Der Markt für Lithium-Ionen-Batterien wächst schnell, was bedeutet, dass Sicherheitsvorfälle wahrscheinlich immer häufiger auftreten werden. Batterieanalytik hilft Unternehmen, das Risiko von Bränden in Batteriespeichersystemen zu verringern.
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Energiespeichersysteme sind für die Dekarbonisierung unserer Volkswirtschaften von entscheidender Bedeutung, und Batterien spielen eine wichtige Rolle bei der Speicherung von Energie, die aus intermittierenden erneuerbaren Quellen gewonnen wird, und bei der Stabilisierung des Netzes. Lithium-Ionen-Batterien (LIB) werden aufgrund ihres hohen Potenzials für eine effiziente Energiespeicherung und ökologische Nachhaltigkeit häufig eingesetzt, doch leider kam es auf dem schnell wachsenden LIB-Markt zu einer Reihe von Batteriebränden. Mit der Ausweitung des Einsatzes von Batterien im Netzbereich werden diese Vorfälle in den kommenden Jahren wahrscheinlich weiter zunehmen.
Sicherheitsvorfälle führen zu schwerwiegenden wirtschaftlichen Problemen für die an BESS-Projekten beteiligten Akteure, in einigen Fällen zum vollständigen Verlust der Anlage, und schaden dem Ruf der beteiligten Unternehmen erheblich. Infolgedessen wird den Fragen der LIB-Sicherheit immer mehr Aufmerksamkeit geschenkt. Die Unternehmen entwickeln Sicherheitsstrategien, und die Regierungen führen neue Vorschriften ein, um die Sicherheit von LIBs zu gewährleisten. In den USA beispielsweise enthält die Norm NFPA 855 (Standards for the installation of Stationary Energy Storage System) Mindestanforderungen für die Eindämmung der damit verbundenen Gefahren. Werden keine Maßnahmen ergriffen, um die sichere Installation und den sicheren Betrieb von BESS zu gewährleisten, würde dies nicht nur zur Nichteinhaltung der geltenden Vorschriften führen, sondern auch zu erheblichen wirtschaftlichen und rufschädigenden Schäden.
Für den sicheren Betrieb von Batterien gibt es mehrere Faktoren. Ihre Sicherheit wird durch die Batteriechemie, die Betriebsumgebung und die Belastung, die die Batterie verträgt, bestimmt. Das interne Versagen einer LIB wird letztlich durch die Instabilität des elektrochemischen Systems verursacht. Daher ist die Vorhersage der elektrochemischen Reaktionen in LIBs von grundlegender Bedeutung für die Bewertung der Batteriesicherheit. Spannung, Temperatur und Strom sind die wichtigsten Stressfaktoren, die die Reaktionen der Batterie steuern. Software für die Batterieanalyse ist für die Bewertung und Vorhersage dieser Schlüsselindikatoren in einem frühen Stadium von entscheidender Bedeutung.
Dieses Whitepaper fasst die vielen Aspekte der LIB-Sicherheit zusammen und erörtert, wie bestimmte Herausforderungen mit Hilfe von Batterieanalysen entschärft werden können .
Die Sicherheit von Batterien kann nicht einfach mit einem einzigen Leistungsindikator bewertet werden. Ein Batteriebrand wird in der Regel nicht durch ein einzelnes Ereignis verursacht, sondern durch eine Anhäufung von Einzelereignissen, die eine thermische Startbahn und ein Aufblähen der Zellen auslösen können, so dass ein Brand nicht mehr verhindert werden kann. Wenn die Batterie einen Zustand der thermischen Startbahn erreicht, gerät sie außer Kontrolle. Die Temperatur steigt aufgrund interner Reaktionen kontinuierlich an und kann daher nicht mehr durch externe Messungen kontrolliert oder aufrechterhalten werden. Dies führt zu einer thermischen Ausbreitung in der Batterie Energiespeichersystemen, da Brände, die in einzelnen Zellen und Modulen entstehen, auf andere übergreifen.
Zu den kritischen Problemen, die thermische Brände auslösen können, gehören Fehlfunktionen in Batteriemanagementsystemen (BMS), Kurzschlüsse, Dendritenwachstum und Lithiumbeschichtung. Es gibt jedoch noch viele weitere kurz- und langfristige Ursachen für BESS-Brände, die in elektrochemische, thermische, BMS- und Sensorprobleme unterteilt werden können.
