Energiespeichersysteme im Allgemeinen sind genau das, was der Name impliziert – Systeme die Energie speichern um sie zu einem späteren Zeitpunkt zur Verfügung zu haben.
Energiespeichersysteme gibt es in unterschiedlichen Ausführungen. Einige Unternehmen nutzen Hydropower-Systeme, bei denen Wasser in ein Reservoir gepumpt wird. Wenn die Energie gebraucht wird, wird über den Druck des Wassers eine Turbine angetrieben, die dann Elektrizität erzeugt.
Hydropower Systeme sind sehr kostspielig und logistisch komplex. Deshalb sind sie meist nur in Installationen auf Versorgungsniveau, also mit Systemrelevanz zu finden.
Aufgrund der hohen Infrastrukturkosten steigen die meisten Unternehmen zunehmend auf Batteriespeichersysteme um.
Solche Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) bestehen üblicherweise aus großen Lithium-Ionen-Batterien um Energie für kurze Zeit zu speichern. Die Systeme sollen dann Phasen geringer Energieproduktion oder hoher Nachfrage abfedern. Die Hauptaufgabe ist also die Stabilisierung des Versorgungsnetzes und das Vermeiden von Blackouts.
Batteriespeichersysteme für kommerzielle und private Anwendungen stellen einen kleinen – aber schnell wachsenden – Sektor der Energiespeichersysteme dar. Zunehmend werden auch in privaten Haushalten und Unternehmen, die erneuerbare Energiegeneratoren (z.B. Solar- oder Windkraftanlagen) verwenden, Lithium-Ionen Batteriespeichersysteme installiert. Dies ermöglicht auch dort die Speicherung von Strom in Zeiten überschüssiger Produktion und ist günstiger, als den Strom an das Netz zu verkaufen und dann zu einem höheren Preis zurückzukaufen. Sie dienen auch als Backup bei Stromausfällen.
Es wird geschätzt, dass BESS einen weltweiten Marktanteil von 90% in Bezug auf Energiespeichersysteme haben. Angewandte Forschung und wirtschaftliche Maßstäbe in der Fertigung haben zu sinkenden finanziellen Ausgaben für ihre Installation geführt. Es wird prognostiziert, dass der Marktanteil von Batteriespeichersystemen auf Lithium-Ionen Basis aufgrund ihres Potenzials in den kommenden Jahren exponentiell wächst.
Beim Umgang mit jeglicher Form von Energie und deren Speicherung besteht immer ein gewisses Risiko und einer damit verbundenen Gefährdung. Bei Hydropower Systemen besteht die Gefahr, dass der Sicherheitsbehälter versagt und das darin befindliche Wasser die umliegenden Bereiche flutet und beschädigt.
Batteriespeichersysteme speichern viel Energie auf kleiner Fläche. Das Design ist zwar effizient, schafft jedoch ein nicht unerhebliches Risiko, welches gemanagt werden muss. Die meisten BESS arbeiten zwar aufgrund von modernen Überwachungssystemen zuverlässig und ohne unglückliche Zwischenfälle, dennoch muss das Risiko des Ausfalls einer oder mehrerer Zellen berücksichtigt und angegangen werden.
Die Hauptrisiken von Lithium-Ionen BESS ist die Beschädigung des Batteriegehäuses oder die Überhitzung des Systems durch interne Fehler oder extern durch bspw. Feuereinwirkung. Kommt das Risikozenario erst einmal zum Tragen können giftige und entzündliche Gase freigesetzt werden, die oft zu einem Brand und möglichen Explosionen führen. Die Obliegenheiten solche Risiken zu identifizieren und Maßnahmen zu ihrer Minimierung zu ergreifen liegt beim Betreiber solcher Anlagen.
Bevor wir uns mit den spezifischen Risikomanagementstrategien beschäftigen, ist es notwendig, die Fehlerabläufe bei Lithium-Ionen Batteriespeichersystemen zu verstehen.
