Batterien im Betrieb

Sinkende Einspeisevergütungen machen stationäre Batteriespeicher attraktiv für Betreiber von PV-Anlagen. Der Markt bietet zwar zahlreiche gebrauchsfertige (ready-to-use) Lösungen für unterschiedliche Kapazitäten und Aufstellbedingungen. Die herstellerseitige Prüfung der einzelnen Produkte und Komponenten umfasst jedoch häufig nicht deren Zusammensetzung zu einem kompletten Batteriespeichersystem inklusive Lastmanagement und Einspeisung. Wird ein Speicher in einem Gewerbe- oder Industriebetrieb installiert, wird er zudem zu einem Teil der elektrischen Anlage – und unterliegt damit den entsprechenden Überwachungs- und Prüfpflichten.

Bei der Integration von Batteriespeichern spielt die geplante Nutzung der gespeicherten Energie eine zentrale Rolle. Soll der Speicher neben dem netzparallelen Betrieb im Falle eines Netzausfalls auch im Inselbetrieb – also als Netzersatz – eingesetzt werden, steigen die Anforderungen an Verfügbarkeit und Betriebssicherheit erheblich. Ausfälle oder Unterbrechungen sind nicht akzeptabel. Als Schutzmaßnahmen gegen elektrischen Schlag müssen vor allem ausreichende Kurzschlussströme für die automatische Abschaltung nach DIN VDE 0100-410 Errichten von Niederspannungsanlagen bereitgestellt werden.

Sicherheitsrelevante Funktionen machen es bei der Auslegung erforderlich, weitere Normen zu beachten. Weniger kritisch sind Anwendungen, die ausschließlich im netzparallelen Betrieb laufen, da das öffentliche Netz die Schutz- und Sicherheitsfunktionen gewährleistet. Es ist lediglich eine Koordination der Schutzmaßnahmen erforderlich. Ebenfalls weniger kritisch sind Anwendungen mit nur gelegentlicher Energieabgabe, bei denen Unterbrechungen tolerierbar sind, etwa bei der Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge.

Für eine einwandfreie Funktion müssen Batteriespeicher zwingend kommunizieren: beispielsweise mit Blockheizkraftwerken, PV-Anlagen oder Gebäudehauptverteilungen, aber auch mit den Verbrauchern im Lastmanagement wie der Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge. Für einen Prüfplan ist daher das Gesamtsystem entscheidend.

Strategie für einen sicheren Betrieb

In seinem Leitfaden zum vorbeugenden und abwehrenden Brandschutz für Li-Ionen Großspeichersysteme beschreibt der Bundesverband Energiespeicher Systeme, wie eine strukturierte Strategie für den sicheren Betrieb von Speichern aussieht. Dazu gehören Maßnahmen des baulichen und anlagentechnischen Brandschutzes, aber auch Organisatorisches wie regelmäßige Kontrollen und die Unterweisung des Betriebspersonals. Besonders wichtig ist es, sich frühzeitig mit der örtlichen Feuerwehr abzustimmen. Der Leitfaden empfiehlt dies ausdrücklich für Großspeicher mit einer Kapazität ab 50 Kilowattstunden.

Darüber hinaus muss der Betreiber eine Gefährdungsbeurteilung nach der Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) erstellen. Sie muss alle relevanten Betriebszustände – Normalbetrieb, Wartung und Notfälle – enthalten, geeignete Schutzmaßnahmen festlegen und regelmäßig überprüft sowie aktualisiert werden.

Bei der Aufstellung von stationären Batteriespeichern sind neben baurechtlichen Vorgaben auch einschlägige Normen, technische Richtlinien sowie gegebenenfalls Anforderungen des Sachversicherers zu berücksichtigen. Je nach Größe, Nutzung und Standort des Speichers können sie erheblich variieren. Im Mittelpunkt stehen dabei die Personensicherheit und Brandschutz. Konkrete Vorgaben des Gesetzgebers sind in dem aktualisierten Muster einer Verordnung über den Bau von Betriebsräumen für elektrische Anlagen (EltBauVo) hinterlegt. Sie betreffen Abschottung, Brandlasten, Lüftung und die Integration in die Gebäudesicherheitstechnik.

Für Sonderbauten oder brandschutztechnisch relevante Einrichtungen kann darüber hinaus eine brandschutztechnische Bewertung nötig sein. In sicherheitssensiblen Bereichen, zum Beispiel bei Publikumsverkehr, ist gegebenenfalls eine gesonderte Brandfrüherkennung mit Anbindung an die Brandmeldeanlage gefordert. Auch ohne eine spezielle Vorgabe ist dies aus sicherheitstechnischer Sicht grundsätzlich empfehlenswert.

