Wie sicher sind Lithium-Ionen-Akku-Speicher wirklich?

Die Dezentralisierung der Stromerzeugung in Kombination mit Stromspeichern wird in den nächsten Jahren voranschreiten. Dafür sind Lithium-Ionen-Batteriespeicher durch schnell sinkende Preise inzwischen die erste Wahl. Doch wie sieht es bezüglich ihrer Sicherheit aus bzw. wie lassen sich die potenziellen Risiken minimieren? Wolfgang Schmid, freier Fachjournalist für Technische Gebäudeausrüstung,  sprach dazu mit Thomas Timke, Experte für elektrische Energiespeicher und Batterienormung vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

Schmid: Der Markt für Batteriespeicher wächst überproportional, so zumindest der Eindruck von den diesjährigen Parallelmessen Intersolar und ees Europe in München. Quantitativ mag der Eindruck stimmen, aber wie sieht es mit dem qualitativen Wachstum aus? In den letzten beiden Jahren sprachen Sie und weitere Wissenschaftler von einem hohen Nachholbedarf dieser Systeme in Bezug auf Sicherheit und Wirtschaftlichkeit. Hat sich seither viel geändert?

Timke: Ja, es hat sich innerhalb relativ kurzer Zeit, auch dank der Berichterstattung in den Fachmedien, viel verändert. Das Thema Sicherheit ist deutlich präsenter und der Anteil an guten Systemen ist deutlich gestiegen. Einer der Auslöser war ein Artikel über unsere Versuchsergebnisse in den VDI-Nachrichten Anfang 2014. Wir waren damals recht erstaunt über die plötzliche weltweite Resonanz, obwohl wir das Thema schon vorher häufig ansprachen. Da die Normung von Batteriespeichern weitgehend auf internationalen Standards beruht, haben die meisten Länder das gleiche Problem.

Ein Problem ist, dass sich Hersteller  mit zu geringen Budgets  eine Qualitätssicherung der Zellen nicht leisten und dann auf Zellenlieferanten stoßen, deren Produkte  nicht unserer europäischen Vorstellung von Produktsicherheit entsprechen.

Unsere Warnungen vor Normungslücken, der Bedarf an Orientierung am Markt sowie die Unzufriedenheit von Markenherstellern und Experten über den Mangel an sichtbarer Abgrenzung zu unsicheren, somit oft billigeren Heimenergiespeichern haben dazu geführt, dass sich in kürzester Zeit alle relevanten Verbände auf die Erarbeitung eines Standards mit prüfbaren Anforderungen geeinigt haben. Dazu gehören in Deutschland der BVES, BSW, ZVEI, ZVEH, DGS und der Verein StoREgio. Deren Experten entschlossen sich, zusammen mit Herstellern, Prüflaboren und dem KIT, zur Erarbeitung eines nationalen und frei verfügbaren Papiers mit Informationsteil, da dieses kurzfristiger realisierbar war als eine internationale Norm für die Ionen Lithium Akkus.

Die Expertengruppe hat dann innerhalb eines halben Jahres den Sicherheitsleitfaden für Lithium-Ionen-Heimspeicher V1.0 erstellt und bereits im November 2014 veröffentlicht. Mehr Übereinstimmung über Verbandsgrenzen hinweg kann es kaum geben. Mittlerweile sind mehrere danach getestete Systeme verfügbar. Man muss an dieser Stelle jedoch betonen, dass bislang wahrscheinlich kein Anbieter auf dem deutschen Markt absichtlich minderwertige Haus-Energiespeicher verkauft hat. Jeder, der ein System auf der Basis von Lithium-Ionen-Batterien baut, weiß wie komplex so ein li-System ist und macht sich entsprechend Gedanken um die Sicherheit.

