Batterien im Test
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05.11.2019 Fachinformation 475 0

Akkus für eine nachhaltige Welt

Die Akkutechnologie ist in den vergangenen Jahren zunehmend in den Fokus gerückt. Vom Handy über den Laptop bis hin zu Elektroautos und E-Scootern: Akkus sind ein Bestandteil zahlreicher Anwendungen in unserem Alltag. Umso wichtiger also, dass die Akkutechnologie auch sicher ist. Für diese Sicherheit arbeiten Normungsexperten national und international zusammen.

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Von Catherine Bischofberger

In der Arbeit des Technischen Komitees 21 spiegeln sich die Veränderungen in der Akkutechnologie der vergangenen 20 Jahre wider. Die Normung der Sicherheitsanforderungen wichtiger als jemals zuvor.

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Julia Migenda
Zuständiges Gremium

Akkus halten die Welt am Laufen

Akkus sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. So viele Dinge, die wir jeden Tag ganz selbstverständlich benutzen, vom Mobiltelefon bis zum Laptop, würden ohne sie nicht funktionieren. Doch trotz ihrer allgegenwärtigen Präsenz tritt die Akkutechnologie erst in den letzten Jahren verstärkt in den Blickpunkt des allgemeinen Interesses, da sie für den Antrieb von Elektrofahrzeugen verschiedenster Arten verwendet wird – von Elektroautos bis zu den E-Scootern, die regelmäßig Schlagzeilen machen. Für überzeugte Umweltschützer interessanter ist angesichts des Ausbaus der Schwankungen unterliegenden Erzeugung und Nutzung erneuerbarer Energien hingegen die Möglichkeit, mit Hilfe der Akkutechnologie Strom zu speichern.

Andererseits war die Berichterstattung über Akkutechnologie aufgrund der potenziellen Entzündlichkeit von Lithium-Ionen-Akkus auch nicht immer positiv: Im Jahr 2018 wurden aus Südkorea mehr als 23 Unfälle mit elektrischen Energiespeichern berichtet, bei denen Akkus Feuer gefangen hatten. Kurzschlüsse, Überladungen, Über-Entladungen, mechanische Beschädigungen und hohe Temperaturen können zu einem thermischen Durchgehen, zum Brand und zur Explosion von Akkus führen. Derzeit wird nach neuen Technologien gesucht, die die Sicherheit von Lithium-Ionen-Akkus verbessern sollen. Das College of Engineering der University of Illinois forscht gerade über Graphen, das Akkubränden den erforderlichen Sauerstoff entziehen könnte.


Elektroroller mit Fahrer
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Normen machen E-Scooter sicherer

E-Scooter halten immer mehr Einzug in neue Länder, Städte und somit auch in unseren Alltag.

Auf internationaler Ebene wurde das Expertengremium IEC/TC 125 gegründet, um die Entwicklung im Markt mit Normen zu begleiten und die öffentliche Sicherheit zu gewährleisten. National wird die Arbeit im Expertengremium DKE/K 354 gespiegelt.

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Arbeit der IEC von entscheidender Bedeutung

Die internationalen Normen und Konformitätsbewertungssysteme der IEC sind daher für die Festlegung und Prüfung der Sicherheitsspezifikationen und Leistungsanforderungen für Akkus wichtiger als jemals zuvor – unabhängig davon, ob es sich um Blei-, Nickel-Cadmium (NiCd) oder eben Lithium-Ionen-Akkus handelt.

