In den letzten Jahren hat die Energiespeicherbranche ein explosives Wachstum erlebt.
Um den Markt besser zu erschließen und höhere wirtschaftliche Gewinne zu erzielen, optimieren Energieunternehmen kontinuierlich die Struktur und das Design von Energiespeicherbatterien, um eine höhere Energiedichte und längere Lebensdauer zu erreichen. Die Entwicklung von Batterien mit hoher Kapazität hat sich unter führenden Herstellern von Energiespeichern zu einem wichtigen Trend entwickelt.
Die von Honeycomb Energy hergestellte laminierte Kurzmesser-Energiespeicherbatterie vom Typ L500 mit 325 Ah ist nur 21 mm dick und damit 2/3 dünner als die 280-Ah-Energiespeicherbatterie.
Das 315-Ah-Energiespeicherzellenprodukt von Envision Power hat die Energiedichte bei gleichbleibender Größe um 11 % erhöht;
Die von Penghui Energy hergestellte 320-Ah-Großspeicherbatterie weist eine Kapazitätserhöhung von 14 % auf;
EVE Lithium Energy hat eine Energiespeicherzelle mit ultrahoher Kapazität von 560 Ah auf den Markt gebracht, und eine einzelne Batterie kann 1,792 kWh Energie speichern;
Die große Speicherkapazität bringt jedoch auch neue Herausforderungen für die Entwicklung von Energiespeicherbatterien mit sich.
Mit zunehmender Kapazität steigt auch die Energiedichte innerhalb der Batterie entsprechend an, was zu einer höheren Energiefreisetzung und damit zu größeren Sicherheitsrisiken führt.
In den letzten Jahren kam es immer wieder zu Bränden und Explosionen in Energiespeicherkraftwerken, und in schweren Fällen gab es sogar Todesopfer unter den Mitarbeitern. Die Sicherheit von Energiespeichersystemen ist daher seit jeher ein Grund zur Besorgnis.
Auf der 4. Internationalen Austauschkonferenz für neue Energiefahrzeuge und Antriebsbatterien (CIBF2023 Shenzhen) erklärte Ouyang Minggao, Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, dass Lithium-Eisenphosphat-Batterien im Allgemeinen als relativ sicher gelten. Dies treffe im Wesentlichen auf kleine Lithium-Eisenphosphat-Batterien zu. Bei Batterien mit hoher Kapazität könne die Innentemperatur jedoch 800 Grad überschreiten und damit die Zersetzungstemperatur der Lithium-Eisenphosphat-Kathode übersteigen.
Bei kleinen Batterien kommt es aufgrund einer Kettenreaktion im Inneren zu einer Trennschicht. Das Material der positiven Elektrode zersetzt sich im Grunde erst ab 500 Grad, weshalb kleine Batterien diesen Temperaturbereich nicht erreichen. Akkus mit hoher Kapazität hingegen können Temperaturen von 700–900 Grad erreichen, wodurch die Trennschicht durchbrochen und das Material der positiven Elektrode zersetzt werden kann. Die derzeitigen Energiespeicherbatterien haben in der Regel eine Kapazität von über 300 Amperestunden (Ah), was immer noch ein erhebliches Risiko darstellt.
Einerseits gilt es, die Kapazitäten zu erweitern und die Kosten zu senken, andererseits muss das Sicherheitsrisiko auf einem Minimum gehalten werden. Wie lässt sich beides in Einklang bringen?
Die Energiespeicherbranche legt großen Wert auf die Batteriesicherheit.
Während Energiespeicherkraftwerke auf große Kapazitäten ausgelegt werden, stehen die Sicherheit und der Brandschutz von Energiespeichern vor immer größeren Herausforderungen. Sicherheit ist die Grundlage für die Entwicklung der Energiespeicherbranche.
Laut Statistiken der Zhongguancun Energy Storage Industry Technology Alliance ereigneten sich seit 2011 weltweit über 70 Sicherheitsvorfälle im Zusammenhang mit Energiespeichern. Für 2022 werden weltweit 17 solcher Vorfälle erwartet (ohne private Energiespeicher).
