In letzter Zeit haben Medien sehr häufig über Brände, Explosionen und Verpuffungen bei PV-Batteriespeichern berichtet. So hatte sich Mitte Februar 2025 in Schönberg nahe Hamburg ein spektakulärer Fall ereignet, bei dem die Explosion eines Heimspeichers die Giebelwand eines Zweifamilienhauses und die anliegenden Räume komplett zerstörte [1]. Zum Glück befand sich die Familie im Urlaub, sodass niemand verletzt wurde.
Bei dem betroffenen Heimspeicher handelte es sich um ein Modell der Baureihe RESU der koreanischen Firma LG Energy Solutions. Der Fertighausanbieter Viebrock ließ daraufhin in Abstimmung mit LG einige der Batteriespeicher anderer Häuser in den Stand-by-Betrieb gehen, andere wurden gedrosselt. Seit vier Jahren sind LG-Geräte von Rückrufaktionen wegen Brandgefahr betroffen. Auf der Internetseite des Herstellers findet sich eine Liste betroffener Modelle, für die er einen Austausch oder ein Update der Diagnosesoftware anbietet. Zudem warnt LG dort: „Wenn ein Akku überhitzt, kann er Feuer fangen und Verletzungen oder Sachschäden verursachen…“ (Abb. 1). Auch andere Hersteller sind von Rückrufaktionen und Geräten mit Brandgefahr betroffen, zum Beispiel die sächsische Firma Senec.
Batteriespeicher sind das kleinste Problem
Der Autor führt seit 2013 eine Statistik mit Schadensfällen an PV-Speichern (Abb. 2). Danach kam es insgesamt 166 Mal zu Bränden, Explosionen oder Rauchentwicklungen. Die Anzahl der Brände steigt vor allem, weil immer mehr Anlagen installiert werden. Gemessen an den 1,7 Millionen bisher verbauten Heimspeichern ergibt sich eine Schadenwahrscheinlichkeit von 0,0096 Prozent. Obwohl das Risiko entsprechend der Risikobewertung bei der Eintrittswahrscheinlichkeit W0 und damit extrem gering liegt, sollte jeder weitere Fall möglichst vermieden werden. Noch geringer wäre diese Zahl, würden die Serienfehler bestimmter Hersteller herausgelassen werden.
Zum Einordnen der Fallzahlen: Im Schnitt ereignen sich jährlich rund 300.000 versicherte Haus- oder Wohnungsbrände in Deutschland [2]. Leider gibt es wenige Brandstatistiken zu den detaillierten Ursachen. Brandstatistiken geben Hinweise auf typische Brandursachen. So ermittelt die VFDB-Brandschadenstatistik 2020, basierend auf der freiwilligen Mitwirkung von Feuerwehren und 5.016 Einsatzdaten, für den häufigsten Ort der Brandentstehung von Hausbränden die Küche [3]. Etwa 30 Prozent der untersuchten Brände entstehen danach durch Herd oder Ofen. Das würde hochgerechnet auf alle Brandfälle eine Anzahl von circa 90.000 ergeben.
Für 2023 analysierte das Institut für Schadenverhütung und Schadenforschung 2.000 Brandfälle näher. Danach wurden 32 Prozent der Brände durch Elektrizität ausgelöst, hochgerechnet auf alle Brandfälle wären das dann etwa 100.000 Elektrobrände im Jahr. Unter den elektrischen Geräten sind Wäschetrockner dabei Brandursache Nummer 1.
Warum es PV-Speicher braucht
Die Einspeisevergütung von PV-Anlagen ist seit 2014 stark unter den Haushaltstrompreis gesunken und beträgt zurzeit bei kleinen Anlagen 7,94 Cent pro Kilowattstunde bei Überschusseinspeisung und 12,60 Cent bei Volleinspeisung. Die Gestehungskosten für den Solarstrom können fünf bis sieben Cent pro Kilowattstunde, mit Batteriespeicher acht bis 15 Cent betragen, während der Haushaltsstrom vom Stromversorger zumeist das Vielfache kostet. Zudem ist man zunehmend unabhängig von der Strompreisentwicklung und kann gegebenenfalls sein E-Auto nach Feierabend mit zuvor gespeichertem Solarstrom versorgen.