Mehrere TCs der IEC bereiten Normen für Batteriezellen und Akkus vor. Eines davon ist IEC/TC 21 (Spiegelgremium: DKE/K 371) unter dem Vorsitz von Herbert Giess. „Das IEC/TC 21 befasst sich innerhalb der IEC primär mit der Normungsarbeit zum Thema „Akkumulatoren“. Es wurde 1933 gegründet. Im Jahr 1965 wurde entschieden, die Arbeit des Technischen Komitees in zwei verschiedene Bereiche aufzuspalten, die sich mit unterschiedlichen Akkumulatortechnologien beschäftigen. Dem Unterkomitee 21A wurde die Aufgabe übertragen, Normen für Akkus mit alkalischem Elektrolyt wie NiCd- oder Nickel-Metallhydrid-Akkus vorzubereiten, und das TC 21 wurde gebeten, den Schwerpunkt auf Akkus mit Säure-Elektrolyt, also Bleisäure, zu legen. Beide teilen sich jetzt die Arbeit an Lithium-Ionen-Akkus, die in den letzten Jahren aufgekommen sind“, erläutert Giess.

Während das IEC/TC 21 und das SC 21A Normen für Batteriezellen und Akkus erstellen, die in verschiedenen ortsfesten und portablen Anwendungen zum Einsatz kommen, wurde das IEC/TC 120 (Spiegelgremium: DKE/K 261) aus dem Grund eingerichtet, Spezifikationen für deren Integration in elektrische Energiespeichersysteme zu veröffentlichen. „Die Normen der TC 120 befassen sich mit der Verschaltung von Akkus mit den großen Energiespeichersystemen und deren sicheren Integration in Stromnetze“, so Giess.

Das IEC-System von Konformitätsbewertungsprogrammen für elektrotechnische Geräte und Komponenten (IEC System of Conformity Assessment Schemes for Electrotechnical Equipment and Components – IECEE) ist eines der vier Konformitätsbewertungsprogramme, die von der IEC unterhalten werden. Es beinhaltet ein Programm, das auf die Sicherheit, die leistungsbezogene Interoperabilität der Komponenten, den energetischen Wirkungsgrad, die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), gefährliche Stoffe usw. von Akkus, Ladegeräten und Ladestationen prüft.


Batterie Energiespeicher
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Expertengremium DKE/K 371 Akkumulatoren

Aufgabenbereich des DKE/K 371 ist die Erarbeitung von Normen für die Sicherheitsanforderungen von wieder aufladbaren (sekundären) Batterien, Batteriezellen und Batteriesystemen beteiligt.

Zudem ist das Komitee für Produktnormen aller Anwendungsbereiche zuständig, wie beispielsweise stationäre Speicher, Starterbatterien, Traktionsbatterien, Flugzeugbatterien, aber auch für Batterien in Elektrostraßenfahrzeugen, Pedelecs und portablen Anwendungen.

Zum Expertengremium DKE/K 371

Normen für Elektrofahrzeuge

Li-Ion Elektrofahrzeug Batteriekonzept. Autosymbol mit EV-Batterien auf hölzernem Schreibtisch mit 3D-Rendering.
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Einer Prognose der Internationalen Energieagentur zufolge wird die Zahl der Elektrofahrzeuge auf den Straßen weltweit bis 2030 von 3 Millionen auf 125 Millionen steigen. Im Jahr 2018 veröffentlichte das IEC/TC 21 mehrere wichtige Dokumente, darunter eine zweite Ausgabe von IEC 62660-2 als Teil der Normenreihe IEC 62660 über Lithium-Ionen-Sekundärzellen für den Antrieb von Elektrofahrzeugen. Herbert Giess erläutert: „IEC 62660 gliedert sich in drei Teile: Teil 1 befasst sich mit der Prüfung des Leistungsverhaltens, Teil 2 mit Zuverlässigkeitsprüfungen und Teil 3 mit Sicherheitsanforderungen."

Der Zweck von IEC 62660-2 besteht darin, eine grundlegende Methodik für die Zuverlässigkeits- und Missbrauchsprüfung für Lithium-Ionen-Zellen bereitzustellen, die für einen vielfältigen Bereich von Batteriepaketen und Systemen für den Automobilbereich eingesetzt werden kann. Sie ist als Redline-Version verfügbar, in der die Änderungen gegenüber der vorherigen Ausgabe hervorgehoben sind. Die neue Ausgabe spezifiziert z. B. eine thermische Stabilisierungsprüfung, die in der vorherigen Ausgabe noch nicht enthalten war.

