Die Batterieexplosion in Arizona verändert die herkömmliche Meinung zum Thema Sicherheit

Es ist fast sechs Monate her, seit eine Explosion eine Netzbatterie in der Nähe von Phoenix zerstörte und das Verständnis der Branche über die Sicherheit der Technologie auf den Kopf stellte.

Der Flächenbrand von McMicken verletzte Ersthelfer und beeinträchtigte die Sicherheitsbilanz der US-amerikanischen Energiespeicherindustrie. Die Fähigkeit, Wind- und Solarstrom zu speichern, ist für das weitere Wachstum sauberer Energie von entscheidender Bedeutung, aber der Brand zeigte die Risiken der Batteriespeicherung auf, selbst wenn diese von sehr erfahrenen Fachleuten durchgeführt werden.

Der Utility Arizona Public Service hat weit vor den meisten seiner Konkurrenten stark in das Verständnis und den Betrieb von Batterien investiert. Fluence, das das McMicken-System im Jahr 2017 online stellte, trug zum Aufschwung der Branche bei und ist seit 2008 mit einer sauberen Sicherheitsbilanz tätig (zuvor als AES Energy Storage).

Unerfahrenheit spielte bei diesem Brand also keine Rolle. Es gab auch keine offensichtlichen technischen Störungen.

„Die Dinge funktionierten im Großen und Ganzen so, wie sie funktionieren sollten; wir hatten immer noch eine Veranstaltung“, sagte John Zahurancik, COO von Fluence, gegenüber GTM. „Also analysieren wir jetzt … die Kombination von Dingen, die dazu geführt haben.“

Neue Details kommen ans Licht, nachdem die Parteien eine mühsame Technik erfinden mussten, um die verbrannten Batteriezellen sicher aus den sie umgebenden, ansonsten funktionsfähigen Batterien zu entfernen. Das Wrack ist schließlich zur detaillierten Analyse in einem forensischen Labor in Michigan angekommen.

Aber die Untersuchung verändert bereits die Art und Weise, wie APS über die Lithium-Ionen-Technologie denkt. APS setzt sich weiterhin für einen massiven Ausbau der Lithium-Ionen-Batterieanlagen ein, um Arizonas billigen und reichlich vorhandenen Solarstrom zu speichern. Die Ergebnisse werden dort als Leitfaden für neue Sicherheitsrahmen dienen, aber auch das Wachstum der Branche im ganzen Land und auf der ganzen Welt beeinflussen.

Der Brand verzögerte bereits Batterieprojekte in Arizona und hat die Sicherheit in Verkaufsgesprächen mit anderen Versorgungsunternehmen ganz oben auf die Tagesordnung gesetzt. Der Einsatz von Speicheranlagen im US-Versorgungsmaßstab dürfte in diesem Jahr hinter den Erwartungen zurückbleiben, auch wenn andere Marktfaktoren es schwierig machen, die Auswirkungen des Brandes zu isolieren.

Man kann mit Sicherheit sagen, dass die erwartete Verdoppelung der Speicherinstallationen in den USA in jedem der nächsten zwei Jahre davon abhängen wird, ob die Branche nach dem Scheitern in Arizona entschlossene Schritte unternimmt, um das Vertrauen in die Batteriesicherheit zu festigen.

„Ich glaube nicht, dass es für irgendeinen von uns realistisch ist zu glauben, dass wir nie wieder einen Ausfall einer Lithium-Ionen-Batterie erleben werden“, sagte Scott Bordenkircher, Direktor für Technologieinnovation und Integration bei APS. Die Industrie müsse aber sicherstellen, dass solche Ereignisse nie wieder Menschen schaden, fügte er hinzu. „Das ist der Teil, den wir beseitigen müssen, das sekundäre Ereignis einer Explosion, bei der in unserem Fall die Feuerwehrleute verletzt wurden.“

Um diesen Standard zu erfüllen, muss sich die herkömmliche Batteriesicherheitstechnik ändern.

Die Parteien haben die Ursache des Feuers nicht bekannt gegeben, aber sie konnten schnell feststellen, wo es ausgebrochen ist: ein bestimmtes Gestell mit 14 Batteriemodulen. Die Überwachungssysteme stellten einen Spannungsabfall an diesen Modulen fest, gefolgt von einem Temperaturanstieg.

Die gute Nachricht war, dass sich das Feuer aufgrund des Systemdesigns oder eines anderen Faktors nicht von einem Regal zum nächsten ausbreitete, was den Brennstoffbedarf für das Feuer drastisch erhöht hätte.

