Sicherheit bei der Nutzung von elektrischen Batteriespeichersystemen

Transkript

1 Sicherheit bei der Nutzung von elektrischen Batteriespeichersystemen

2 PV-Anlagen mit Batteriespeichersystemen die Energienutzung der Zukunft! Quelle: SolarWorld Batteriespeicher

3 Der Vorteil von Batteriespeichersystemen liegt auf der Hand: Das Problem Quelle: SolarWorld

4 Der Batteriespeicher soll dieses Problem lösen: Quelle: RWE Die Idee war zunächst, dass der Speicher zusätzlich zum bestehenden Versorgungsnetz arbeitet.

5 Allerdings soll dies auch im sogenannten Inselbetrieb möglich sein mit allen daraus resultierenden Konsequenzen Quelle: Sonnenbatterie Netzentkoppelt Netzgekoppelt

6 1. Wo können Probleme entstehen? Problemzone 1: Die Batterie Nur ausgereifte Batteriesysteme kommen infrage, z. B.: a) Bleiakkumulator b) Lithium-Ionen-Batterien Zu a) absolute Wartungsfreiheit gibt es nur theoretisch absolut gasungsfrei können Bleiakkus kaum betrieben werden Dadurch entstehen Fragen bezüglich einer wiederkehrenden Kontrolle der Akkus sowie der Lüftungsbedingungen am Aufstellort

7 Zu b) Lithium-Ionen-Batteriesysteme sind nicht ungefährlich Gefahrlos arbeiten sie nur in einem eingeschränkten Sicherheitsfenster Das Arbeitsfenster einer Lithium-Ionen-Batterie Einflussfaktoren: hohe Umgebungstemperatur Überladung der Zellen Tiefentladung der Zellen Mechanische Beschädigung Überspannungsimpulse All das kann einen gefährlichen, unumkehrbaren Verlauf einleiten! Quelle:

8 UPS-Flugzeug Nr. 1307, am 07. Februar 2006 in Pennsylvania Bei zwei Abstürzen 2011 wird vermutet, dass Probleme mit Lithium-Batterien ursächlich waren

9 Batteriespeichersysteme machen auch schon Schlagzeilen:

10 Problemzone 2: Der Inselbetrieb des Speichersystems In der Werbung sieht das so aus: Quelle: SolarWorld Was in der Werbung jedoch kaum betont wird: Alle notwendigen Schutzmaßnahmen müssen in allen Schaltzuständen (auch im Inselbetrieb) sicher funktionieren! und genau da beginnt das Problem.

11 PERSONENSCHUTZ Schutz gegen elektrischen Schlag Die häufigste Schutzmaßnahme: Schutz durch automatische Abschaltung der Stromversorgung Das häufigste Netzsystem: TN-System Bedingung: Eine Schutzeinrichtung muss im Fehlerfall in sehr kurzer Zeit abschalten Formel: Z S U 0 I a In Z S sind die Widerstände der beteiligten Leiter enthalten sowie der Innenwiderstand der Stromquelle

12 Beispiel: Ein LS-Schalter soll die rechtzeitige Abschaltung bewirken; er benötigt für die Abschaltung einen Strom von I a = 125 A; Widerstand der beteiligten Leiter und der Stromquelle beträgt: 1,2 ; Z S(ist) = 1,2 230 V Sollwert: Z S(soll) = = 1, A Z S(ist) < Z S(soll) Schutz gewährleistet Ein Batteriesystem hat einen variablen Innenwiderstand, abhängig vom Zellenzustand (Alter, Ladezustand usw.) und beeinflusst durch elektronische Regelung. Der Innenwiderstand eines Batteriespeichersystems ist bedeutend größer als der eines Versorgungsnetzes! Frage: Wird der LS-Schalter früh genug abschalten können? (wahrscheinlich nicht)

13 Abhilfe: Fehlerstrom-Schutzeinrichtung (FI-Schutzschalter) vorsehen aber der trennt im Fehlerfall das komplette Haus von Netz alle Verbraucherstromkreise müssten FI-Schutz erhalten!

14 Dazu kommt aber noch ein weiteres Problem! Wo fließt im Fehlerfall der Strom, der die Abschaltung bewirkt? Netz HAK Zählerschrank S K1 Netztrennschalter S S Z 1 PEN N PE Sternpunktbilder bei Inselbetrieb? ~ = Wechselrichter ~ = Wechselrichter PEN und PE sind in gelb/grüner Adernfarbe auszuführen Erzeugungsanlage Batteriespeicher Verbrauchsgeräte

15 Einen Sternpunkt braucht dieses Inselnetz, sonst gibt es keine automatische Abschaltung im Fehlerfall! Wechselrichter Sternpunktbilder bei Inselbetrieb? ~ = Wechselrichter Aber wie soll der gebildet werden? Hier kommt es zum Teil zu den abenteuerlichsten Lösungen - Batteriespeicher Problemlösung: Maßnahmen werden in der zukünftigen VDE-AR-E beschrieben Verbrauchsgeräte