Alle Lithium-Ionen-Batterien verfügen über ein Batteriemanagementsystem (BMS), das den Betrieb der Batterie kontinuierlich überwacht und steuert. Darüber hinaus verfügt Energiespeichersystemen in der Regel über ein Energiemanagementsystem (EMS) und häufig auch über ein ESMS (Energy Storage Management System), das einen Überblick über die gesamte Flotte bietet. Die Hauptfunktion des BMS besteht darin, einen sicheren Betrieb des BESS zu gewährleisten. Es sorgt beispielsweise dafür, dass jede Batteriezelle beim Laden, Entladen und bei offenem Stromkreis innerhalb sicherer Spannungs-, Strom- und Temperaturgrenzen bleibt.
Die Realität hat jedoch gezeigt, dass einiges schief gehen kann. Ein fehlerhaftes BMS kann zu einer Überladung oder Tiefentladung der Batterie führen, was bedeutet, dass die Batterien in einem BESS sichere Spannungs-, Strom- und Temperaturschwellen überschreiten. Dies kann zu Gefahren wie thermischen Ausreißern oder Zelldurchbrüchen und damit zu Bränden führen. Ohne zusätzliche Sicherheitsmechanismen gibt es keine Möglichkeit für die Beteiligten, diese Fehlfunktionen zu erkennen, bevor es zu spät ist und nichts mehr getan werden kann, um sie zu verhindern.
Batteriemanagementsysteme sind nicht in der Lage, alle Reaktionen zu erkennen, die im Inneren der Zellen ablaufen, z. B. Lithiumplattierung und Dendritenwachstum. Es kann zu Kurzschlüssen oder zum Bruch eines Steckers kommen, was für Batterien extrem gefährlich ist und letztlich zu einem Brand führen kann, der auf andere Batterien im Energiespeichersystem übergreifen kann. Ein BMS kann zwar die Folgen dieser Ereignisse erkennen, aber nichts dagegen tun.
Trotz des großen finanziellen Wertes der Batterie Energiespeichersystemen protokollieren zahlreiche BMS keine Informationen, haben wenig bis keinen Zugang zu historischen Daten und sind in ihrer Rechenleistung begrenzt. Ein BMS hat auch nicht den Überblick über ein ganzes Energiespeichersystem, da seine Funktion darin besteht, nur eine Zelle zu kontrollieren. Unternehmen, die über ein ESMS verfügen, haben zwar Zugriff auf historische Daten, können aber nur sehr wenige Trendanalysen durchführen und liefern keine wichtigen KPIs wie z. B. Spreads, die für die Erkennung langfristiger Anzeichen eines Sicherheitsrisikos von entscheidender Bedeutung wären.
Aufgrund ihrer Einschränkungen sind BMS und ESMS nicht in der Lage, Anomalien zu erkennen oder langfristige Trends zu analysieren, die die Sicherheit eines Energiespeichersystems beeinträchtigen können. Unternehmen, die an Projekten für Energiespeichersysteme beteiligt sind, können sich daher nicht auf BMS oder ESMS verlassen, um die Sicherheit ihrer BESS zu gewährleisten, und müssen zusätzliche Mechanismen einrichten.
Zu den elektrochemischen Problemen, die während des Batteriebetriebs auftreten können, gehören Dendritenwachstum, Lithiumplattierung und zunehmende Spannungsspreizungen. Da diese von den Batteriemanagementsystemen nicht erkannt werden können, ist es wichtig, Mechanismen zu haben, die sie erkennen können.
Ein unsachgemäßer Betrieb von Batterien, z. B. der Betrieb von NMC-Batterien mit hohen Ladegeschwindigkeiten und niedrigen Temperaturen, kann zu Li-plating an der Anode und zum Wachstum von Dendriten (nadelartige Netze aus metallischem Li) führen. Diese Dendriten wachsen in Richtung der Kathode, erreichen schließlich die Kathodenoberfläche und bilden einen leitfähigen Pfad in einem Maße, dass ein Kurzschluss entsteht, der zu einer plötzlichen Energiefreisetzung in Form einer Explosion und eines Brandes führt.
Batteriezellen sind einander zwar ähnlich, aber aufgrund von Qualitätsunterschieden nie zu 100 % identisch, weshalb sie sich unterschiedlich verhalten und unterschiedlich altern. Die unterschiedlichen Alterungspfade der einzelnen Zellen führen dazu, dass sich der Ladezustand (State of Charge, SoC) und der Gesundheitszustand (State of Health, SoH) in einem Modul mit der Zeit ausbreiten, was die Leistung des gesamten Moduls einschränkt und die Belastung für andere, verbleibende Module erhöht, da sie der Leistungsminderung anderer Zellen oder Module entgegenwirken müssen. Das BMS versucht, die Leistungsunterschiede der einzelnen Zellen auszugleichen, um die Gesamtleistung zu verbessern, was jedoch zu einer erhöhten Belastung der schwächeren Zellen führt und das Risiko einer schnelleren Alterung und sicherheitsrelevanter Schäden weiter steigert. Diese Kombination kann daher die schwachen Zellen aus dem sicheren Betriebsfenster drängen, was langfristig zu einem erhöhten Risiko eines sicherheitskritischen Vorfalls führt, der einen Brand verursachen kann.