Kein Wunder, dass viele Anlagenbesitzer einen möglichst hohen Anteil ihres Solarstroms selbst verbrauchen wollen. Das gelingt ihnen mit einem Zwischenspeicher für den Solarstrom. Wenn sie dadurch Verbrauchsspitzen an sonnigen Tagen vermeiden, entlasten sie das Stromnetz. Seit 2023 wird bei Ein- und Zweifamilienhäusern fast jede PV-Anlage mit einem Energiespeicher ausgerüstet. Mit einem Elektroauto steigt der Bedarf an zeitlich unabhängigem Solarstrom zum Laden.
Infolge ist der Heimspeichermarkt in den vergangenen Jahren exponentiell gewachsen. Kurzfristig werden dabei die Erhöhung des Eigenverbrauchs des erzeugten Solarstroms und damit verbundene Entkopplungen von steigenden Strombezugspreisen vorrangig sein. Mittelfristig werden diese Speicher einen wesentlichen Beitrag zur Netzstabilität leisten können und müssen. Netzgekoppelte Speicherlösungen repräsentieren einen wichtigen Baustein für ein Energieversorgungssystem mit hohem Anteil an fluktuierenden Quellen wie Windkraft und Photovoltaik. Für den Umbau unseres Energiesystems sind sie daher von entscheidender Bedeutung.
Bild: Screenshot
Brandverhalten von Lithium-Ionen-Batterien
Die Heimspeicher bestehen derzeit fast ausschließlich aus Lithium-Ionen-Batterien, die in einem Speichersystem mit oder ohne Wechselrichter eingebaut werden sowie mit einem Energiemanagementsystem (EMS) für die intelligente Ladung und Entladung ausgestattet sind. Die Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus Lithium-Ionen-Zellen, die über ein Batteriemanagementsystem verfügen, welches den effizienten und sicheren Betrieb des Batteriemoduls gewährleistet.
Die Bezeichnung von Lithium-Ionen-Zellen leitet sich meist aus der Zusammensetzung der Kathode ab, selten von der Anode (zum Beispiel bei Titanat). So unterscheiden wir im Wesentlichen die folgenden Lithium-Batterietechnologien:
In kompakten Speichersystemen und E-Autos werden aufgrund der hohen Energiedichte und hoher Leistung insbesondere NMC- oder NCA-Zellen verbaut. Der Marktanteil von LFP-Zellen steigt kontinuierlich, da diese als umweltfreundlicher und preiswerter im Vergleich zu Zellen mit einem hohen Kobalt- oder Nickelanteil gelten. Allerdings ist das Recycling von NMC und NCA wirtschaftlicher und wird gut umgesetzt. Das Recycling von LFP bisher dagegen nicht, was für die Umwelt sicherlich von Nachteil ist. LFP-Zellen etablieren sich
zudem zunehmend in der E-Mobilität.
Die weltweite Produktion von Batterien mit LFP-Zellen findet hauptsächlich in China statt und macht dort etwas mehr als ein Drittel der gesamten Batterieproduktion aus. Die Produktion von Batteriezellen mit NMC-Kathoden beträgt in China hingegen etwas mehr als ein Viertel. Bis 2030 wird sich die chinesische Produktion auf etwa ein Viertel der weltweiten Gesamtproduktion von NMC-Kathoden belaufen. In Europa, Japan, Südkorea und in den USA dominieren die NMC- und NCA-Zellproduktion [4].
NMC/NCA-Zellen zersetzen sich bei niedrigeren Temperaturen eher als LFP-Zellen. Für das Brandrisiko entscheidender ist die Größe einer Zelle und die Wahrscheinlichkeit von zellinternen Fehlern. Zudem ist wichtig, wie die Temperatur beherrscht wird. Das hängt wiederum entscheidend vom Zell-,
Modul- und Batteriedesign ab, etwa davon, ob beispielsweise eine Zelle bei einem internen Fehler ihre Temperatur so abgeben kann, dass sie nicht in einen kritischen Bereich gelangt. Auch LFP-Zellen können ausgasen oder einen sogenannten Thermal Runaway, ein thermisches Durchgehen, auslösen.
In der Normung wird deshalb bei der Sicherheitsbetrachtung und bei entsprechenden Tests nicht nach dem Kathodenmaterial unterschieden. Bei entsprechender Qualität kann von einem ähnlichen Sicherheitsniveau der Technologien ausgegangen werden. Bei den eingangs erwähnten von Bränden betroffenen Batteriespeichern von LG und Senec wurden NMC- beziehungsweise NCA-Zellen eingesetzt.
