Der Boom bei Batteriespeichersystemen (BESS) trägt dazu bei, das Potenzial erneuerbarer Energien besser auszuschöpfen. Mit dem Ausbau von Batteriespeichern in großem Maßstab rückt zunehmend in den Fokus, wie sich die Anlagen über ihre gesamte Lebensdauer sicher und zuverlässig betreiben lassen. Bei einer Technologie, die auf elektrochemischen Prozessen basiert, kommt ein weiterer wichtiger Aspekt hinzu: Wie lassen sich Risiken frühzeitig erkennen und Ausfälle verhindern?
Dr. Cyril Marino, Failure Analysis Manager – BU Energies & Renewables bei der SERMA Group, erläutert, welche Erkenntnisse sich aus der Fehleranalyse für die Entwicklung sichererer, robusterer und langlebigerer BESS gewinnen lassen und wie Tests, künstliche Intelligenz und Cybersicherheit dazu beitragen können, technische Probleme frühzeitig zu erkennen, bevor daraus kostspielige Ausfälle entstehen. Die SERMA Group ist ein unabhängiges Technologieunternehmen, das auf die Prüfung und Analyse von Batterie- und Energiesystemen sowie deren Bewertung hinsichtlich Zuverlässigkeit und Sicherheit spezialisiert ist.
Die erwartete Lebensdauer eines BESS liegt bei etwa 20 bis 30 Jahren. Um diese zu erreichen, müssen drei Phasen berücksichtigt werden. Die erste ist die Planungs- und Designphase. Bereits hier müssen Risiken und potentielle Probleme von Anfang an berücksichtigt werden. Die zweite Phase ist der Betrieb, in dem das System kontinuierlich überwacht werden muss. Und schließlich die Wartung: Wenn eine Komponente ausfällt, muss sie rechtzeitig außer Betrieb genommen und ersetzt werden. Entscheidend ist, zu verhindern, dass aus technischen Fehlern finanzielle Verluste entstehen.
Bei SERMA beschäftigen wir uns mit Fehleranalysen. Unsere Aufgabe ist es, aus Fehlern zu lernen.
Das Thermomanagement ist nach wie vor ein zentrales Thema und gehört zu den großen Risikofaktoren.
Batteriezellen reagieren sehr empfindlich auf Temperaturen. Bereiche einer Zelle, die mit höheren Temperaturen betrieben werden, altern schneller. Auch beim Laden der Batterie entsteht Wärme. Die daraus resultierenden Temperaturunterschiede lassen sich nicht immer vollständig durch das Batteriemanagementsystem (BMS) kontrollieren.
Bei der Betrachtung des Gesamtsystems müssen zudem die ergänzenden Komponenten, beispielsweise die Kühlung, berücksichtigt werden. Auch diese benötigen Strom. Wenn dieser aus der Batterie bezogen wird, entsteht eine parasitäre Last. In einigen Anlagen werden beispielsweise Solarmodule genutzt, um das Kühlsystem mit Energie zu versorgen. Nachts, wenn keine Solarenergie erzeugt wird, muss die Batterie die Kühlung jedoch selbst versorgen. Das kann zum Risiko werden, wenn in der Batterie nicht genügend Energie zur Verfügung steht, um das Kühlsystem weiter zu betreiben.
Ein neuer und sehr kritischer Faktor für BESS ist die Cybersicherheit. Moderne Batteriespeicher sind zunehmend mit Systemen für Fernüberwachung, Energiemanagement und übergeordnete Steuerung verbunden. Diese Vernetzung schafft zusätzliche Angriffsflächen für Cyberattacken. Phishing und kompromittierte Zugangsdaten können beispielsweise einen Zugang zu Unternehmens- oder Betriebsnetzwerken ermöglichen, die mit dem BESS verbunden sind. Die Folgen reichen von kleineren Risiken wie Datendiebstahl bis hin zu gravierenden Szenarien: Ein Angreifer könnte Zugriff auf das Netzwerk erhalten, Steuerungsparameter verändern, den Betrieb stören oder das gesamte System abschalten.
Aus der Energietechnik wissen wir, dass ein einzelnes Problem eine Kettenreaktion auslösen kann. Tritt an einer Stelle des Systems ein Fehler auf, kann dieser auch andere Bereiche beeinträchtigen.
Darüber hinaus kann der Standort der Datenspeicherung und -kontrolle ein geopolitisches Risiko darstellen. Bei einigen Wechselrichtern aus China wird beispielsweise die Datenbank vom Hersteller dort kontrolliert. Die Daten können also über Server verarbeitet werden, die sich im Ausland befinden.
Bereits bei der Auslegung eines BESS gibt es verschiedene Möglichkeiten, Risiken zu reduzieren. Beim Thermomanagement können beispielsweise unterschiedliche Kühlsysteme eingesetzt werden, die die Kühlung gezielt an die Stelle in der Batterie bringen, an der sie benötigt wird. Zusätzliche Temperatursensoren können das Warnsystem verbessern und dabei helfen, potentielle Probleme früher zu erkennen. Wo es möglich ist, sollte das Kühlsystem außerdem an eine separate Stromquelle angeschlossen werden, um parasitäre Lasten zu vermeiden.