Das Problem ist, dass sich Hersteller oder Entwicklerteams mit zu geringen Budgets oftmals eine Qualitätssicherung der Lithium-Ionen-Zellen und Know-how-Aufbau dazu nicht leisten und dann häufig auf Zellenlieferanten stoßen, deren Produkte eigentlich nicht unserer europäischen Vorstellung von Produktsicherheit entsprechen. Dann fehlt das Sicherheitsverständnis und infolge die Absicherung der Batterien gegen Lithium-Ionen-spezifische Fehler. Auch an dieser Stelle wirkt der Sicherheitsleitfaden, indem er den Stand der Technik ergänzt und somit bei der Produktentwicklung und Produktsicherheit – auch aus juristischer Sicht – berücksichtigt werden muss.

Neue Richtlinien für Lithium-Ionen-Akku

Schmid: Was hat sich im vergangenen Jahr konkret bei den Normen, Richtlinien und Vorschriften für Lithium-Ionen-Batteriespeicher geändert?

Timke: Sicherheitsrelevante Anforderungen, die vielen zwar bekannt, aber nicht in Normen und Produktprüfungen enthalten waren, werden in den neueren Papieren konkret dargestellt und auch erklärt. Man kann auch sagen, dass das allgemeine Thema Sicherheit für alle Marktbeteiligte konkreter geworden ist. Beispielsweise haben sich die Experten auf die Formulierung geeinigt, dass es keine nicht-brennbaren Lithium-Ionen-Zellen gibt. Leider behaupten immer noch einige Anbieter, das träfe auf ihre Zellen nicht zu.

Genaugenommen kann heute keiner mehr sagen, er hätte von den relevanten Sicherheitsanforderungen nichts gewusst. Die bald erscheinende Neufassung der VDE-Anwendungsregel VDE-AR 2510-50 wird ebenfalls das Thema Sicherheit verbessern und ist im Vergleich zum Sicherheitsleitfaden im Format einer Norm gehalten. Den Beleg für das Brandrisiko und andere Spezifika von Lithium-Ionen-Batterien liefert auch die einschlägige Fachliteratur. Wer also Produkte und Systeme ohne Berücksichtigung beziehungsweise Abdeckung der nun bekannten Anforderungen baut, transportiert, installiert und vertreibt, kann schon allein wegen dieser nun weit verbreiteten und verfügbaren Dokumente bei Vorfällen juristisch in die Pflicht genommen werden. Positiv sehen wir, dass zunehmend Systeme auf der Basis des Sicherheitsleitfadens getestet werden. Durch dessen zusammenfassende Funktion bezüglich Normen, Richtlinien und Vorschriften entsprechen die getesteten Systeme allen heute relevanten Vorgaben, auch die der EG-Konformität und der Gefahrguttransporte.

Im Rahmen des Sicherheitsleitfadens haben sich die Experten auf die Formulierung geeinigt, dass es keine nicht-brennbaren Lithium-Ionen-Zellen gibt. Leider behaupten immer noch einige Anbieter, das träfe auf ihre Zellen nicht zu.

Wer also die Kriterien des Sicherheitsleitfadens oder später voraussichtlich die Anforderungen der noch in Arbeit befindlichen VDE-Anwendungsregel VDE-AR 2510-50 einhält bzw. sein Produkt von einem qualifizierten Prüflabor erfolgreich danach testen lässt, ist – Stand heute – auf der sicheren Seite.

Schmid: Gebäudetechnische Systeme werden zunehmend intern vernetzt und extern mit intelligenten Stromnetzen oder Internet-basierenden Überwachungs-, Monitoring- und Wartungssystemen verbunden. Steigt damit das Risiko für den Nutzer von Heimspeichern, beispielsweise durch einen Hackerangriff, Netzausfall oder Überspannungen?