Die Batteriezelle wird aufgrund von mechanischen Beschädigungen, internen oder externen thermischen Vorfällen oder elektrischen Störungen beeinträchtigt.
Kleine Mengen Gas, typischerweise Wasserstoff, entstehen und werden mit Wärme freigesetzt. Dieser Vorgang wird als „Ausgasen“ bezeichnet.
Mit zunehmender Hitze beginnt Rauch aus der Zelle auszuströmen. Rauch ist der beste Indikator für eine bevorstehende Entzündung der Batteriezelle und das oftmals damit verbundene „thermische Durchgehen“.
Es entsteht ein Brand. Die auf umliegende Zellen wirkende Hitze führt mit hoher Wahrscheinlichkeit zum „Thermal Runaway“ zusammen mit der Möglichkeit einer Explosion. Bei großen Batterieanlagen werden beim Brand teilweise so große Mengen von elektrisch leitendem Graphitstaub freigesetzt, dass auch umliegende elektrische Anlagen beschädigt werden.
Um defekte Energiespeichersysteme unter Kontrolle zu bringen, gibt es zwei Zeitfenster. Das erste liegt ca. 11-12 Minuten vor dem thermischen Durchgehen, wenn sich die Batterie im Stadium des Ausgasens befindet. Mithilfe von speziellen Systemen lassen sich selbst kleinste Mengen Gas detektieren, sodass ein Batteriemanagementsystem (BMS) die Zellen abschalten kann. Das BMS dient der Überwachung der Zelle, sowie der Temperatur während der Lade- und Entladephase. Auch können Belüftungssysteme aktiviert werden, um die brennbaren Dämpfe aus dem Gehäuse des Batteriespeichersystems abzusaugen. Dadurch können bevorstehende Explosionen schon in der Entstehungsphase erkannt und Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.
Das zweite Zeitfenster liegt kurz vor der Entzündung der Zelle, wenn die Rauchentwicklung begonnen hat. Jetzt sollten Brandunterdrückungsmaßnahmen eingeleitet werden, um eine Ausbreitung des Feuers auf weitere Zellen zu verhindern.
Feuer in Lithium-Ionen Batteriespeichersystemen sind besonders problematisch. Dafür gibt es eine Reihe von Gründen:
Bei Lithium-Ionen Batteriebränden gibt es außerdem eine Vielzahl an Stoffen die als Brennstoff in Frage kommen:
Das Design der Zelle führt zwangsläufig zu einem schwer zugänglichen Feuer innerhalb des Gehäuses.
Angesichts des besonderen Gefahrencharakters von Lithium-Ionen Batteriespeichersystemen sind spezielle Löschanlagen von Nöten. Bei wasserbasierten Löschanlagen kann das Löschmittel selbst Kurzschlüsse verursachen, zum anderen entstehen durch das Löschwasser unvermeidlich große Beschädigungen an der gesamten Anlage. Des Weiteren wird das Wasser durch die hohe Energie sofort in seine Bestandteile zerlegt, wodurch Wasserstoff entstehen kann. In Kombination mit Sauerstoff führt dies zu einer gefährlichen Knallgasmischung mit extrem hohen Zündpotenzial. Der Aufbau von Batteriezellen verhindert in den meisten Fällen außerdem, dass das Wasser bis an die Flamme herankommt. Dringt das verseuchte Löschwasser in das Grundwasser ein, entstehen noch weitaus erheblichere Schäden und Gefährdungen.
Gaslöschanlagen sind ebenfalls problematisch, da sie entweder durch Sauerstoffverdrängung oder Abkühlung der Anlage wirken. Beides wird jedoch von den brennenden Batteriezellen beim Brandvorgang selbst erzeugt.
