Batteriespeicher: Zukunft speichern – aber richtig

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Der Artikel kompakt zusammengefasst
■ Um Batteriespeicher sicher und normkonform in Gebäude zu integrieren, ist eine frühzeitige, baubegleitende Planung unerlässlich.
■ Neben der Wahl von Speichertechnologie und Aufstellort sollten insbesondere die baurechtlichen Anforderungen sowie die elektro- und sicherheitstechnischen Normen von Anfang an berücksichtigt werden. Zudem sind die Anforderungen der Sachversicherer von hoher Bedeutung.
■ Planer, Errichter und Betreiber profitieren dabei von externer Expertise – etwa durch Sachverständige – um spätere Umplanungen oder Sicherheitsrisiken zu vermeiden.

Stationäre Batteriespeicher gelten angesichts sinkender Einspeiseprämien als Schlüsselelement für die Eigenstromnutzung aus erneuerbaren Energien in Gewerbe- und Industriegebäuden. Für ihren sicheren Betrieb ist nicht zuletzt die sorgfältige Planung des Aufstellorts entscheidend. Auch die geplante Nutzung spielt eine wichtige Rolle. TÜV SÜD unterstützt Planer, Errichter und Betreiber in jeder Projektphase.

Auf dem Markt sind viele vorkonfektionierte und typgeprüfte Batteriespeichersysteme zu immer günstigeren Preisen erhältlich. Mit der Integration in die elektrische Anlage eines Unternehmens gelten jedoch neue Anforderungen. Der Speicher unterliegt als Teil der ortsfesten elektrischen Anlage der DGUV Vorschrift 3 [1], die regelmäßige Prüfungen durch Elektrofachkräfte verlangt. Hier gilt das besondere Augenmerk dem Schutz gegen elektrischen Schlag und somit dem Personenschutz.

Außerdem ist ein Batteriespeichersystem ein Arbeitsmittel im Sinne der Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) [2]. Diese fordert eine regelmäßig überprüfte und aktualisierte Gefährdungsbeurteilung der elektrischen Risiken, Brand- und Explosionsgefahren sowie der potenziellen Umweltauswirkungen. Diese Gefährdungsbeurteilung muss alle relevanten Betriebszustände (Normalbetrieb, Wartung und Notfälle) ebenso enthalten wie geeignete Schutzmaßnahmen.

Die Technische Regel TRBS 1201 [3] konkretisiert die Prüfanforderungen hinsichtlich Art, Umfang und Intervallen sowie der Anforderungen an das Prüfpersonal. Zusätzlich fordert die DGUV Vorschrift 3 die regelmäßige Prüfung durch Elektrofachkräfte. Weiterhin können besondere Anforderungen an die Ausführung und die Prüfung durch den Versicherer im Hinblick des Brandschutzes gestellt werden. Für die Funktionsfähigkeit ist auch eine Überprüfung der Kapazität empfehlenswert, möglichst vor Ablauf der Gewährleistung. Diese freiwillige Prüfung lässt sich gut mit den vorgeschriebenen Prüfungen verbinden.

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Das „Wo“ zählt

Mit wachsender Speicherkapazität steigen auch die Anforderungen an den baulichen und anlagentechnischen Brandschutz. Die EltBauVO [4] fordert in mehreren Bundesländern ab einer Kapazität von 20 kWh mindestens eine feuerhemmende Ausführung des Aufstellungsraums sowie wirksame Be- und Entlüftungsmöglichkeiten. Eine selbsttätige Löschanlage und die Möglichkeit zur Entrauchung sind ab 100 kWh Gesamtkapazität vorgeschrieben.

Seitens der Sachversicherer werden häufig zusätzliche Anforderungen gestellt. Wichtig ist hier die Richtlinie VdS 3103 [5]. Auch das noch relativ neue Datasheet 7-112 „Lithium-ion Battery Manufacturing and Storage“ vom US-amerikanischen Industriesachversicherer FM Global könnte relevant sein. Es beschreibt weiterführende Anforderungen an Luftwechselraten und Ausstattung der Räume. Auch müssen sicherheitsrelevante Systeme häufig räumlich klar von den Batteriespeichern getrennt werden.