Zunehmende Spannungsspreads aufgrund von SoC-Ungleichgewichten und unterschiedlichen Erhöhungen des Innenwiderstands führen ebenfalls zu Temperaturspreads. Da die Position innerhalb des Moduls und des Packs oder Strings die Menge der Kühlleistung beeinflusst, die einer bestimmten Zelle zugeführt werden kann, können die Temperaturspreizungen weiter zunehmen. Da das BMS versucht, die Leistung auszugleichen, erhöht sich die Belastung der schwächeren Zellen und kann dazu führen, dass die Temperatur der Zellen unsichere Werte erreicht.
Hohe Ladegeschwindigkeiten bedeuten, dass viele Li-Ionen in kurzer Zeit auf die Anodenseite der Batterie gedrückt werden. Bei normalen Temperaturen kann die Anode die schnell ankommenden Li-Ionen aufnehmen und gleichmäßig verteilen, aber bei niedrigen Temperaturen bleiben die Li-Ionen an der Anodenoberfläche hängen und beginnen, metallisches Lithium zu bilden. Solches metallisches Lithium auf der Anodenoberfläche beschleunigt die Batteriealterung und erhöht die Sicherheitsrisiken wie Kurzschlüsse.
Strom-, Spannungs- und Temperatursensoren können driften und zeigen regelmäßig irgendeine Form von Saison- oder Temperaturabhängigkeit für ihre Signalverschiebung oder Genauigkeit. Ein BMS, das nur die nackten Signale betrachtet, verfügt nicht über genügend oder gar keine Intelligenz, um tiefer in die Daten einzutauchen und zugrundeliegende Probleme zu entdecken, da ein Offset den Betrieb in der Nähe kritischer Sicherheitsgrenzen verbergen könnte. Diese Verschiebungen erfolgen oft schrittweise und können daher leicht beobachtet werden, wenn mehrere Systeme betrachtet und das historische Verhalten berücksichtigt wird.
Die Sicherheit von Batterien und deren Alterung wird durch zahlreiche Einzelereignisse bestimmt. Während jedes dieser Ereignisse die Batterie meist nur geringfügig schädigt oder verschlechtert, führt die Gesamtheit dieser Ereignisse zum Ausfall der Batterie. Zum Beispiel, wenn die Batterie häufig überladen wird oder über einen längeren Zeitraum bei sehr hohen Temperaturen betrieben wird.
Dennoch können bestimmte Einzelereignisse aufgrund ihrer besonderen Kombination von gleichzeitig auftretenden Stressparametern große Auswirkungen auf die Batteriesicherheit und -alterung haben. So kann beispielsweise der Betrieb der Batterie bei niedrigen Temperaturen mit hohen Ladeströmen zu einer Zellquellung und damit zu einem erhöhten lokalen Druck innerhalb der Module führen. Wenn diese Kombinationen von Belastungsparametern regelmäßig auftreten, ist die Sicherheit der Batterie gefährdet.
Die vielen kurz- und langfristigen Ursachen von Batteriebränden machen es nicht leicht, die Sicherheit von Batterien zu gewährleisten Energiespeichersystemen. Aber stellen Sie sich vor, dass Sie schon Monate vor einem Vorfall Einblick in mögliche Sicherheitsvorfälle erhalten!
Durch die Installation einer cloudbasierten Ebene für die Batterieanalyse können Sie wichtige Vorfälle und Trends erkennen und diese allen Beteiligten weltweit und jederzeit zur Verfügung stellen. Sie und Ihre Projektbeteiligten können BMS-Fehlfunktionen und andere Probleme frühzeitig erkennen und sie lösen, solange sie noch vermeidbar sind und bevor sie außer Kontrolle geraten.
Die Analytik kann zwar keine Brandbekämpfungssysteme ersetzen, aber sie bietet einen grundlegenden Mechanismus, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten und eine vorbeugende Wartung durchzuführen, so dass etwaige Probleme gelöst werden können, bevor sie eskalieren.
Die TWAICE-Batterieanalyseplattform ermöglicht es, Sicherheitsrisiken frühzeitig zu erkennen. Safety Monitoring & Analytics zeigt eine Liste von Vorfällen an, die in die Kategorien "kritisch", "hoch", "mittel" und "gering" eingeteilt sind, um Ihnen zu helfen, den Schweregrad zu verstehen. Bei kritischen und hohen Risiken können die Betriebs- und Wartungsteams sofort prüfen, wo das Problem liegt.