Timke: Ein vernünftig aufgebautes Lithium-Ionen-Batteriesystem ist so konstruiert, dass die Batterie gegebenenfalls auch zusammen mit dem Wechselrichter und dem Batteriemanagementsystem (BMS) sowie den Netzwerkkomponenten bzw. Trennelementen wie Relais abschaltet, sobald eine nicht hinterlegte Funktion aufgerufen oder eine Systemgrenze erreicht wird. Das kann der Ausfall der Kommunikation sein, eine Überlastung der Batterie oder andere Störungen.

Ein preislicher Vorteil ist, dass an Haus-Batteriespeicher in der Regel keine Ansprüche an eine Hochverfügbarkeit gestellt werden. Solche Systeme dürfen also durch Abschaltung in einen sicheren Zustand gehen, wenn hinterlegte Parameter verletzt werden oder Fehler auftreten. Auch gegen einen Hackerangriff ist solch ein Heimspeichersystem normalerweise gefeit, da die internen Sicherheitsmaßnahmen immer greifen und nicht von außen verändert werden können. Alles andere wäre mangelnde Sorgfalt bei der Entwicklung. Die IT-Sicherheit muss umfassend berücksichtigt werden. Gute Prüflabore spielen jedoch auch diese Möglichkeiten bei den Anforderungen zum Schutz gegen Missbrauch und vorhersehbare Fehlbedienung durch und prüfen auch bezüglich Netzausfall und Überspannung.

Schmid: PV-Anlagen und Heimspeicher bestehen in der Regel aus vielen Einzelkomponenten. Könnte hier ein durchgängiges, modulares System aus einer Hand nicht sinnvoller sein, weil effizienter und sicherer?

Timke: Die Abstimmung zwischen der Batterie, dem Umrichter und der Steuerung ist in der Tat schwierig. Wichtig ist, dass die Batterie inklusive Battery-Management-System (BMS) eigensicher ausgelegt wird. Befehle von außen, die negativ auf die Sicherheit der Batterie wirken, müssen abgewehrt werden. Dazu zählen beispielsweise Überladung und Tiefentladung.

Was die Funktionalität anbelangt, ist ein gut abgestimmtes System hilfreich, um einen schonenden Betrieb bei hoher Verfügbarkeit zu gewährleisten, ohne dass sich die Batterie aus Sicherheitsgründen häufig abtrennen und dann wieder zuschalten muss. Am einfachsten lassen sich Sicherheit, Energieeffizienz, Verfügbarkeit und Netzdienlichkeit miteinander verbinden, wenn alles aus einer Hand kommt oder eine gut abgestimmte Steuerung das reibungslose Zusammenspiel der Komponenten ermöglicht.

Schmid: Von welchen Bauteilen einer PV-Anlage mit Heimspeicher gehen die größten Risiken aus? Wie ist der Betreiber einzuschätzen, für den seine PV-Anlage mit Heimspeicher ja oft auch ein technisches Spielzeug ist?

Timke: Den Betreiber sollten wir bei guten Systemen als Risiko insofern ausschließen, da in den Normen und Richtlinien ausdrücklich der Schutz des Systems vor Missbrauch und Fehlbedienung gefordert ist. Wir wissen natürlich, dass durch das wachsende technische Verständnis bei vielen Nutzern eine höhere technische Kompetenz vorhanden ist, die beispielsweise dazu genutzt wird, DSL-Router und Smartphones selbst zu rooten.

Batteriesysteme müssen in der Lage sein, kritische Eingriffe von Nutzern zu erkennen und das System abzuschalten.

Gegebenenfalls wird das also auch bei Heimspeichern probiert oder jemand versucht, eine Fremdbatterie zusätzlich anzuschließen und nimmt dabei unter Umständen keine Rücksicht auf die Auslegung von Sicherheitskomponenten. Batteriesysteme müssen deshalb in der Lage sein, kritische Eingriffe von Nutzern zu erkennen und das System abzuschalten. Gute Systeme sind ausreichend vor Manipulationen geschützt. Es gibt natürlich auch Systeme am Markt, die nicht den notwendigen Anforderungen entsprechen. Der Käufer ist deshalb gut beraten, wenn er ein System eines Markenherstellers wählt und auf dessen Prüfungen achtet.