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Beachtet wird bei der Ausstattung des Aufstellungsraums vor allem der Havariefall – beispielsweise verursacht durch das thermische Durchgehen (thermal runaway) des Speichers in Folge eines Zellschadens. Da dabei in sehr hoher Geschwindigkeit Hitze und giftiger Rauch entstehen, sind auch potenzielle Anforderungen an Druckentlastungsöffnungen für den Raum zu beachten. Größe und Ansprechdruck dieser Einrichtungen können sich aus Erfahrungswerten im Bereich von Mittelspannungsschaltanlagen (Störlichtbogen-Problematik) orientieren und müssen die statischen Anforderungen der Umfassungsbauteile (Wände / Decken) beachten.

Größere Speicher im industriellen Umfeld sind aus zuvor benannten Gründen oft in separaten Gebäuden oder in feuerfesten Containern besser aufgehoben als im Innenraum. Vorbeugende und abwehrende Brandschutzmaßnahmen sind gezielter möglich, und die Einsatzkräfte können sich im Brandfall für ein kontrolliertes Ausbrennen entscheiden, ohne dass das Gebäude in Mitleidenschaft gezogen wird. Fertige Lösungen sind zudem schneller einsatzfertig und günstiger als ein möglicherweise aufwendiger Einbau, der individuell geplant werden muss. Darüber hinaus reduziert ein separater Aufstellraum das Risiko für Personen, weil er von Aufenthaltsräumen und Rettungswegen klar getrennt ist.

Nutzungsszenarien beeinflussen die technische Auslegung

Wie der Speicher in die Gebäudetechnik integriert wird, hängt stark von der geplanten Nutzung ab. Reiner Netzparallelbetrieb oder ggf. der Einsatz im Netzersatzbetrieb oder Lastspitzenkappung stellen jeweils unterschiedliche Anforderungen an Verfügbarkeit, Sicherheitsfunktionen und Schutzmaßnahmen.

Bei einem geplanten Inselbetrieb – also dem Betrieb des Speichers bei Netzausfall als Ersatzstromquelle – sind vor allem die Schutzmaßnahmen gegen elektrischen Schlag als kritisch zu betrachten. Die Auslösezeit der in typischen elektrischen Anlagen eingesetzten Schutzeinrichtungen wird von der Größe des Kurzschlussstroms bestimmt. Bei Batteriespeichern ist diese deutlich geringer als bei der Einspeisung aus dem Netz, was die Funktion klassischer Schutzeinrichtungen wie Schmelzsicherungen beeinträchtigen kann. Soll der Speicher vollständig vom Netz entkoppelt werden, müssen die ausgewählte Schutztechnik sowie Erdungs- und Potentialausgleichkonzepte dieser Anforderung gewachsen sein. Beim netzparallelen Betrieb ist sicherzustellen, dass die Schutz- und Abschaltkonzepte (insbesondere NA-Schutz gemäß VDE-AR-N 4105/4110) sowie die Koordination zwischen Batterie, Wechselrichter und Netzanschlusspunkt eindeutig geplant, dokumentiert und regelmäßig geprüft werden.

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Batteriespeicher müssen kommunizieren – mit den einspeisenden Anlagen (z. B. Photovoltaik oder BHKW), mit der Hauptverteilung und mit Verbrauchern im Lastmanagement (z. B. der Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge). Letztere benötigen je nach Betriebssituation im Gegensatz zu sicherheitsrelevanten Anlagen und Mitteln zur Aufrechterhaltung des Betriebs keine vollständige Versorgungssicherheit; Ausfälle und Unterbrechungen können akzeptiert werden. Ein strukturierter Prüfplan berücksichtigt deshalb immer auch die geplante Nutzung und die Betriebsart.