Aber auch mit LFP-Zellen ist es zu Brand- und Explosionsfällen gekommen, so zum Beispiel 2023 bei einem 30-Kilowattstunden-Heimspeicher in Lauterbach. Im Internet kursieren fälschlicherweise immer noch Gerüchte, dass LFP-Zellen per se nicht brennen oder explodieren könnten. Der DKE-Normungsarbeitskreis „Stationäre Energiespeichersysteme mit Li-Batterien – Sicherheitsanforderungen“ hat schon öfter darauf hingewiesen, dass das nicht zutrifft.
Batteriesicherheit beginnt bei der Herstellung
Um bei den Zellen ein thermisches Durchgehen zu verhindern, muss das sichere Betriebsfenster von Strom, Spannung und Temperatur exakt eingehalten werden. Innerhalb eines aus mehreren Zellen bestehenden Batteriepacks kann eine sich im Thermal Runaway befindliche Zelle die benachbarte Zelle erhitzen und bei dieser ebenfalls eine chemische Kettenreaktion auslösen. Diese wird allgemein als Propagation bezeichnet und kann zu einem Brand oder zu einer Explosion führen.
Der grün dargestellte Bereich in Abb. 4 entspricht dem zulässigen Temperatur- und Spannungsbereich der betrachteten NMC-Zelle. Wird dieser verlassen, ergeben sich zum Teil sicherheitskritische Zustände und irreversible Schäden, die zur Entstehung von Rauch, Ausgasen oder dem Thermal Runaway führen können (roter Bereich=Gefahrenbereich).
Entscheidend ist somit, dass diese Betriebswerte der Zellen kontinuierlich überwacht werden. So wird bei Annäherung an die Grenzwerte (gelber Bereich) eine Abregelung der Ladung oder Entladung durch das Batteriemanagementsystem vorgenommen. Es kann dann dazu kommen, dass eine geringere Speicherkapazität beziehungsweise geringere Leistung genutzt werden kann.
Wichtig ist in diesem Zusammenhang zu erwähnen, dass sich bei den Zellen durch Alterung, Hitze, Kälte oder Zellschäden die Grenzwerte ändern können. Deshalb ist das sichere Betriebsfenster unter Umständen anzupassen. Um das zu erreichen, überwachen die Systeme die Betriebsdaten der Anlage kontinuierlich – oft bieten das die Hersteller zudem auch online an – und reagieren so auf Auffälligkeiten, passen das sichere Betriebsfenster an oder regeln die Speicher entsprechend ab. Außerdem können verschiedene Sicherheitsmaßnahmen auf Zellebene erfolgen:
Je nach Elektrodenmaterial, Zellchemie und -form sowie Hersteller werden entsprechende Sicherheitsmaßnahmen angewendet. Entscheidend für die Sicherheit ist die Überwachung der Zellqualität bei der Produktion. Die Parameter der verschalteten Zellen müssen aufeinander abgestimmt werden, sodass es zu keinen Mismatchströmen kommt. Zudem müssen Vorschädigungen erkannt werden und eine Dendritenbildung vermieden werden (siehe unten).
Ist das Lithiummetall an der Anode nicht gleichmäßig über die Oberfläche verteilt und sammelt sich an manchen Stellen mehr Lithium als an anderen, führt das zu Problemen. Ursachen können Qualitätsmängel in der Zellherstellung oder mechanische Stöße sein. An den Stellen mit zu viel Lithium bilden sich Dendriten (lateinisch: Bäume, Äste). Es handelt sich um kleine, verzweigte, kristalline Strukturen, die wie kleine Nadeln von der Anode ausgehen. Wachsen die Dendriten, können sie die Schutzschicht zwischen Anode und Kathode durchbrechen, die sogenannte Separatormembran. Es kommt zu einem Kurzschluss in der Zelle, der wiederum einen Thermal Runaway und/oder ein Ausgasen auslösen kann. Oberflächenbeschichtungen der Elektroden sollen das Dendritenwachstum verhindern.
Ein anderer Zelldefekt heißt Lithium-Plating. Er entsteht beim Schnellladen von Lithium-Ionen-Zellen als unerwünschte Nebenreaktion oder beim Laden bei zu tiefen Temperaturen – außer bei Titanat-Anoden – und führt zu einer Abscheidung von metallischem Lithium auf der negativen Elektrode, was ebenfalls zu gravierenden Problemen führen kann.