Aus meiner Sicht müsste jeder, der Lithium-Ionen-Batterie-Speicher baut, mindestens einmal in seinem Leben an einem Battery-Abuse-Test teilnehmen. Dabei werden absichtlich Lithium-Ionen-Zellen bis zum Versagen – sprich Brand – belastet, um nicht abgedeckte Fehlerfälle zu simulieren. So ein Batteriebrand ist ein sehr anschauliches sowie heilsames Erlebnis und motiviert zu ausreichender Produktsicherheit. Eine sichere Lithium-Ionen-Batterie besteht aus einer guten Überwachungselektronik, damit die Zellen innerhalb ihrer Betriebsfenster betrieben werden, geeigneten Trennelementen und aus Zellen, bei denen das Risiko von Fertigungsfehlern und Verunreinigungen durch entsprechende Herstellungsprozesse so gering ist, dass man es vertreten kann, diese in Wohnhäusern einzusetzen.

Schwachstellen der Lithium-Ionen-Speichern

Schmid: Wo sehen Sie bei den Lithium-Ionen-Heimspeichern die größte Schwachstelle in der Wertschöpfungskette, also von der Zellenproduktion bis zum Betrieb durch den Nutzer?

Timke: Ich sehe zwei Schwachstellen, die mehr Beachtung finden sollten. Die Schnittstelle zwischen dem Zellenhersteller und dem Batteriebauer halte ich für sensibel, denn dort trifft Elektrochemie auf Elektrotechnik. Das sind zwei ganz unterschiedliche Welten! Der zweite Punkt ist der Solarteur, der Akteur vor Ort oder das Unternehmen vor Ort. Diese Gruppe ist durch das Marketing der Speicherhersteller unterschiedlichen Einflüssen mit teilweise widersprüchlichen Informationen ausgesetzt. Hier rate ich dazu, genügend eigenes Know-how aufzubauen, die Herstellerangaben, zum Beispiel auf der Basis der von uns erstellten Kurz-Checkliste, auf Plausibilität und Konformität genau zu prüfen sowie im Zweifel nachzufragen.

Solarteuren rate ich, genügend eigenes Know-how aufzubauen, die Herstellerangaben auf Plausibilität und Konformität genau zu prüfen und im Zweifelsfall nachzufragen.

In unserem Bereich am KIT verwenden wir eine ähnliche Checkliste für die Erstbegutachtung von Heimspeichern. Wir haben die Erfahrung gemacht, dass fehlende relevante Angaben problematisch sein können. Manchmal gibt es auch weichgespülte Angaben über Normenkonformität, beispielsweise „DIN EN … berücksichtigt“. Verlässlich ist die Angabe sicherheitsrelevanter Normen nur, wenn die Konformität oder Zertifizierung durch ein dafür akkreditiertes Labor bestätigt wird. Vorsicht ist geboten bei Heimspeicher-Herstellern mit zu geringem Entwicklungsbudget, die sich umfassende Prüfungen nicht leisten. Da wird dann unter Umständen manches umschrieben und vergessen, dass bei einer Prüfung durch ein qualifiziertes Labor oft noch Punkte gefunden werden, die sonst übersehen werden. Auch brauchen einige Prüfungen sehr spezielles Equipment, beispielsweise Shaker und Klimakammern, die nicht alle Hersteller selbst haben.

Schmid: Würden Sie sagen, die jetzigen Normen, Vorschriften und Leitfäden reichen aus, um einen sicheren, effizienten, langlebigen und bedienungsfreundlichen Lithium-Ionen-Heimspeicher zu bauen?