Das Problem bestand für die Untersuchung darin, dass das verbrannte Gestell etwa auf halber Höhe des Containers stand und die umliegenden Gestelle einen Ladezustand von etwa 90 Prozent aufrechterhielten, sagte Bordenkircher. Anders ausgedrückt: 1,5 Megawattstunden gespeicherter Strom standen zwischen den Ermittlern und ihren wichtigsten Beweisen. Da die Anlage jedoch großer Hitze und hoher Explosionskraft ausgesetzt war, kam der Energieversorger zu dem Schluss, dass eine konventionelle Entladung zu riskant wäre.

„Mit der normalen Verkabelung und den normalen Schaltkreisen konnten wir kein Risiko eingehen“, sagte Bordenkircher. „Wir mussten die Situation sehr vorsichtig angehen und alle darin befindlichen Batteriemodule entladen, um die Teams zur forensischen Bergung zu bewegen.“

Das Team musste das Verfahren im Laufe der Zeit erfinden, da noch keine Netzbatterieanlage mit dieser besonderen Situation zuvor konfrontiert war.

„Es gab absolut kein Spielbuch“, bemerkte Bordenkircher.

Die Teams näherten sich jedem Rack, entfernten die Verkabelung, führten dann die Module aus dem Container, schlossen sie an eine Wärmebank an und entluden sie. Da während dieser Aktion die Monsunzeit ausbrach, errichtete APS ein riesiges Zelt, um das Gelände vor den Elementen zu schützen.

Nach etwa neunwöchiger Arbeit und dem Ausbau von 364 Modulen holte das Team das problematische Rack heraus, das „ziemlich vollständig zu einer Aluminiumsäule zusammengeschmolzen“ war, sagte Bordenkircher. Das Rack wurde zerlegt und an das forensische Labor in Michigan geschickt, wo es diese Woche einer Reihe von Tests unterzogen wurde.

Die McMicken-Katastrophe ereignete sich in zwei unterschiedlichen, aber miteinander verbundenen Ereignissen. Zunächst fing ein einzelnes Batteriegestell Feuer und brannte – ein Vorfall, den Batterieingenieure als thermisches Durchgehen bezeichnen. Zweitens erschütterte eine Explosion das Gehäuse, als Ersthelfer die Tür öffneten.

Während das forensische Labor nach Antworten auf die Frage sucht, was den Brand ausgelöst hat, hofft eine separate Untersuchungslinie herauszufinden, welche gasförmigen Materialien sich in der Anlage angesammelt und die Explosion angeheizt haben. Vorläufige Ergebnisse dieser Modellierungsübung könnten in den nächsten Wochen vorliegen, sagte Bordenkircher.

„Das Batteriemodul selbst ist nicht explodiert oder explodiert“, erklärte Bordenkircher. „Es war wirklich so, dass die Gase im Inneren des Behälters einen Punkt erreichten, an dem sie dann explodierten.“

Die öffentliche Diskussion über Batteriesicherheit konzentriert sich in der Regel auf die Brandgefahr, nämlich darauf, dass Lithium-Ionen-Zellen viel Energie auf engstem Raum packen und wenn ein elektrischer Kurzschluss oder ein anderer Fehler den normalen Stromfluss unterbricht, können ihre brennbaren Komponenten brennen und weiter brennen, bis der Brennstoff aufgebraucht ist.

Wie GTM nach den Bränden im April berichtete, haben brennende Batteriezellen eine gut dokumentierte, aber weniger allgemein anerkannte Eigenschaft: Sie setzen explosive Gase frei. Forscher des DNV GL, die die Batteriesicherheit für Interessengruppen in New York testeten, stießen wiederholt auf Explosionen, nachdem sie Lithium-Ionen-Batterien in einer geschlossenen Umgebung in Brand gesetzt hatten. Diese Erkenntnisse veranlassten die Stadt New York dazu, Belüftungssysteme zu fordern, um solche Gase aus Batteriegehäusen zu entfernen.

Der Rest des Landes folgte diesem Beispiel aus zwei Hauptgründen nicht.

Die Behörden von New York City schrieben Sicherheitsvorschriften für die Platzierung von Batterien in einer extrem dichten städtischen Umgebung. Tatsächlich hat die große Vorsicht dazu geführt, dass Batterieinstallationen dort äußerst selten und zeitaufwändig sind. Lagereinrichtungen in der Wüste oder auf Versorgungsgrundstücken, weit entfernt von Bevölkerungszentren, weisen ein anderes Risikoprofil auf.

Darüber hinaus wirkt die Belüftung den vorherrschenden Brandbekämpfungstechniken entgegen, bei denen ein begrenzter Raum mit Aerosolunterdrückungsmitteln geflutet wird, um Flammen zu ersticken. Das Öffnen einer Entlüftungsöffnung zur Freisetzung explosiver Gase könnte ein Feuer mit mehr Sauerstoff anheizen und es dem Feuer ermöglichen, aus der Eindämmungszone zu entweichen.