Das IEC/TC 21 veröffentlicht eine große Zahl von Spezifikationen für Bleisäure-Akkus. Obwohl diese Technologie immer noch vorherrscht, weil sie derzeit noch billiger und sicherer ist als die Lithium-Ionen-Technologie, stehen Bleisäure-Akkus in einer Reihe von Anwendungsgebieten vor der Ablösung. „Blei hat einen schlechten Ruf. Schauen Sie sich nur die Berichterstattung über den Brand von Notre Dame in Paris und die dadurch entstandene Bleioxidstaub-Belastung an. Was die Menschen häufig nicht wissen: Blei-Akkus sind sogar zu 98 Prozent recyclebar. Sie werden sowohl in den USA als auch in Europa im Rahmen sicher beherrschter Verfahren wiederverwertet. Das Blei kann immer wieder verwendet werden, ohne seine Eigenschaften zu verlieren“, gibt Giess zu bedenken.

Gewicht ist ebenfalls ein wichtiges Thema: Lithium-Ionen-Akkus wiegen bedeutend weniger als Blei-Akkus. Das geringe Gewicht der Lithium-Ionen-Akkus ist insbesondere angesichts der bereitgestellten Leistung bemerkenswert. Gegenüber gleich schweren Blei-Akkus weisen Lithium-Ionen-Akkus eine wesentliche größere Energiedichte (Energiespeicherkapazität) auf. Die meisten Berichte sprechen von einer 3,5-fach höheren Energiedichte bei Lithium-Ionen-Akkus im Vergleich zu Blei-Akkus.


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Modelle für die Kreislaufwirtschaft

Kreislaufwirtschaft

Kreislaufwirtschaft

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Lithium-Ionen-Akkus können ebenfalls recycelt werden, jedoch ist dieser Prozess nach wie vor sehr teuer und die Materialrückgewinnungsrate liegt selten höher als 20 Prozent. Bei den Rohstoffen, die in Lithium-Ionen-Akkus verwendet werden, handelt es sich im Allgemeinen um Nickel, Kobalt, Mangan und Lithium, deren Beschaffung teuer ist. Einige dieser Rohstoffe sind knappe Güter und werden in schwer zugänglichen und politisch instabilen Teilen der Welt abgebaut.

Die Forschung macht allerdings rasche Fortschritte, und einigen Labors ist es sogar bereits gelungen, Rückgewinnungsraten von 80 Prozent zu erzielen. Außerdem arbeiten Wissenschaftler daran, Lithium-Luft-Akkumulatoren als Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus zu entwickeln.

Eine weiterer und ebenfalls zukunftsweisender Ansatz besteht darin, diese Akkus einer Weiternutzung in neuen Anwendungen zuzuführen. Je nach chemischer Zusammensetzung, Größe, Konfiguration und Anwendungsart können Lithium-Ionen-Akkus Berichten zufolge eine Lebensdauer von 500 bis zu über 10.000 Lade-Entlade-Zyklen haben. Das bedeutet, dass ein Akku, der täglich im Elektrowerkzeug eines Handwerkerbetriebs im Einsatz ist, bereits nach ein paar Monaten das Ende seiner Lebensdauer erreichen kann, während der Akku in einer Energiespeicheranwendung länger als 15 Jahre hält.

Lithium-Ionen-Akkus, die in einem Anwendungsbereich genutzt wurden, können auf ihre Eignung für den Einsatz in anderen, weniger anspruchsvollen, Bereichen geprüft werden. Eine mögliche Nachnutzung für Akkus wäre der Einsatz als Komponente für flexible Ladestationen. Dabei handelt es sich um Schnelladestationen, die autonom bei Großveranstaltungen wie Festivals oder sportlichen Wettkämpfen betrieben werden können.