Timke: Ja, bezogen auf die in Deutschland veröffentlichten Normen und Vorschriften sehe ich die Aufgabe bezüglich Sicherheit als erfüllt an. Im internationalen Vergleich sind wir damit gut aufgestellt. Langlebigkeit und Effizienz fällt zwar oft mit Sicherheit zusammen, aber ein entsprechender Standard für Heimspeicher ist trotzdem gefragt und wird zurzeit wieder von einer verbandsübergreifenden Expertengruppe erarbeitet mit der Option, später zu einer Norm zu werden.

Schmid: Immer mehr Hersteller von Elektroautos bieten ihre Batterien auch als Heimspeicher an. Hat das Vorteile in puncto Sicherheit?

Timke: Wir wissen, dass die Automobilindustrie bezüglich Lithium-Ionen-Batterien sehr gründlich entwickelt und sehr viel an Know-how aufgebaut hat. Hier gab es viele Joint Ventures zwischen Batterie- und Automobilherstellern. Inzwischen verfügen die Automobilhersteller über so viel Kompetenz, dass sie die Zellen hinsichtlich Sicherheit und Lebensdauer gründlich verstehen. Dadurch sind sie in der Lage, die gesamte Prozesskette zu kontrollieren. Diese A-Marken gelten als seriös und zuverlässig.

Am anderen Ende der Skala agieren oft Speicherhersteller, die ihre Zellen ohne ausreichenden Support und Fachkenntnis bei zu wenig qualifizierten Großhändlern einkaufen, während Hersteller sicherer Systeme vom Zellenhersteller auditiert werden und umfassenden Support bekommen. Das Risiko unsicherer Heimspeicher liegt darin, dass deren Hersteller oftmals nicht genau genug wissen, unter welchen Bedingungen die Zellen entstanden sind und welches Risiken sie sich damit einhandeln.

Es muss aber nicht unbedingt ein Automobilhersteller sein, der imstande ist, eine gute Qualität zu liefern. Sie finden sichere Produkte auch bei etablierten Herstellern in der PV- und Wechselrichter-Branche, bei qualifizierten Batteriefertigern und bei Zellenherstellern mit eigenen Komplettsystemen. Im Übrigen sehe ich die Aktivitäten der Automobilhersteller auch im Heimspeichermarkt positiv. PV-Anlage, Heimspeicher und Elektromobilität wachsen zusammen. Der Idee vom Vehicle-to-Home kommen wir dadurch einen Schritt näher. Das Problem der Vernetzung von Elektromobilität, Heimspeicher und PV-Anlage sehe ich weniger im technischen Bereich, sondern in den unterschiedlichen Normen von Fahrzeugen und Elektrotechnik in Gebäuden sowie der aufeinander abgestimmten Steuerung. Das sind aber lösbare Aufgaben.

Schmid: Das KIT hat auf der Intersolar/EES einen Outdoor-Hausspeicher vorgestellt. Geht es hierbei eher um die Platzfrage oder um Sicherheitsüberlegungen?

Timke: Einen sorgfältig entwickelten Heimspeicher kann man ohne Weiteres im Haus aufstellen. Meiner hängt direkt im Home-Office, in dem ich mich ab und zu sogar ausruhe, wenn es mal später wird. Ich weiß genug über die Sicherheit und habe das System sorgfältig ausgesucht.

Wir wollen mit dieser KIT-Entwicklung eine Alternative zu Indoor-Speichern zeigen. Manchmal können die Aufstellbedingungen in bestimmten Gebäuden oder in der Nähe der PV-Anlage nicht eingehalten werden oder es steht einfach kein geeigneter Platz mehr zur Verfügung. Wir haben nachgewiesen, dass ein entsprechend konstruierter Outdoor-Hausspeicher draußen auch im Winter sicher und mit nur geringen Effizienzeinbußen betrieben werden kann.

Dieses Interview erschien zuerst in TGA Fachplaner 08/2016. Wolfgang Schmid ist freier Fachjournalist für TGA, München. Thomas Timke ist Experte für elektrische Energiespeicher und Batterienormung am Karlsruher Institut für Technologie KIT.