PV: Was ist eigentlich ein Thermal Runaway?

Mit der zunehmenden Verbreitung von Batteriespeichersystemen rücken auch potenzielle Gefahren in den Fokus. Eines der Risiken bei Batterien mit Lithium-Ionen-Technologie, ist das Phänomen des sogenannten Thermal Runaway. Dieser Beitrag erläutert Ursachen und Verlauf des thermischen Durchgehens von Batteriezellen und zeigt praxisnahe Möglichkeiten zur Risikominderung auf.

Was ist Thermal Runaway?

Thermal Runaway beschreibt eine unkontrollierte Kettenreaktion, bei der die Temperatur einer Batterie so stark ansteigt, dass sie zu einer Selbstüberhitzung führt. Dieses Phänomen tritt auf, wenn die Wärmeproduktion innerhalb der Batterie die Fähigkeit zur Wärmeableitung übersteigt. Die dabei entstehende Hitze treibt chemische Reaktionen an, die weitere Wärme freisetzen. Ohne geeignete Gegenmaßnahmen kann dies zu schweren Folgen wie Feuer, Explosionen und/oder dem Austritt toxischer Gase führen.

Ursachen eines Thermal Runaway

Die Ursachen für einen Thermal Runaway lassen sich in drei Hauptkategorien unterteilen:

Mechanische Beschädigungen:

• Durch Schäden wie Quetschungen oder Perforationen können interne Kurzschlüsse entstehen, die zu einer plötzlichen Hitzeentwicklung führen.

Elektrische Fehlfunktionen:

• Überladung oder Tiefentladung der Batterie.
• Kurzschlüsse durch defekte Elektronik oder fehlerhafte Verkabelung.

Thermische Belastungen:

• Externe Hitzequellen (z. B. Feuer oder hohe Umgebungstemperaturen).
• Fehlende, unzureichende oder defekte Kühlsysteme in Batteriespeichern.

Verlauf eines Thermal Runaway

Der Thermal Runaway verläuft in drei Hauptphasen:

Initiierungsphase:

• Auslösung durch externe oder interne Faktoren, z. B. mechanische Schäden oder Kurzschlüsse.
• Erhöhte Zelltemperatur löst erste chemische Reaktionen aus.

Selbstverstärkungsphase:

• Die chemischen Reaktionen setzen zusätzliche Wärme frei.
• Der Elektrolyt verdampft, und es entstehen entzündliche Gase wie Wasserstoff oder Sauerstoff.

Kritische Phase:

• Die Temperatur steigt unkontrolliert auf mehrere hundert Grad Celsius an.
• Möglicher Eintritt von Feuer oder Explosion, begleitet von giftigen Gasemissionen.
• Auswirkungen auf TGA und SHK-Systeme

In der Gebäudetechnik und Energiewirtschaft können die Folgen eines Thermal Runaway verheerend sein:

• Gebäudeschäden: Feuer und Explosionen können erhebliche strukturelle Schäden verursachen.
• Gefahr für Menschen: Toxische Gase wie Kohlenmonoxid oder Fluorwasserstoff stellen ein ernstes Risiko dar.
• Systemausfälle: Komplette Anlagenkaskaden können durch zerstörte Batteriespeicher lahmgelegt werden.

Strategien zur Risikominderung

Folgende Maßnahmen sind wichtig, um das thermische Durchgehen eines Batteriespeichers zu verhindern:

• Frühzeitige Erkennung:
  Einsatz von Temperatursensoren und Überwachungssystemen, die Anomalien erkennen.
  Nutzung von Batteriemanagementsystemen (BMS), die kritische Zustände frühzeitig detektieren.
• Thermisches Management:
  Einsatz von Kühlsystemen wie Luft- oder Flüssigkeitskühlungen.
  Verwendung von Materialien mit hoher thermischer Leitfähigkeit zur effizienten Wärmeableitung.
• Brandschutz:
  Installation von Brandschutzsystemen, z. B. Inertgas-Löschanlagen.
  Einsatz von feuerhemmenden Gehäusen für Batteriespeicher.
• Schulungen und Wartung:
  Regelmäßige Schulungen für Fachpersonal zur Identifikation von Risikofaktoren.
  Präventive Wartung zur frühzeitigen Erkennung mechanischer oder elektrischer Defekte.

Mit der steigenden Nachfrage nach Batteriespeichersystemen steigen auch die Fälle, in denen es zu einem Brand kommt. Dennoch liegt das Risiko für einen Brand bei einem PV-Heimspeicher bei 0,0049 Prozent (Studie RWTH Aachen). 

Für Großspeichersysteme gibt der Leitfaden des Bundesverbands für Energiespeichersysteme BVES Handwerkern, Planern und Bauherren wichtige Hilfestellung, z.B. zur Durchführung von Risikoanalysen und zur Auswahl des richtigen Überspannungsschutzes. Man findet ihn hier zum kostenlosen Download: https://www.bves.de/publikation/brandschutzleitfaden-deutsch/