Akkus aus Elektrofahrzeugen könnten in vielen Bereichen der Wiederverwendung zugeführt werden – von der Notstromversorgung für Rechenzentren bis zu Energiespeichersystemen. In Europa haben mehrere Fahrzeughersteller, die als Unternehmen Pionierarbeit im Elektrofahrzeugmarkt leisten, Akkus vor allem in verschiedenen Arten von Energiespeichersystemen installiert, von kleinen Heimgeräten bis hin zu größeren Containerlösungen für Versorgungsnetze.


Grüne Kreislaufwirtschaft Konzept
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Wie kann die IEC die Kreislaufwirtschaft gestalten?

Wir leben aktuell noch in einer Wegwerfgesellschaft. Aber die Chancen auf eine Veränderung hin zum Positiven stehen gut. Nachhaltig zu leben und an die Zukunft der nächsten Generationen zu denken, gewinnt wieder mehr an Bedeutung.

Ein großes Thema im Kontext der Veränderung ist die Kreislaufwirtschaft. International beschäftigt sich IEC/TC 111 mit Umweltschutz und Nachhaltigkeit bei Produkten in der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik.

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Normen für die Speicherung erneuerbarer Energien

Solarpanel, Windkraftanlagen und Li-Ionen-Batteriebehälter
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IEC/TC 21 hat zwei grundlegende Normen über Systeme zur Speicherung erneuerbarer Energien herausgegeben.

Die erste Norm, IEC 61427-1, legt allgemeine Anforderungen und Prüfverfahren für netzunabhängige Anwendungen und mit PV-Modulen erzeugte Elektrizität fest. Die zweite Norm, IEC 61427-2, enthält entsprechende Anforderungen und Methoden für netzgekoppelte Anwendungen, die mit Energie aus großen Wind- und Solarenergieparks gespeist werden.

„Der Schwerpunkt der Normen liegt auf der ordnungsgemäßen Charakterisierung der Akkuleistung, unabhängig davon, ob diese für den Betrieb eines Kühlschranks zur Lagerung von Impfstoffen in tropischen Ländern oder zur Verhinderung von landesweiten Ausfällen des Stromnetzes genutzt wird. Da sich diese Normen größtenteils nicht auf eine bestimmte chemische Zusammensetzung beziehen und somit sowohl auf Blei- als auch auf Lithium-Ionen-Akkus anwendbar sind, ermöglichen sie es Versorgungsnetzplanern ebenso wie Endkunden, direkte Vergleiche anzustellen, auch wenn die Akkuchemie hierbei unterschiedlich ist“, beschreibt Giess.

Außerdem bereitet das Technische Komitee Normen für Flussbatterien vor: Eine typische Flussbatterie besteht aus zwei Tanks mit elektrochemisch aktiven Flüssigkeiten, die an zwei Elektroden entgegengesetzter Polarität vorbeigepumpt werden, die durch eine Membran getrennt sind. „Flussbatterien bieten eine interessante Technologie zur Speicherung sehr großer Energiemengen, da die Speichertanks beliebig groß sein können“, so Giess.

Zukunft für Autos

Mit Blick auf die Zukunft mag es überraschen, dass Herbert Giess Brennstoffzellen bei Fahrzeuganwendungen den Vorzug gibt. „Mehrere Fahrzeughersteller sind in dieser Richtung aktiv. Wir vergessen oft, dass diese Technologie schon vor vielen Jahren verwendet wurde, um Apollo 11 auf den Mond zu bringen! Davon abgesehen bietet diese Technologie aus Sicht des Umweltschutzes viel Potenzial, da Fahrzeuge, die mit Brennstoffzellen angetrieben werden, keine gefährlichen Emissionen, sondern nur Wasserdampf ausstoßen und sich keine Probleme durch das Akkurecycling ergeben. Von allen Technologien für den Fahrzeugantrieb ist die Brennstoffzelle daher mein persönlicher Favorit.“

Kompendium Li-Ionen-Batterien

IKT für Elektromobilität
Veröffentlichungsdatum 15.07.2015
PDF: 1,2 MB

Internationale Zusammenarbeit in der elektrotechnischen Normung