Nicht nur bei der Zellbetriebsführung durch das Zellballancing, das Ausgleichen der Ströme und Spannungen im Zellverbund, sondern auch beim übergeordneten Batteriemanagement der einzelnen Batteriemodule sowie beim Energiemanagement des Speichersystems müssen die Betriebswerte so eingestellt werden, dass ein sicherer Betrieb über die Lebensdauer des Systems gewährleistet ist.
Zudem fließen in einem Speichersystem hohe Gleichströme. Die elektrischen Komponenten müssen darauf ausgelegt sein und auch im Fehlerfall bei hohen Temperaturen korrekt funktionieren. Ansonsten könnten Lichtbögen an Kontaktstellen, Schaltern und Sicherungseinrichtungen entstehen, die ebenfalls eine Brandgefahr darstellen. Neben den genannten Sicherheitsmaßnahmen werden im Energiespeicher auch Brandschottung, Löschfunktionen oder Separierung realisiert.
Aus den genannten Sicherheitsaspekten ist vor jeglichen Selbstbauspeichern zum Beispiel aus einzelnen kleinen, handelsüblichen Lithiumionenbatterien zu warnen. Laien, aber auch Elektrotechniker unterschätzen die Komplexität einer elektronischen Steuerung, die Lade- und Entladevorgänge sicher vornimmt. Einige solcher abenteuerlicher zusammengelöteten Konstruktionen habe Brände und Explosionen ausgelöst.
Bild: www.pv-wissen.de
Installationsmängel und Betreiberfehler
Neben Fehlern im Speichersystem können auch Fehler durch den Installateur oder den Betreiber unsichere Zustände hervorrufen und im schlimmsten Fall einen Brand auslösen. In dem 2018 abgeschlossenen Verbundprojekt SPEISI haben der DGS Landesverband Berlin Brandenburg, das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, der TÜV Rheinland und das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung die Brandrisiken und vorbeugende Maßnahmen ermittelt [5]. Die Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie (DGS) untersuchte im Projekt unter anderem die Qualität vorhandener Installationen und identifizierte verschiedene Mängel und Fehler:
Auch die Anlagenbetreiber machten Fehler:
Die Befragung der Betreiber ergab, dass die Installationsbetriebe sie kaum über Brandschutz und Wartung informiert hatten. Es erfolgte auch selten eine Einweisung des Betreibers für den Alarmfall. Eine rechtzeitige Flucht aus dem Gefahrenbereich und eine unverzügliche Information von Feuerwehr/Installateur/Hersteller muss im Schadensfall erfolgen. Zudem wurden die Betreiber wenig bis gar nicht über Entsorgung und Recycling von Batteriemodulen aufgeklärt.
Es existieren zahlreiche Normen zur Batteriesicherheit
Zur Auswahl von sicheren Speichersystemen hat die Fachwelt einige Normen und Richtlinien entwickelt, die unbedingt einzuhalten sind. Um Fehler in den Lithium-Ionen-Speichern auszuschließen, haben mehrere Fachverbände, Prüfinstitute und Hersteller 2014 den „Sicherheitsleitfaden Li-Ionen-Hausspeicher“ herausgegeben [6]. Danach wurden in den Arbeitskreisen der Deutschen Kommission Elektrotechnik (DKE) entsprechende VDE-Normen mit Fokus auf Sicherheit entwickelt. Der Autor ist unter anderem Mitarbeiter beim DKE-Arbeitskreis, der die VDE-Anwendungsregel AR-E 2510-50 „Stationäre Energiespeichersysteme mit Lithium Batterien – Sicherheitsanforderungen“ entwickelt [7].
Zusätzlich wurden auch international entsprechende Normen verabschiedet. Die EU erließ zudem 2023 die Europäische Batterieverordnung, in der Artikel 12 auf die Sicherheit von stationären Energiespeichersystemen eingeht [8]. Insbesondere im Anhang V finden sich relevante Angaben zu den erforderlichen Prüfungen und Testprozeduren. Zurzeit werden auf Basis der VDE-Anwendungsregel die Vornorm DIN VDE V 0510-312 und die harmonisierte Batteriesicherheitsnorm für die EU-Batterieverordnung entwickelt. Die Prüfdetails befinden sich allerdings noch zur Abstimmung in den Fachkreisen.
