noch nicht vor.

Bei der internationalen Norm ging es schneller. Die Norm DIN EN 62619 („Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes – Safety requirements for large format secondary lithium cells and batteries for use in industrial applications”) wurde im April 2014 veröffentlicht. Sie beschreibt Anforderungen und Prüfverfahren für den sicheren Betrieb von Akkus zur Speicherung von erneuerbarem Strom.

Sicherheitsleitfaden als Vorstufe zur Norm

Eine Vorstufe zur deutschen Norm ist der „Sicherheitsleitfaden Lithium-Ionen-Hausspeicher“, der im November 2014 veröffentlicht wurde. Das 24 Seiten starke Dokument wurde unter dem Dach des Bundesverbandes Energiespeicher (BVES) erarbeitet. Zu der Arbeitsgruppe gehören unter anderem der Bundesverband Solarwirtschaft (BSW-Solar), der Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie (ZVEI), Prüfinstitute und Speicherhersteller.

Welches sind die bewährtesten und sichersten Möglichkeiten, einen Speicher einbauen und nutzen zu können?

Der Leitfaden stellt ein Sicherheitskonzept dar, nach dem die Hersteller ihre Geräte aufbauen und prüfen können. Er beschreibt sicherheitstechnische Risiken für den Transport, die Installation und den Betrieb von Lithium-Systemen und definiert 41 sogenannte Schutzziele. Dies sind Ziele für Zellen, Batterien und Systeme zur Gewährleistung der Sicherheit sowie allgemeine Schutzziele. Dabei dreht es sich um Themen wie Kurzschlüsse, Überladung, zu hohe und zu tiefe Temperaturen, Produktions- und Designfehler, mechanische Schäden, Fehlbedienung und Verschmutzung. In dem Sicherheitsleitfaden sind auch die Normen genannt, die zur Vorbeugung und Vermeidung dieser Gefahrenquellen eingehalten werden sollten.

Für die Hersteller und andere Anbieter von Solarspeichersystemen ist es keine Pflicht, ihre Systeme nach dem Leitfaden prüfen und zertifizieren zu lassen. Der Sicherheitsleitfaden fand jedoch eine breite Anerkennung in der Branche und soll zu Teilen auch in die deutsche Norm einfließen.

Gesetzeskonforme PV-Stromspeicher

Doch auch ohne Norm und Sicherheitsleitfaden können Produkte entwickelt und in den Verkehr gebracht werden. Dafür muss der Inverkehrbringer die Konformität mit den geltenden Gesetzen sicherstellen und erklären. Sichtbar wird dies zum Beispiel am CE-Zeichen, das die Sicherheit und Gesundheitsverträglichkeit unterschiedlichster Industrieprodukte bestätigt. Auch Solar-Heimspeicher benötigen das CE-Zeichen, damit sie in den Ländern der Europäischen Union vertrieben werden dürfen.

Darüber hinaus gibt es auch ohne eine übergreifende, harmonisierende Norm schon diverse Anwendungsregeln, die einzuhalten sind. Denn Photovoltaik-Speichersysteme bestehen aus mehreren Komponenten, für die es bereits Normen gibt – zum Beispiel für Photovoltaik-Wechselrichter, für die Leistungselektronik und den Schalterschrankbau. Hier gibt es namhafte Hersteller, welche in ihren Entwicklungsabteilungen und Produktionsstätten erprobte allgemeine Normen wie die VDE-Norm 0100 oder DIN EN 61439 berücksichtigen.

Hersteller können auf vielen Gebieten aktiv werden, um ihre Systeme sicher zu machen. Das beginnt schon bei der Auswahl der Batteriezellen. Denn die Sicherheit des Gesamtsystems wird bestimmt durch das schwächste Glied, und das ist bei Lithium-Ionen-Batterien die Batteriezelle.

Für ein sicheres Speichersystem sollten ausschließlich Zellen von namhaften Qualitätsherstellern verwendet werden. Eine Elektronik – das Batteriemanagementsystem – überwacht und regelt den Betrieb der Zellen. Zum Beispiel kontrolliert es die Temperatur der Zellen und stellt sicher, dass sie nicht überhitzen. Dafür ermittelt es laufend die Ladezustände und passt die Be- und Entladung der einzelnen Zellen an, so dass es nicht zu Überladung kommt. Und es erfasst die Betriebsdaten aller Zellen. Es gibt viele Qualitätshersteller, die ihre Produkte schon seit fünf Jahren und länger auf dem Markt haben und die sich bei der Zertifizierung an die zu dem Zeitpunkt vorhandenen Normen gehalten haben.

Für die Speichersysteme gelten extrem hohe Anforderungen. So wird die sogenannte Einfehlersicherheit gefordert. Das heißt, jeder Fehler, der auftreten kann, muss bewältigt beziehungsweise ausgeglichen werden können. Weiterhin gibt es eigensichere Teilsysteme. So sollten beispielsweise die Batteriemodule zusammen mit dem Batteriemanagementsystem eigensicher sein.

Um eine höchstmögliche Sicherheit zu gewährleisten, gibt es mehrstufige redundante Sicherheitskonzepte. Sie setzen sich aus einer Vielzahl von hard- und softwareseitigen Maßnahmen zusammen. Im Fehlerfall greifen mehrere Mechanismen, die unabhängig voneinander sind. Solche Sicherheitskonzepte können bis zu vier oder fünf Stufen haben. Darüber hinaus führen die Hersteller Risikoanalysen durch, die zum Teil auch durch externe Prüfinstitute überwacht werden.

Sicherheit beim Transport

Für die Sicherheit von Batteriesystemen ist aber nicht nur der Hersteller zuständig. Auch der Transport, die Montage und der Aufstellort spielen dafür eine Rolle. So müssen Lithium-Ionen-Batterien der Norm UN 38.3 entsprechend transportiert werden. Im nächsten Schritt, bei der Montage, sollten Installateure die Vorgaben des Herstellers bzw. Anbieters befolgen. Um Sicherheitsstandards bei der Montage zu etablieren, wurde im September 2015 eine Norm veröffentlicht. Sie trägt den Namen „Stationäre elektrische Energiespeichersysteme vorgesehen zum Anschluss an das Niederspannungsnetz“. Zum Aufstellort gibt es in der Regel in der Montageanleitung Hinweise. So müssen beispielsweise Ober- und Untergrenzen für die Umgebungstemperatur eingehalten werden.

Wurde ein sicheres Produkt angeliefert und am passenden Ort von einem kompetenten Installateur montiert, braucht der Speicher bloß noch an das öffentliche Stromnetz angeschlossen werden. Auch hierfür gibt es eine Auflage. Die deutschen Verteilnetzbetreiber fordern hierfür die Zertifizierung nach der Anschlussrichtlinie 4105 für das Niederspannungsnetz. Da diese Anschlussrichtlinie in der aktuellen Fassung nur für Generatoren gilt, soll zusätzlich der sogenannte FNN-Hinweis für den Anschluss von Speichern an das Niederspannungsnetz beachtet werden. Für die Einhaltung dieser Richtlinien ist aber wieder der Hersteller zuständig. Die Konformität mit der Richtlinie 4105 wird auch in der Herstellererklärung gefordert, die für einen Antrag auf eine Speicherförderung durch die KfW-Bankengruppe erforderlich ist.

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