Auch die Batterietechnologie spielt eine wichtige Rolle. Technologien wie NMC (Nickel-Mangan-Kobalt) können beim thermischen Durchgehen Sauerstoff freisetzen, während dies bei der LFP-Chemie (Lithium-Eisenphosphat) nicht der Fall ist. Beim thermischen Durchgehen handelt es sich um einen sich selbst verstärkenden Überhitzungsprozess innerhalb einer Batteriezelle. Mit NMC-Batterien können dabei Temperaturen von über 1.000 °C erreicht werden, während sie bei LFP-Batterien unter 600 °C liegen können. Die Wahl der Zellchemie sollte daher auf den spezifischen Anforderungen und Bedingungen der jeweiligen Anwendung basieren.
Falls es zu einem Brand kommt, ist daher das geeignete Löschsystem entscheidend. Die Auswahl sollte sorgfältig erfolgen und nicht allein darauf basieren, dass ein System eine bestimmte Norm erfüllt. Wichtig ist, zu berücksichtigen, dass Batterien bei einem Brand Sauerstoff freisetzen können. Ein Löschsystem, das lediglich darauf ausgelegt ist, den Sauerstoffgehalt zu reduzieren, funktioniert daher möglicherweise nicht, wenn eine Batterie in Brand gerät.
Bei der Cybersicherheit beginnt vieles mit der Schulung der Mitarbeiter. Sie müssen in die Lage versetzt werden, die entsprechenden Risiken zu verstehen und damit umzugehen. Eine wirksame Maßnahme zum Schutz des BMS ist die Netzwerksegmentierung. Kommt es in einem Teil des Systems zu einem Fehler oder Cyberangriff, kann die Segmentierung verhindern, dass sich das Problem auf die gesamte Anlage oder das übergeordnete Netzwerk ausbreitet. Darüber hinaus sollten Datenspeicherung und -steuerung in sicheren Umgebungen erfolgen, um potentielle geopolitische Risiken zu reduzieren.
Europa braucht für diese Art kritischer Infrastruktur eigene Rechenzentren.
Tests und Validierung helfen dabei, die Grenzen und potentiellen Schwachstellen eines BESS zu identifizieren, noch bevor Probleme auftreten. Es reicht nicht aus, sich ausschließlich auf allgemeine Normen und Standards zu verlassen. Jedes System hat seine eigenen Merkmale und sollte unter unterschiedlichen Betriebs- und Umgebungsbedingungen getestet werden, beispielsweise bei hohen Temperaturen von 40 °C oder mit höheren und niedrigeren Stromstärken. So lässt sich erkennen, wo die Grenzen des Systems liegen und wie seine Robustheit verbessert werden kann.
Auch die Überwachung des Batteriezustands profitiert zunehmend von künstlicher Intelligenz. Traditionell wurden mathematische Modelle auf Grundlage von Erfahrungswerten, Monitoring, Labortests, Experimenten und Rückmeldungen aus dem Betrieb entwickelt. Mit KI können wir heute verschiedene mathematische Modelle aus unterschiedlichen Bereichen miteinander kombinieren und anhand von Betriebsdaten weiter verbessern.
Wir können beispielsweise Temperatur, Spannung und Strom sowie den Innenwiderstand der Batterie überwachen. KI kann diese Daten nutzen, um potentielle Risiken frühzeitig zu erkennen. Das ist eine revolutionäre Veränderung in diesem Bereich. Das Monitoringsystem erlaubt eine immer präzisere Vorhersage möglicher Ereignisse und schafft damit die Grundlage, die Lebensdauer des Systems zu verlängern.
Absolut. Die Verlängerung der Batterielebensdauer ist sowohl aus wirtschaftlicher als auch aus ökologischer Sicht sinnvoll. Am Ende wird die Batterie recycelt. Ihr Lebenszyklus sollte jedoch so weit wie möglich verlängert werden, um die Batterie umfassend zu nutzen. Das kann Kosten senken und gleichzeitig ökologische Vorteile bieten.
Ein Beispiel sind Batterien aus Elektrofahrzeugen. Auch wenn sie für den Einsatz im Fahrzeug nicht mehr geeignet sind, können sie weiterhin Energie speichern und bereitstellen. Entscheidend ist die Frage, wie viel Restlebensdauer noch vorhanden ist. Die weitere Nutzung muss aufgrund potentieller Risiken sorgfältig geprüft werden. In manchen Fällen ist dafür ein Zertifikat erforderlich, was mit zusätzlichen Kosten verbunden sein kann. Ob sich eine solche Weiterverwendung in jedem Fall wirtschaftlich lohnt, ist daher noch offen.
Darüber hinaus sieht die neue Batterieverordnung vor, dass neu in der EU in Verkehr gebrachte Batterien einen bestimmten Anteil an recycelten Materialien enthalten müssen. Recycling wird damit zu einem integralen Bestandteil des Lebenszyklus einer Batterie.
Klimarisiken werden eine wichtige Rolle spielen. BESS müssen gegenüber Wind, Luftfeuchtigkeit und Hitze widerstandsfähig sein und auf extreme klimatische Bedingungen vorbereitet werden. In Kombination mit PV-Anlagen müssen Batterien mit der Volatilität der Erzeugung umgehen und sich an Veränderungen in der Stromproduktion anpassen können. Gleichzeitig müssen sie in der Lage sein, Strom dann ins Netz einzuspeisen, wenn er benötigt wird.
Entscheidend ist, den Einsatz der Batterie zu optimieren, um das Potential des Systems möglichst umfassend auszuschöpfen und gleichzeitig Lebensdauer und Sicherheit zu gewährleisten. Künstliche Intelligenz wird wesentlich dazu beitragen, die Effizienz zu steigern, die Batterielebensdauer zu optimieren und zusätzliche Sicherheitsebenen zu schaffen. Letztlich geht es dabei auch um die Wirtschaftlichkeit des Systems.