Bei der Auswahl eines PV-Batteriespeichers sollte unbedingt geprüft werden, ob er die Sicherheitsnormen VDE-AR-E 2510-50, DIN EN IEC 62619 und gegebenenfalls DIN EN IEC 63056 sowie die Sicherheitsanforderungen der EU-Batterieverordnung erfüllt. Wobei die Konformität mit der DIN EN IEC 62619 und DIN EN IEC 63056 schon in der VDE-AR-E 2510-50 größtenteils enthalten sind. Das Thema Brand- und Explosionsschutz ist seit 08/2024 im Anhang V der europäischen Batterieverordnung verpflichtend geregelt. Der Nachweis erfolgt bisher noch nicht auf Grundlage harmonisierter Normen – diese sind noch in Abstimmung.
In den Normungskreisen der DKE sowie des Europäischen Komitees für elektrotechnische Normung (Comité Européen de Normalisation Électrotechnique, CENELEC) werden derzeit entsprechende Vornormen erarbeitet und europaweit abgestimmt. Bis sie in Kraft treten, ist es wichtig, dass die Hersteller dokumentieren, wie sie den Anhang V der europäischen Batterieverordnung umsetzen. Besteht ein Hersteller die Tests nach VDE 2510-50 beziehungsweise gemäß LI-Sicherheitsleitfaden, ist davon auszugehen, dass der Anhang V größtenteils eingehalten wird.
Die zugrundeliegenden Tests umfassen unter anderem Prüfungen zur Tiefentladung, zum Überladen, zu Überstrom und Übertemperatur beim Laden sowie Brandprüfungen, Propagationstest und Prüfungen der funktionalen Sicherheit eines Systems. Die Hersteller müssen nicht nur die Konformität mit den genannten Normen sowie zur EU-Batterieverordnung erklären, sondern außerdem nachweisen, wie sie getestet haben. Dabei sind Tests bei anerkannten Prüforganisationen höher zu bewerten als herstellerinterne Prüfungen.
Bild: www.pv-wissen.de
Vorbeugende Maßnahmen bei PV-Batteriespeichern
Da insbesondere Lücken bei der Regelung von Installation und Betrieb bestanden, entwickelte die DGS 2016 die „Fachregeln zur Sicherheit, Installation und Betrieb von Lithium-Solarstromspeichersystemen“ [9]. Darin beschreibt sie zunächst die erforderliche Qualifikation für eine fach- und qualitätsgerechte Montage und Installation. So sollten die Installateure neben der Fachkunde zur Elektrotechnik spezifische Seminare wie zum Beispiel die VDE/DGS-Fachkraft Energiespeicher und Montageschulungen der Hersteller absolvieren. Zu beachten ist bei der Installation:
aufstellenn.
Werden diese vorbeugenden Maßnahmen zum Brandschutz, zur fachgerechten Aufstellung und Installation sowie zum sicheren Betrieb der PV-Speicher beachtet, dann können sie ihre Funktion sicher, effektiv und lange erfüllen.
Quellen
[1] Haus-Explosion in Schönberg: Batteriespeicher wohl die Ursache, NDR Info, https://t1p.de/GEB250360
[2] Gesamtverband der Versicherer: Brennende Adventskränze und Tannenbäume verursachen Millionen-Schäden, https://t1p.de/GEB250364
[3] Verein zur Förderung des Deutschen Brandschutzes: Untersuchung der Wirksamkeit von (anlagentechnischen) Brandschutzmaßnahmen, 1. Auflage Februar 2020, https://t1p.de/GEB250361
[4] Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI: Analyse der globalen Batterieproduktion, https://t1p.de/GEB250362
[5] Sicherheit und Zuverlässigkeit von PV-Anlagen mit Speichersystemen unter besonderer Berücksichtigung von Brandrisiken und Löschstrategien: Abschlussbericht SPEISI, Ghttps://t1p.de/GEB250366
[6] Sicherheitsleitfaden Li-Ionen-Hausspeicher, https://t1p.de/GEB250367
[7] VDE-AR-E 2510-50 Anwendungsregel:2017-05: Stationäre Energiespeichersysteme mit Lithium-Batterien, https://t1p.de/GEB250368
[8] Verordnung (EU) 2023/1542 über Batterien und Altbatterien, https://t1p.de/GEB250369
[9] Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie: Fachregeln zur Sicherheit, Installation und Betrieb von Lithium-Solarstromspeichersystemen, https://t1p.de/GEB250363
Bild: www.dgs-berlin.de
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