Solar-Standpunkt zur Sicherheit von Photovoltaik-Anlagen und Batterien; So wird Brandgefahr vermieden

Photovoltaik-Komponenten und Batterien vermieden werden.

Weiss liefert Systeme für Klima- und Temperaturprüfungen, Bewitterungs-, Temperaturschock-, Korrosions- und Langzeitprüfungen.
Im Zuge der Energiewende soll in allen EU Mitgliedsstaaten bis 2020 ein Fünftel des Energieverbrauchs aus erneuerbaren Quellen abgedeckt werden, eine der wichtigsten Quellen stellt dabei die Sonne dar. In Deutschland ist die Solarenergie bereits heute ein wichtiger Teil der erneuerbaren Stromerzeugung: Mit einem Anteil von 22 Prozent rangierte sie 2014 auf Platz drei hinter Windkraft mit 33 Prozent und Biomasse mit 27 Prozent. Das entspricht einem Volumen von 35.200 Gigawattstunden beziehungsweise 6,9 Prozent des deutschen Netto-Strombedarfs. 1,5 Millionen PV-Anlagen sind bereits in Betrieb und der Ausbau der Kapazitäten schreitet weiter voran.

Testen für sichere PV-Anlagen
Mit der Verbreitung der PV-Technologie breitet sich jedoch auch Angst aus- vor dem Feuer auf dem eigenen Dach. Die ersten PV-Komponentenbrände wurden im Jahr 2006 bekannt, deren Anzahl nimmt von Jahr zu Jahr zu. Als größte Brandursache bei PV-Anlagen gelten lokale Überhitzungen, die durch Überspannungs- beziehungsweise Kurzschlussschäden entstehen können. Kurzschlüsse passieren wegen vorzeitiger Alterung und Kontaktkorrosion der unterschiedlichen Metalle, die in der Anlage verbaut sind. Diese können ihrerseits durch die Umwelteinflüsse wie Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen entstehen, denen die Anlage ständig ausgesetzt ist.

Bauartprüfung vor der Markteinführung
Die Brandvorfälle der vergangenen Jahre haben zu einer hohen Sensibilität für die Sicherheit von PV-Anlagen geführt, insbesondere bei Dachanlagen und gebäudeintegrierter Photovoltaik. Die Sicherheit ist somit eine sehr wichtige Voraussetzung für eine weitere Verbreitung der PV-Technologie. Aus diesem Grund wird die Sicherheit von PV-Produkten bereits während der Produktion berücksichtigt. Es muss außerdem sichergestellt werden, dass PV-Module den verschiedenen Umweltbelastungen während des Betriebs standhalten. Deswegen werden PV-Module vor ihrer Markteinführung einer Bauartprüfung unterzogen. Die Prüfung der Bauarteignung und Bauartzulassung von PV-Modulen ist durch zwei Normen geregelt: IEC 61215 und IEC 61646. Sie beinhalten Sonnensimulation, Temperaturwechselprüfungen, Feucht-Frost-Prüfungen und Feuchte-Wärme-Prüfungen.
Im Zeitraffer wird so getestet, was sonst nur nach mehreren Jahren Betriebszeit festgestellt werden kann: die Resistenz gegenüber Umwelteinflüssen und Qualitätsmängel, die zur frühen Alterung führen oder im schlimmsten Fall Gefahrenquellen sind. Die Prüfsysteme können diese Bedingungen nicht nur einzeln, sondern auch in verschiedenen Kombinationen simulieren.

Batterien im Stresstest
Mit dem steigenden Anteil an Solarenergie steigt auch der Bedarf an neuen Technologien, die für einen Ausgleich zwischen Stromerzeugung und –nachfrage sorgen. Langfristig werden also leistungsfähige Stromspeicher benötigt. Schon heute werden Batteriespeicher für Solaranlagen angeboten, die für eine stetige Energieversorgung sorgen. Dafür werden zunehmend Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt. Dank ihrer hohen Zyklenfestigkeit und schnellen Wiederaufladbarkeit eignen sich diese besonders für den Einsatz in solaren Anwendungen. Auch Hersteller von Elektroautos greifen auf Lithium-Ionen-Batterien zurück, die laut einer UMSICHT und IWES-Studie durch Massenfertigung und der Weiterentwicklung einzelner Komponenten über ein hohes Kostensenkungspotential verfügen. Wie jede Technologie bergen jedoch auch sie Risiken. So wie bei PV-Anlagen besteht bei Batteriespeichern Brandgefahr bei Beschädigung oder nicht fachgerechter Handhabung.
Brandursachen bei Lithium-Ionen-Batterien sind Wärme, Überladung oder mechanische Beschädigung. Wenn sich Zellen aus diesen Gründen zersetzen oder thermisch durchgehen, entstehen auf der Oberfläche Temperaturen von bis zu 800 °C. Die Zelle öffnet sich und bläst unter Überdruck ihren Inhalt nach außen. Der dabei entstehende weiße bis graue Nebel enthält den Elektrolyten und andere Zellbestandteile, die sich dann entzünden und eine Stichflamme verursachen können. Grund dafür ist eine Reaktion mit Wasser, die durch die Luftfeuchtigkeit zustande kommt. Der Nebel birgt nicht nur Brandgefahr, sondern ist auch giftig und ätzend.
Auch hier sind bereits während der Produktion Tests möglich, damit Batterien gegen Umwelteinflüsse resistent sind. Dadurch kann das Risiko mechanischer Schäden durch Alterungserscheinungen bereits im Vorfeld ermittelt und durch entsprechende Weiterentwicklungen minimiert werden.

Alterungsprozess wird im Zeitraffer simuliert
Bei Sicherheitsprüfungen wird der Alterungsprozess im Zeitraffer simuliert, in dem die Batterien bestimmten konkreten Stressparametern ausgesetzt werden. So können Aussagen über die Zuverlässigkeit und Sicherheit nach mehreren Jahren Betriebsdauer bereits nach kurzer Zeit getroffen werden. Die einzelnen Komponenten werden Temperatur- und Klimatests unterzogen, wobei die gewählten Parameter zu einem hohen Grad reproduzierbar sind. So können unterschiedliche Entwicklungsstufen getestet und miteinander verglichen werden. Wie auch bei den PV-Modulen gibt es verschiedene Prüfungen, wie die Bewitterungsprüfung, die Temperaturschockprüfung und die Korrosionsprüfung.
Zusätzlich ist nach dem Sicherheitsleitfaden für Lithium-Ionen-Hausspeicher (Version 1.0) eine Schutzmaßnahme („Sollkontaktunterbrechung“) gegen unkontrolliertes Bersten und Explodieren der Zelle eingebaut. Diese müssen ebenfalls getestet werden, um sicherzustellen, dass sie bei zu hoher Temperatur oder zu hohem Druck auslösen.
Das Testen von PV-Anlagen und Batterien bereits während der Entwicklung und Produktion ist für Hersteller nicht mehr wegzudenken. Es gibt dabei keine auf der Erde vorkommenden Umweltbedingungen, die nicht getestet werden können. Und das beruhigt dann auch den Verbraucher und trägt zur weiteren Verbreitung von PV-Anlagen bei, sodass die Ziele der Energiewende in Bezug auf Solarenergie auch weiterhin so gut eingehalten werden können.

Quelle: Weiss Umwelttechnik GmbH; Bild: linkedin