16 SACHSCHUTZ Schutz bei Überstrom (Überlast und Kurzschluss) Ein Kurzschluss darf die Leitungsisolation nicht zerstören oder in Brand setzen! Notwendige Anforderung: Leitungswiderstand + Innenwiderstand der Stromquelle gering halten! Warum? Kurzschlussstrom muss so groß sein, dass die Schutzeinrichtung rechtzeitig abschalten kann* Da der Innenwiderstand der Stromquelle feststeht, muss der Errichter Leitungsquerschnitt und länge richtig bestimmen. * Hier geht es auch um einen Schluss zwischen Außenleiter und Neutralleiter ein FI-Schutzschalter hilft hier also wenig!

17 aber stimmt seine Berechnung noch beim Inselbetrieb? Beispiel: NYM 5 x 1,5 mm² Kurzschlussschutz: LS-Schalter, 16 A, Typ C (z. B. bei Motorantrieben) Nach Tabelle in der Norm: l max = 36 m Wird der Netzinnenwiderstand durch das Batteriespeichersystem nur um 1 erhöht: l max = ca. 5 m (ob das reicht???) Problemlösung: Das Batteriespeichersystem muss den Kurzschluss irgendwie bemerken und rechtzeitig abschalten.

18 Ebenso problematisch kann der Überlastschutz werden: Einzuhaltende Formel: I b I n I Z und I 2 1, 45 I Z Indirekte Aussage dieser Formeln: Kleine Überlastströme in einer Höhe bis 45 % über dem Nennstrom der Sicherung können eine Stunde (und länger) fließen! Wenn das Batteriespeichersystem bei Überlastströmen die Spannung nur geringfügig absenkt, wird dieses Problem noch verschärft!

19 2. Was ist zu tun? 2.1 Aufstellungsorte Die Feuchtigkeit im Raum sollte 80 % nicht übersteigen Kein Raum mit großen Temperaturschwankungen (ungedämmten Dachböden / ungeheizte Schuppen oder Garagen) Nicht in feuer- oder explosionsgefährdeten Bereichen Keine Räume mit hohem Staubanfall oder aggressiver Atmosphäre Vermeidung von direkter Sonneneinwirkung Raumtemperatur nicht unter +5 C und nicht (dauernd) über +25 C Herstellerangaben und die neue VDE-AR-E beachten!

20 2.2 Fachgerecht errichten Eine fachgerechte Errichtung wird im Speicherpass bescheinigt! Zusage: technischen Regeln und Herstellerangaben wurden beachtet Herausgegeben von: BSW Bundesverband Solarwirtschaft e.v. Zentralverband der Deutschen Elektro- und Informationstechnischen Handwerke (ZVEH) Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie e.v. DGS

21 Der Errichter müsste folgende Fragen beantworten: Wie wird in allen Schaltzuständen (auch im Inselbetrieb) in allen Stromkreisen gewährleistet, dass 1. der Schutz gegen elektrischen Schlag sicher funktioniert? 2. der Schutz bei Überstrom (Kurzschluss, Überlast) sicher funktioniert? Wie macht er da? - Eventuell durch detaillierte Berechnungen? (kaum vorstellbar) Anforderungen wird die zukünftigen VDE-AR-E aufzeigen! Eine mögliche Lösung kann sein, mit dem Hersteller festzulegen, wie diese Anforderungen eingehalten werden können Hier besteht Klärungsbedarf obwohl solche Anlagen bereits in Betrieb sind!

22 2.3 Prüfung / Wartung Privater Wohnungsbau Auch in Bezug auf die Prüfung nach der Errichtung spielt der Speicherpass eine herausragende Rolle! Was ist jedoch mit Wiederholungsprüfungen? Im privaten Bereich sind Prüfpflicht und Festlegung von Prüfzyklen nicht klar geregelt. Deshalb kann man nur hoffen, dass nichts passiert und dass es nicht irgendwann im Aufstellungsraum so aussieht wie hier

23 2.3 Prüfung / Wartung Gewerbliche, industrielle Gebäude BGV A3 / DGUV Vorschrift 3: Die Prüfung muss das Batteriespeichersystem einschließen Einzuhaltende Vorschriften / technische Regeln: a) Prüfnormen VDE und VDE b) Besondere Normen und technische Regeln: VDE-AR-N 4105 (Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz) VDE (Niederspannungsstromerzeugungseinrichtungen) VDE-AR-E (Ausgabedatum: Ende 2014???) Hinweis: Sowohl Errichter als auch Prüfer müssen hier geschult werden, damit diese neue Technologie mit dem gleichen Sicherheitslevel betrieben werden kann, wie wir es in Deutschland gewohnt sind.

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