Das Chinesische Forschungsinstitut für elektrische Energie (China Electric Power Research Institute) wies in seinem Unfallanalysebericht auf zwei Hauptursachen für die Explosion des Kraftwerks hin: Zum einen war die thermische Überhitzung der Lithium-Ionen-Batterie die Hauptursache für deren Verbrennung und Explosion. Dadurch konnten die Sicherheit und Qualität des Energiespeichersystems nicht mehr gewährleistet werden. Zum anderen könnten die im Batteriespeichersystem enthaltenen Komponenten wie Batteriemanagementsystem (BMS), Stromverteilungssystem (PCS), Transformator und zugehörige Schutzrelais sowie Kommunikationsausrüstung Qualitätsmängel, nicht normgerechte Installation und Inbetriebnahme, ungeeignete Einstellungen und unzureichende Isolierung aufweisen und direkt oder indirekt Sicherheitsprobleme im Energiespeichersystem verursachen.
Im Falle eines Unfalls können neben den Gefahren, die vom Feuer und der Explosion selbst ausgehen, auch giftige Chemikalien freigesetzt werden, die chemische Gefahren verursachen. Darüber hinaus können elektrische oder physikalische Gefahren auftreten, wenn das zuständige Personal das Energiespeichersystem repariert oder rettet.
Der Bedarf an Temperaturregelung und Brandschutz für Energiespeicher ist gestiegen. Die nationale Norm „Code für die Auslegung von elektrochemischen Energiespeicherkraftwerken“ aus dem Jahr 2014 konnte den rasant wachsenden Sicherheitsanforderungen für Energiespeicher nur schwer gerecht werden. Neben den nationalen Normen dienen lediglich einige Unternehmens-, Gruppen- und lokale Normen sowie die amerikanischen Normen NFPA 855 und UL 9540 als Referenz. Die Sicherheitsstandards für Energiespeicher bedürfen daher weiterer Regulierung.
Der neue nationale Standard für die Sicherheit von Energiespeichern, GB/T 42288-2022 „Sicherheitsbestimmungen für elektrochemische Energiespeicherkraftwerke“, wurde von der Staatlichen Marktregulierungsbehörde (Normenausschuss) verabschiedet und tritt im Juli dieses Jahres offiziell in Kraft. Die Sicherheitsstandards für Energiespeicher werden schrittweise verbessert und verschärft, was auf eine Standardisierung hindeutet – eine neue Phase der umfassenden Entwicklung.
Aufgrund der häufigen Unfälle in Energiespeicherkraftwerken nähern sich die Sicherheitsstandards für Energiespeicher in meinem Land internationalen Standards an und werden stetig verbessert und verschärft. Die Bedeutung von Brandschutz- und Temperaturregelungssystemen für Energiespeicher dürfte deutlich zunehmen und weiterentwickelt werden.
Wie können Energiespeicherkraftwerke sicherer gestaltet werden?
Yang Yusheng, Mitglied der Chinesischen Akademie der Ingenieurwissenschaften, ist der Ansicht, dass Hochenergiebatterien wie ternäre Hoch-Nickel-Batterien derzeit nicht im Fokus der Entwicklung stehen sollten und der Erfolg von Festkörperbatterien ungewiss ist. Lithium-Eisenphosphat-Batterien scheinen derzeit aufgrund ihrer hohen Sicherheit und langen Lebensdauer sowie ihres Verzichts auf Metalle wie Nickel oder Kobalt das Potenzial zu haben, eine führende Rolle einzunehmen, allerdings muss ihr Kosten-Nutzen-Verhältnis kontinuierlich verbessert werden.