Große stationäre Batteriespeicher stellen grundsätzlich eine besondere Herausforderung für die Feuerwehr dar. Containerlösungen gelten als vergleichsweise gut handhabbar, da im Ernstfall ein kontrolliertes Ausbrennen möglich ist. Zusätzlich sind sie häufig mit speziellen Löschsystemen ausgestattet – etwa integrierten Gaslöschanlagen oder einer Einspeisemöglichkeit für Löschwasser. Deutlich komplexer wird die Situation, wenn die Speicher innerhalb von Gebäuden installiert sind und außer ihnen auch die Bausubstanz geschützt werden muss. Einige Hersteller unterstützen die Einsatzkräfte daher mit speziellen Schulungs- und Trainingsangeboten.

Anforderungen an eine regelmäßige Prüfung

Nicht nur für die Errichtung von Batteriespeichern, sondern auch für deren regelmäßige Prüfung existieren konkrete rechtliche Vorgaben. Ein Teil dieser Vorgaben ergibt sich aus der Einstufung als elektrische Anlagen. Gefährdungen durch elektrische Energie, die für die regelmäßige Überprüfung relevant sind, erfordern gemäß der Betriebssicherheitsverordnung eine strukturierte Gefährdungsbeurteilung.

Tragen die Batteriespeicher zur elektrischen Versorgung eines Unternehmens bei, verlangt die Unfallversicherung eine wiederkehrende Überprüfung des ordnungsgemäßen Zustands durch eine Elektrofachkraft (DGUV Vorschrift 3 Elektrische Anlagen und Betriebsmittel). Besondere Aufmerksamkeit gilt dem Schutz gegen elektrischen Schlag und Kurzschluss sowie der Brandgefahr.

Ergänzend konkretisiert die Technische Regel TRBS 1201 Prüfungen und Kontrollen von Arbeitsmitteln und überwachungsbedürftigen Anlagen, wie Prüfungen nach der Betriebssicherheitsverordnung auszuführen sind. Sie legt Art, Umfang und Intervalle der Prüfungen fest und beschreibt die Anforderungen an die durchführenden Personen. Die DIN VDE 0105-100/A1 Betrieb von elektrischen Anlagen konkretisiert diese Prüfanforderungen und stellt sicher, dass Betrieb, Wartung und Prüfung elektrischer Anlagen systematisch erfolgen.

Art und Umfang der Prüfungen für stationäre Batteriespeicher hängen nicht unmittelbar von deren Kapazität ab. Entscheidend ist vielmehr das Risiko, das sich aus der Gesamtkombination von Betriebsart – zum Beispiel Netzparallelbetrieb oder Inselbetrieb –, den jeweiligen Umgebungsbedingungen, der eingesetzten Speichertechnologie sowie den vorgesehenen Schutzmaßnahmen ergibt. Diese Faktoren bestimmen die individuelle Gefährdungsbeurteilung, aus der das Prüfkonzept abgeleitet wird.

Gerade bei stationären Batteriespeichern spielen thermische Risiken, Alterungsprozesse von Zellen und elektronischen Komponenten sowie der Zustand von Sicherheits- und Brandschutztechnik eine wichtige Rolle. Neben den klassischen elektrotechnischen Sicherheitsprüfungen können auch ergänzende Prüfungen notwendig sein. Diese betreffen etwa die Funktion der Kommunikationseinrichtungen, den Zustand des Batteriemanagementsystems oder die Integrität der Schutzmaßnahmen bei Inselbetrieb nach DIN VDE 0100-410.

Spezielle Vorgaben für Batterien

Zusätzlich zu den Regelungen für elektrische Anlagen gelten batteriespezifische Vorgaben. Die Niederspannungsrichtlinie 2014/35/EU gibt den rechtlichen Rahmen für die elektrische Sicherheit von Batteriespeichern und -systemen vor. Konkretisiert wird dieser durch Sicherheitsnormen für die jeweils verwendete Batterietechnologie (siehe Infokasten). Relevant sind vor allem die IEC 62619 Sicherheitsanforderungen an sekundäre Lithiumzellen und -batterien für die Verwendung in industriellen Anwendungen, die IEC 63056 Sicherheitsanforderungen für die Verwendung von Lithium-Sekundärzellen in elektrischen Energiespeichersystemen, die IEC 62485 Sicherheitsanforderungen an sekundäre Batterien und Batterieanlagen und die IEC 62933-2-1 Einheitsparameter und Prüfverfahren für elektrische Energiespeichersysteme.

Welche Norm angewandt wird, hängt neben dem Batterietyp auch davon ab, ob ein Batteriemanagementsystem vorhanden und wie es beschaffen ist. Einige der Normen befinden sich derzeit noch in Harmonisierungsverfahren auf europäischer Ebene und sind daher bislang nicht vollständig in das europäische Rechts- und Normengefüge eingebunden. Abgesehen von den Pflichten zur regelmäßigen Überprüfung lohnt es sich, externe Experten zu konsultieren, um den Überblick über die verschiedenen relevanten Normen zu behalten.

Für stationäre Batteriespeicher gelten in einigen Bundesländern ab einer Nennkapazität von mehr als 20 Kilowattstunden die baurechtlichen Anforderungen der Verordnung über den Bau von Betriebsräumen für elektrische Anlagen. In diesem Fall sind die Speicher in einem eigenen Aufstellraum – einem sogenannten Batterieraum – unterzubringen, dessen raumabschließende Bauteile mindestens feuerhemmend ausgeführt sein müssen. Darüber hinaus sind geeignete Lüftungsmaßnahmen vorzusehen, um eine sichere Wärmeabfuhr sowie die Vermeidung explosionsfähiger Luft-Gasgemische sicherzustellen.