Aerosol-Löschanlagen können die chemische Reaktion innerhalb der Batteriezelle zwar nicht stoppen, aufgrund der einzigartigen Charakteristik des Löschmittels kann es dafür jedoch über einen langen Zeitraum eine nicht-zündfähige Atmosphäre im Raum schaffen. Die extrem heiße Verbrennung von Elektrolydämpfen und Lösungsmitteln wird dadurch verhindert, sodass umliegende Infrastruktur und weitere Batteriezellen geschützt werden.
Die Situation wird lange genug kontrolliert, dass sich der chemische Prozess innerhalb der Zelle bis zum Ende fortsetzen und zum Erliegen kommen kann.
Aerosol Löschsysteme sind vor allem als Reaktion auf das am 1. Januar 1989 in Kraft getretene Montreal-Protokoll und dem damit verbundenen Verbot von Halon-Löschmitteln entwickelt worden. Als Ersatz für Halon sollte ein Löschmittel her, welches Feuer auf chemischer Ebene bekämpft, umweltfreundlich ist, kein oder nur niedriges Ozonschädigungspotenzial hat, ungiftig für Menschen ist und kein Equipment beschädigt.
Aerosol-Löschsysteme produzieren dafür ein hoch effektives und technologisch fortgeschrittenes Löschmittel, mit einzigartigen operativen und funktionalen Charakteristiken. Sie kombinieren damit ein umweltfreundliches sowie ungefährliches Löschmittel mit höchsteffektiven Löscheigenschaften.
Das Resultat ist Brandbekämpfung in der Entstehungsphase, geringere Schäden an Anlagen, Equipment und Gebäuden, signifikant kürzere Produktionsausfälle, sowie Kosteneffizienz im vorbeugenden Brandschutz.
Definition
Definiert wird kondensiertes Aerosol als ein Löschmedium, bestehend aus fein verteilten Feststoffpartikeln und gasförmigen Stoffen, die im Verbrennungsprozess eines Feststoffs entstehen. Die National Fire Protection Association (NFPA) der USA definiert kondensierte Aerosole als Schwebeteilchen mit einem Durchmesser von weniger als 10 Mikrometern. Aufgrund der geringen Partikelgröße entstehen große Reaktionsflächen, die für die Wirksamkeit des Löschmittels entscheidend sind.
Ihren Ursprung hat die Aerosol-Löschtechnik in der Raumfahrtindustrie. Nirgendwo ist maximale Zuverlässigkeit und Effizienz wichtiger als im Weltall. Die Antwort auf die spezifischen Herausforderungen der Raumfahrtindustrie fand man in kondensiertem Kaliumcarbonat, suspendiert in einem Gasgemisch – die ersten Aerosol-Löschmittel waren geboren.
Wie ein Feststoff-Raketenbooster der Ariane 5 Rakete wird das Löschmittel als feste Chemikalie produziert und verbaut. Erst bei Aktivierung entsteht das Aerosol als eigentliches Löschmittel. Produktionsstandards und Reinheit der Zutaten entscheiden unmittelbar über die Zusammensetzung und Wirksamkeit des Löschmittels.
Feuer benötigt zur Entstehung das richtige Mengenverhältnis von Sauerstoff, brennbarem Material und Wärme. Die meisten Löschmethoden zielen darauf ab, dem Feuer entweder den Sauerstoff zu entziehen oder die Temperatur unter einen Bereich zu senken, indem die Verbrennungsreaktion nicht aufrechterhalten werden kann.
Die primäre Löschwirkung von Aerosol-Löschsystemen beruht auf der Unterbrechung der Kettenreaktion der Verbrennung und nicht auf Sauerstoffverdrängung. Das Löschmittel breitet sich aus wie Gas, nur ohne toxische Eigenschaften, ohne Sauerstoffverdrängung und wird weder unter Druck gelagert noch unter Druck ausgestoßen.
Das grundsätzliche Löschprinzip, die Kettenreaktion der Verbrennung zur unterbrechen ist bei allen Aerosol Löschsystemen gleich. Unterschiede gibt es vor allem bei der Rezeptur des Feststoffs im Generator und der Fertigungsqualität der Generatoren.