Laut Huidong, dem leitenden Experten des Chinesischen Forschungsinstituts für elektrische Energie, ist Lithium-Eisenphosphat theoretisch zwar nicht absolut sicher, aber relativ sicher. Die bisherigen Sicherheitsvorfälle in Energiespeicherkraftwerken ereignen sich häufig, wenn Frühwarnungen fehlen oder zu spät erfolgen. Zudem sind die bestehenden Brandschutzmaßnahmen nicht auf Brände ausgelegt, was letztendlich zu schweren Unfällen führt.
Laut den unvollständigen Statistiken der globalen Energiespeicherdatenbank CNESA wird es 2021–2022 zahlreiche Unfälle mit ternären Lithium-Ionen-Batterien geben. Allerdings wurden ternäre Batterieprojekte in den letzten zwei Jahren nur selten eingesetzt und betreffen hauptsächlich abgeschlossene Projekte. Es gibt sechs Fälle von Lithium-Eisenphosphat-Batterien, einen Fall von Blei-Säure-Batterien; die übrigen Batterietypen sind unbekannt.
Angesichts der Schlüsselrolle der Energiespeicherung beim Ziel der „Doppelkohlenstoffreduzierung“ und der steigenden Anzahl in Betrieb genommener Projekte rücken die Sicherheitsüberwachung von Energiespeichern und die damit verbundene Forschung natürlich immer stärker in den Fokus.
Akademiker Ouyang Minggao sagte kürzlich, dass der Explosionsindex von Lithium-Eisenphosphat in Batterien mit hoher Kapazität doppelt so hoch sei wie der von ternären Batterien.
Angesichts der zahlreichen technologischen Ansätze zur Energiespeicherung sagten viele Experten, dass die derzeit existierenden Batterietechnologien zwar vielfältig seien, diese bestehenden Technologien aber in Zukunft nicht mehr den Massenmarkt darstellen würden und dass mit Sicherheit disruptive Technologien auf den Markt kommen würden.
Das Ziel der elektrochemischen Energiespeichertechnologie für die Zukunft lautet „niedrige Kosten, lange Lebensdauer, hohe Sicherheit und einfaches Recycling“, wofür bahnbrechende Innovationen und technologische Durchbrüche erforderlich sind.
Um die Sicherheit von Energiespeicherkraftwerken zu verbessern, müssen eine Reihe von Maßnahmen ergriffen werden:
Zunächst muss der Aufbau eines Frühwarnsystems verstärkt werden, das die Echtzeitüberwachung von Parametern wie Temperatur, Spannung, Stromstärke und Druck in Energiespeicherkraftwerken umfasst, um potenzielle Sicherheitsrisiken rechtzeitig zu erkennen und darauf reagieren zu können. Zweitens werden aufgrund der Besonderheiten von Energiespeicherkraftwerken spezielle Brandschutzmaßnahmen und Notfallpläne für Notfälle wie Brände erstellt. Darüber hinaus ist auf die Konstruktion und den Prozess des Batteriesystems zu achten. Durch den Einsatz fortschrittlicher Wärmedämmmaterialien und Wärmeableitungstechnologien lassen sich Temperatur und Energieabgabe der Batterie effektiv kontrollieren und potenzielle Sicherheitsrisiken reduzieren. Gleichzeitig werden die Schulung und das Management des Personals intensiviert, um sicherzustellen, dass die Bediener über die notwendigen Sicherheitskenntnisse und -fähigkeiten verfügen, um in verschiedenen Notfällen richtig reagieren zu können.
Die Nationale Energieverwaltung erklärte zudem, dass die Netzanbindung verstärkt werden müsse. Energieversorgungsunternehmen sollten aktiv mit der Netzanbindung und -abnahme von elektrochemischen Energiespeicherkraftwerken zusammenarbeiten und eine „schlechte Netzanbindung“ von Kraftwerken verhindern, die nicht den nationalen (industriellen) technischen Normen für die Netzanbindung entsprechen. Der Betriebsplan sollte optimiert und das sichere Betriebsintervall des Kraftwerks im Netzanbindungsplan festgelegt und strikt eingehalten werden.
Veröffentlichungsdatum: 22. September 2023