Ab einer Gesamtkapazität von 100 Kilowattstunden fordert die Verordnung zusätzlich die Möglichkeit der Entrauchung sowie eine selbsttätige Löschanlage. Die Vorgaben dienen dem Personenschutz und dem vorbeugenden Brandschutz.

Welche Leistung hat der Speicher (noch)?

Batteriespeicher büßen ebenso wie Batterien im Laufe ihrer Lebensdauer Leistung ein. Deshalb sollte über die gesamte Lebensdauer in regelmäßigen Abständen überprüft werden, ob der Batteriespeicher seine benötigte Nennleistung (noch) erbringen kann. Laut Empfehlung der Experten sollte diese Prüfung der Leistungsfähigkeit spätestens vor Ablauf der Gewährleistungsfrist erfolgen. Diese beträgt in der Regel zwei Jahre, wird von vielen Herstellern allerdings freiwillig auf fünf oder mehr Jahre ausgeweitet.

Die freiwilligen Prüfungen lassen sich mit den vorgeschriebenen Sicherheitsprüfungen verbinden. Externe Dienstleister wie TÜV Süd unterstützen Betreiber von Batteriespeichersystemen dabei, die für sie relevanten Normen und Vorschriften zu eruieren und einen auf den individuellen Bedarf abgestimmten Prüfplan zu erstellen und einzuhalten.

Bild: TÜV Süd

Gängige Speichertechnologien und ihre Risiken

Gewerbliche und industrielle Anwendungen nutzen verschiedene Systeme, um Solarstrom zu speichern. Die gängigste Technologie, die in 95 Prozent der Neubauten eingesetzt wird, sind Lithium-Ionen-Systeme mit verschiedenen chemischen Zusammensetzungen, zum Beispiel Lithiumtitanat, Nickel-Mangan-Kobalt oder Lithiumeisenphosphat. Als Folge von mechanischen Beschädigungen, Kurzschlüssen oder Überhitzung können diese Systeme je nach verwendeter Technologie/Zusammensetzung in Brand geraten (thermisches Durchgehen) oder explodieren. Rückzündungen nach ersten Löschversuchen stellen eine zusätzliche Gefahr dar.

Gleichzeitig können toxische Gase entstehen oder das Wasser durch Elektrolyte kontaminiert werden. Diese Gefahren machen Brände im Zusammenhang mit Lithium-Ionen-Speichern besonders komplex und gefährlich. Deshalb ist bei Verwendung dieser Technologie eine Gefährdungsbeurteilung gemäß der Betriebssicherheitsverordnung unerlässlich, die sowohl die Prüfintervalle als auch die -inhalte festlegt. Zusätzlich wird eine Abstimmung mit der örtlichen Brandschutz-Dienststelle empfohlen.

Für höhere Zyklenzahlen und Kapazitäten ab 100 Kilowattstunden werden häufig Redox-Flow-Systeme eingesetzt. Sie speichern die Energie im Unterschied zur klassischen Batterie in einem externen Tank in flüssigen Elektrolyten. Die Elektrolyte können korrodieren und müssen gemäß der Betriebssicherheitsverordnung und der Verordnung über Anlagen zum Umgang mit wassergefährdenden Stoffen (AwSV) als Gefahrstoffe eingestuft und entsprechend gelagert werden.

Anwendungen mit geringerer Energiedichte oder Pilotprojekte verwenden vielfach Natrium-Ionen-Batterien. Ihr Gefahrenpotenzial ist geringer als das anderer Technologien, es fehlt allerdings noch an Langzeiterfahrungen.

Im Spitzenlastmanagement finden sich auch hybride Lösungen, zum Beispiel als Kombination aus Batterie und Schwungrad oder Kondensatoren. Dabei übernimmt die Batterie die längerfristige Energieversorgung, während Schwungräder oder Kondensatoren sehr kurzfristig hohe Leistungen bereitstellen können. So lassen sich schnelle Lastspitzen abfangen und gleichzeitig die Lebensdauer der Batterie verlängern.

Dr.-Ing. Stefan Siegfried Veit

Der Ingenieur für Elektrotechnik (B. Eng.) und Energie- und Umweltmanagement (MBA) leitet die Abteilung Elektro- und Gebäudetechnik bei TÜV SÜD Industrie Service in Augsburg. Im Rahmen seiner Promotion befasste er sich mit Methoden zur risikoorientieren Planung von Prüffristen im Real-Estate-Bereich. Sein Berufsalltag als Prüfsachverständiger umfasst bau- und planungsbegleitende Prüfungen, Fehlerdiagnosen und die Erstellung von Gutachten. Darüber hinaus engagiert er sich als Senior Expert in der Gremien- und Verbandsarbeit.

Bild: TÜV Süd

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