Gemäß der damaligen gängigen Branchenpraxis verzichtete McMicken auf die Entlüftung. Es war zwar mit einer Brandunterdrückung und den entsprechenden Sensoren ausgestattet, um es auszulösen, es fehlte ihm jedoch die Fähigkeit, die Bildung explosiver Gase gezielt zu erkennen.

„Dieses Ereignis war eindeutig ein Katalysator für ein besseres Verständnis möglicher Fehlerarten“, sagte Bordenkircher. „Auf jeden Fall wird dies im weiteren Verlauf zu Design- und Konstruktionsänderungen führen.“

Zu diesen Änderungen wird wahrscheinlich eine Form der Entlüftung gehören, aber der Trick besteht darin, ein System zu entwickeln, das Brände eindämmen und unterdrücken kann, bevor sie außer Kontrolle geraten, und explosive Gase, wenn sie entstehen, sicher beseitigen kann.

„Da müssen die Ingenieure ihre ganze Arbeit leisten und herausfinden, wie man alle Teile zusammenfügt“, sagte Bordenkircher.

APS verfügte über zwei weitere betriebsbereite Batteriesysteme von Fluence und ließ beide nach dem McMicken-Brand am Boden. Festival Ranch, ein Zwilling des McMicken-Werks, und die Punkin Center-Anlage befinden sich beide immer noch im Winterschlaf und sind vom Stromnetz getrennt.

Der Umzug der Festival Ranch war ohnehin geplant, sodass der Versorger sich nicht auf seine Leistung verlassen konnte. Das Punkin Center hingegen wurde entwickelt, um eine abgelegene Wüstengemeinde mit Spitzenstrom zu versorgen, anstatt eine teurere Modernisierung der Kabelinfrastruktur vorzunehmen. Seine Leistungsfähigkeit wurde während der Hochsaison im Sommer verfehlt, aber APS hatte mit möglichen Batterieausfällen gerechnet und einen Anschluss für einen Dieselgenerator vor Ort vorgesehen.

„Wir mussten keinem Kunden den Strom abschalten, aber wir mussten den Dieselgenerator teilweise laufen lassen“, sagte Bordenkircher.

Allein dieses Szenario sagt etwas über den Wert einer redundanten Planung aus, da Batteriespeicher wichtigere Aufgaben im Netzbetrieb übernehmen.

Fluence empfahl Kunden anderswo mit Batteriesystemen eines ähnlichen Jahrgangs in ähnlicher Weise, ihre Leistung in den frühen Nachwirkungen des Vorfalls im April zu drosseln, sagte Zahurancik. Seitdem hat Fluence diese betrieblichen Einschränkungen auf Grundlage der Untersuchung der Batteriekomponenten und der Systemintegration reduziert. Darüber hinaus wurden den Kunden Sicherheitsmitteilungen mit Ratschlägen zu zusätzlichen Vorsichtsmaßnahmen zugesandt.

Das Unternehmen habe seine Kontrollsysteme bereits aktualisiert, so dass nun eine breitere Palette von Warnzeichen eine Notabschaltung auslöse, bemerkte Zahurancik.

Große Batteriehersteller – McMicken verwendete Zellen von LG Chem – haben ihre Datenbank mit Warnzeichen ebenfalls erweitert, basierend auf Untersuchungen der zahlreichen Batteriebrände in Südkorea in den letzten Jahren.

Fluence hat externe Experten hinzugezogen, um alle seine Designs zu überprüfen. Bislang, so Zahurancik, habe die Analyse ergeben, dass die Entwürfe umsichtig waren, man prüfe jedoch Ergänzungen, um mehr Sicherheit zu gewährleisten.

APS plant weiterhin, bis 2025 850 Megawatt Energiespeicher zu installieren, eines der bislang ehrgeizigsten Ausbauziele eines Energieversorgers. Aber APS hat den ersten Vertragssatz pausiert, bis alle notwendigen Sicherheitsaktualisierungen von Anfang an festgelegt werden können. Dazu gehört auch ein bahnbrechender Vertrag mit Invenergy, der kurz vor der Unterzeichnung stand, als McMicken in Flammen aufging.

„Es ist wichtiger, voranzukommen … [sicher], als nach einem Zeitplan voranzukommen“, sagte Bordenkircher.

Weitere Einzelheiten dazu, wie der sicherere Weg in die Zukunft aussieht, sollten bis Ende des Jahres verfügbar sein.

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