Die Unterschiede der Rezeptur machen sich stark bemerkbar bei der Parktikelgröße und damit der Reaktionsoberfläche, welche für die Löschmitteleffizienz verantwortlich ist, sowie bei Zusammensetzung und Menge der entstehenden Gase, welche bei der Auslösung entstehen. Je reiner der Feststoff, desto effizienter und weniger toxisch das Löschmittel.
Das patentierte AF-X Aerosol wird von APP – Teil der Ariane Group gefertigt und gilt als das weltweit qualitätsführende Aerosol-Löschsystem und ist nachweislich nicht toxisch.
Effizienz
Aerosol-Löschanlagen sind bezogen auf die Masse des Löschmittels zu Löschbarem Raumvolumen mit Abstand die effizienteste Art Feuer zu löschen. Die führenden Aerosol-Löschsysteme benötigen weniger als ein zehntel der Löschmittelmenge pro Kubikmeter Schutzvolumen als die effektivsten Löschgase.
Preis-Leistung
Da neben der hohen Effizienz des Löschmittels auch jegliche Errichtungs- und Wartungsaufwände für Rohrleitungen, Druckmesssysteme etc. entfallen, haben Aerosol-Löschanlagen im Vergleich zu anderen Löschmethoden ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis. Berücksichtigt man das Risiko für Schäden an Gebäuden und Anlagen, welches z.B. von Löschanlagen auf Wasserbasis ausgeht, wird der Vorteil umso erheblicher. Aerosol Löschanlagen beschädigen bei fachgerechter Installation und Planung keine Gebäude oder Anlagen!
Umweltfreundlich
Aerosol-Löschanlage haben kein Erderwärmungspotenzial und kein Ozonschädigungspotenzial. Sie sind zu 100% PFAS-frei.
Ungefährlich
Aerosol-Löschanlagen verdrängen keinen Sauerstoff. Die qualitätsführenden Aerosol-Löschsysteme sind zudem nicht toxisch. Somit geht keine unmittelbare Gefährdung für Personen vom Löschmittel aus. Zu beachten ist, dass das Löschmittel bei Aktivierung eine blickdichte Nebelwolke im Raum bildet, die die Entfluchtung von Personen beeinflusst. Die Anlagen werden deshalb verzögert und mit einem Räumungsalarm ausgelöst.
Keine Druckentlastung notwendig
Große Herausforderungen für Betreiber, die eine Gaslöschanlage installieren wollen, ist oft die Druckentlastung, die dafür notwendig ist. Aerosol-Löschanlagen bauen im Raum keinen relevanten Druck auf, weswegen keine Druckentlastung notwendig ist. Vor allem EDV-Räumen und Lagerräumen in Kellergeschossen, in denen nachträglich eine Löschanlage installiert werden muss, ist dies von großem Vorteil.
Aerosol Löschsysteme sind vor allem als Reaktion auf das am 1. Januar 1989 in Kraft getretene Montreal-Protokoll und dem damit verbundenen Verbot von Halon-Löschmitteln entwickelt worden. Als Ersatz für Halon sollte ein Löschmittel her, welches Feuer auf chemischer Ebene bekämpft, umweltfreundlich ist, kein oder nur niedriges Ozonschädigungspotenzial hat, ungiftig für Menschen ist und kein Equipment beschädigt.
Aerosol-Löschsysteme produzieren dafür ein hoch effektives und technologisch fortgeschrittenes Löschmittel, mit einzigartigen operativen und funktionalen Charakteristiken. Sie kombinieren damit ein umweltfreundliches sowie ungefährliches Löschmittel mit höchsteffektiven Löscheigenschaften.
Das Resultat ist Brandbekämpfung in der Entstehungsphase, geringere Schäden an Anlagen, Equipment und Gebäuden, signifikant kürzere Produktionsausfälle, sowie Kosteneffizienz im vorbeugenden Brandschutz.