Sie können E-Mail-Benachrichtigungen über diese Vorfälle erhalten und sie in Ihr Eskalationssystem integrieren, um sicherzustellen, dass die Betriebs- und Wartungsteams so schnell wie möglich reagieren können.
Sie können innerhalb der TWAICE-Plattform weitere Analysen durchführen, um mögliche Grundursachen zu ermitteln. TWAICE bietet darüber hinaus professionelle Dienstleistungen für die Durchführung von Ursachenanalysen und für die Festlegung von Maßnahmen, die bei Vorfällen ergriffen werden sollten.
Eine wichtige Komponente der Batteriesicherheit ist die Erkennung von Anomalien und Trends, die nicht der Norm entsprechen. Das Histogramm des Gleichstromwiderstands in Abbildung 5 unten zeigt zum Beispiel eine Abweichung von der durchschnittlichen Verteilung, was auf Nebenreaktionen innerhalb der Batteriezellen hinweisen könnte. Dies kann auch zu einer hohen Temperaturspreizung führen, wie das Histogramm der Temperaturspreizung in Abbildung 5 (rechts) zeigt. Auch wenn Sie bei einem Übertemperaturereignis per E-Mail gewarnt werden könnten, verschafft Ihnen die frühzeitige Erkennung dieser Trends zusätzliche Zeit, um Probleme zu erkennen und zu beheben, bevor sie eskalieren.
Die Risikominderung bei Batterien Energiespeichersystemen ist nicht nur während der Betriebsphase des BESS von Bedeutung. Sie beginnt bereits in der Entwicklungs- und Konstruktionsphase. Jede Zellchemie und jedes Format haben einen Sweet Spot, in dem sie funktionieren. Die Hersteller verkaufen Energiespeichersystemen in verschiedenen Regionen und Umgebungen. Die Kunden betreiben die Systeme auf unterschiedliche Weise. Diese verschiedenen Faktoren müssen in der Entwurfsphase berücksichtigt werden. Durch die Auswahl der richtigen Zelle, der BMS-Konfiguration und des Wärmemanagements in der Entwurfsphase des BESS legen die Unternehmen den Grundstein für einen sicheren Betrieb auf lange Sicht.
Mit Batteriesimulationsmodellen können Integratoren und Systemingenieure verschiedene Anwendungsfälle und Konfigurationen virtuell testen, um das optimale Systemdesign zu finden, das die Kundenanforderungen erfüllt und einen sicheren Betrieb gewährleistet. Bei den TWAICE-Batteriesimulationsmodellen handelt es sich um gekoppelte Modelle für die elektrische und thermische Alterung, die einen ganzheitlichen Blick auf das Batterieverhalten während der gesamten Lebensdauer der Batterie ermöglichen.
Da die Vorschriften und Märkte jedoch sehr dynamisch sind, kann sich der Betrieb des BESS später, während der Nutzungsdauer, erheblich ändern. Wie in den vorangegangenen Abschnitten erörtert, sind die Komponenten des BESS zwar sehr zuverlässig, aber nicht zuverlässig genug, um die Sicherheit zu gewährleisten. Bei BMS-Systemen kann es zu Fehlfunktionen und Fertigungsproblemen in den Zellen kommen. Diese Herausforderungen machen deutlich, dass Analysen während des Betriebs erforderlich sind, um einen sicheren Betrieb und einen langfristig erfolgreichen Geschäftsplan zu gewährleisten.
Bei der Nutzung von Batterien können die kurz- und langfristigen Betriebsrisiken sowie die durch die Herstellung und das Systemdesign bedingten Risiken durch kontinuierliche Batterieanalysen angegangen werden. Die Installation einer cloudbasierten zweiten Sicherheitsebene ermöglicht es den Unternehmen, Probleme und Trends frühzeitig zu erkennen, so dass sie Probleme lösen können, bevor sie eskalieren. Die Batterieanalytik sollte daher ein grundlegender Aspekt jeder BESS-Sicherheitsstrategie sein.
Die möglichen Einsparungen, die durch die Implementierung von Batterieanalysen erzielt werden können, sind immens. Während die Kosten eines Brandes in gewisser Weise unermesslich sind, da sie von mehreren Faktoren abhängen, einschließlich der Höhe des Vermögensverlustes, der Kosten für Ausfälle und Reparaturen sowie des Reputationsschadens, könnte die Implementierung einer Batterieanalyselösung weniger als 0,1 % der Kosten des BESS2 kosten.
Letztlich sind die Kosten, die durch den Einsatz einer Batterieanalyselösung entstehen, minimal im Vergleich zu den vielschichtigen Kosten eines Batteriebrandes, dem Worst-Case-Szenario.
Wir erforschen die Herausforderungen des Managements und des Betriebs von BESS.
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