Risiken im Blick

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

Die konkreten Anforderungen, unter anderem, dass Betrieb, Wartung und Prüfung systematisch erfolgen müssen, sind unter anderem in DIN VDE 0105-100 [6] beschrieben. Die ganzheitliche Gefährdungsbeurteilung berücksichtigt neben elektrischen Gefahren auch die einschlägigen Herstellervorgaben, Anforderungen aus dem Brandschutzkonzept sowie betriebliche Erfahrungswerte. Die Beurteilung muss auch ein Löschkonzept beinhalten, das die besonderen Anforderungen berücksichtigt, zum Beispiel an Löschmittel und Abschottungen. Diese hängen stark von der eingesetzten Speichertechnologie ab.

Speichertechnologien mit unterschiedlichen Anforderungen

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In Gewerbeimmobilien sind überwiegend Lithium-Ionen-Systeme im Einsatz (in 95 % der Neubauten). Sie gelten als leistungsfähig, bergen aber bei Zellschäden das Risiko von Bränden, toxischen Gasen oder Druckstößen. Neuere Speichersysteme setzen auf Lithium-Eisenphosphat-Zelltechnik – mit deutlich geringerem Risiko des thermischen Durchgehens.

Redox-Flow-Systeme, die Energie in flüssigen Elektrolyten speichern, sind für größere Leistungen (ab ca. 100 kWh) geeignet. Die Elektrolyte gelten als Gefahrstoffe im Sinne der Verordnung über Anlagen zum Umgang mit wassergefährdenden Stoffen (AwSV) und müssen entsprechend behandelt werden.

Ein geringeres Gefahrenpotenzial steckt in Natrium-Ionen-Technologien, die aktuell in Pilotprojekten eingesetzt werden und mit denen entsprechend noch wenig Erfahrung im langfristigen Betrieb vorliegt. Hybride Systeme, die Batterien mit Schwungrädern oder Superkondensatoren kombinieren, sind geeignet, wenn kurze Reaktionszeiten oder hohe Lastwechsel erforderlich sind. Sie ermöglichen eine feinere Steuerung und eröffnen neue Möglichkeiten im dynamischen Lastmanagement.

Strategie für sicheren Betrieb

In seinem Leitfaden „zum vorbeugenden und abwehrenden Brandschutz für Li-Ionen Großspeichersysteme“ hat der Bundesverband Energiespeicher Systeme (BVES) beschrieben, 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 eine frühzeitige Abstimmung mit der örtlichen Feuerwehr. Der Leitfaden empfiehlt dies ausdrücklich für Speicher mit einer Kapazität ab 50 kWh.

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Batterien und ihre Normen

Niederspannungsrichtlinie (2014/35/EU): Der rechtliche Rahmen für die elektrische Sicherheit von Batteriespeichern und -systemen. Er wird durch spezifische Sicherheitsnormen konkretisiert.

IEC 62933-2-1: Einheitsparameter und Prüfverfahren für elektrische Energiespeichersysteme

IEC 62619: Lithium-Batterien in industriellen Anwendungen

IEC 63056: Verwendung von Lithium-Sekundärzellen in elektrischen Energiespeichersystemen

IEC 62485: Sekundär-Batterien und -Batterieanlagen

Welche Norm angewandt wird, hängt neben dem Batterietyp auch davon ab, ob ein Batteriemanagementsystem vorhanden und wie dieses beschaffen ist. Einige dieser Normen befinden sich derzeit noch im Harmonisierungsverfahren auf europäischer Ebene und sind noch 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.

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Dr.-Ing. Stefan Siegfried Veit

ist Abteilungsleiter Elektro- und Gebäudetechnik bei TÜV SÜD Industrie Service, 80686 München, stefan.veit@tuvsud.com, www.tuvsud.com/energiespeicher

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