Ob im Elektroauto, der Pharmaindustrie, dem Handwerk oder in der Luft- und Raumfahrt. Lithium ist ein chemisches Element, welches in einigen Medikamenten und Heilmitteln verwendet, bereits in der Antike genutzt wurde, um Kranke zu behandeln. Damals wurde das Leichtmetall allerdings noch nicht als eigenständiges Element erkannt. Heute geht die Nutzung des Elements weit über die in der Medizin hinaus. So ist Lithium der Hauptbestandteil in den meisten Batterien und Akkus, wie sie etwa in Elektroautos, Handys oder Laptops vorkommen und dient somit der Energiespeicherung. Die Kritik, die damit einhergeht, vor allem seitdem Elektroautos als klimarettende Zukunft verkauft werden, ist groß. Denn abgesehen von der höchst fraglichen Gewinnung scheint durch die hohe Reaktionsfreudigkeit von Lithium-Batterien auch eine enorme Brandgefahr auszugehen, die vor allem in heißen Sommertagen, wie wir sie zuletzt erleben, ein ernst zu nehmendes Risiko darstellen.
Lithium-Batterien als tickende Zeitbombe?
„Das Bestreben, auf kleinem Raum möglichst viel Energie zu speichern, ist nichts anderes als der Bau einer Bombe.“
Quelle: eike-klima-energie.eu
Die hohe Energiedichte in Lithium-Ionen-Akkus stellt vor allem im Zusammenhang mit der Verwendung in Lithium-Batterien und Akkus eine Gefahr dar. Denn die hohe Energiedichte ermöglicht es, eine große Menge elektrischer Energie in einem vergleichsweise kleinen und leichten Format zu speichern. Und genau diese Eigenschaft macht Lithium-Ionen-Batterien auch zu einer so attraktiven Wahl für tragbare elektronische Geräte, Elektrofahrzeuge oder Energiespeichersysteme. Allerdings bringen die kleinen Kraftpakete spezifische Risiken von Lithium-Batterien in Verbindung mit Elektroautos mit sich.
Megatrend Wasserstoff! Die hohe Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien birgt allerdings Risiken, die ernsthafte Bedenken hinsichtlich der Batteriesicherheit aufwerfen.Eine der Hauptgefahren besteht etwa in thermischen Reaktionen und Bränden. Wenn eine Lithium-Ionen-Batterie beschädigt wird, kann dies zu einem Kurzschluss innerhalb der Batterie führen, was wiederum zur schnellen Freisetzung von Energie in Form von Wärme führt. Diese erhöhte Wärme kann die umgebenden Materialien entzünden und zu einem Brand führen, der nur sehr schwer zu kontrollieren ist. Diese Art von Bränden sind bekannt für ihre enorme Hitzentwicklung und die Freisetzung von giftigen Gasen.
Ein weiteres Risiko besteht darin, dass bei unsachgemäßer Handhabung oder unsachgemäßer Lagerung von Lithium-Batterien eine thermische Reaktion ausgelöst wird. Beispielsweise können Beschädigungen durch unsachgemäße Lagerung oder den Einsatz ungeeigneter Ladegeräte zu Überhitzung und darauffolgend zu einem Brandausbruch führen.
Wenn die Feuerwehr nicht weiß, was sie tun soll, haben wir ein Problem…
Bei der Diskussion um Brandgefahr bei Batterien darf ein Vorfall nicht unerwähnt bleiben:
Am 7. Januar 2013 brach an einem am Boden stehenden Dreamliner der Fluggesellschaft Japan Airlines in Boston ein Feuer aus. Ermittler hatten festgestellt, dass der Brand auf ein Problem mit einer neuen Lithium-Batterie zurückzuführen war, welche Teil des elektrischen Systems des Flugzeugs war. Der Vorfall führte zur Evakuierung der Passagiere und löste eine umfassende Untersuchung durch die amerikanischen Behörden, insbesondere die National Transportation Safety Board (NTSB), aus.
Die Untersuchungen ergaben, dass es innerhalb der Batterie zu einem Kurzschluss kam, der zu einer rapiden Freisetzung von Energie führte. Aufgrund dessen entstand eine thermische Reaktion, welche das Feuer auslöste. In der Folge wurden Fragen zur Sicherheit und Zuverlässigkeit von Lithium-Ionen-Batterien in der Luftfahrt und anderen Anwendungen aufgeworfen. Vor allem auch deswegen, weil die Feuerwehr speziell in diesem Fall extrem überfordert war.
Aufgrund der neuartigen Batterietechnologie und der Art des Feuers stellte der Vorfall eine besondere Herausforderung für die Feuerwehrleute dar. So hatte die Feuerwehr offenbar Probleme damit, das Feuer effektiv zu löschen und unter Kontrolle zu bringen, weil die Lithium-Ionen-Batterien während des Brandes in dem Flugzeug giftige Gase freisetzten. Das Feuer konnte sich außerdem aufgrund der hohen Energiedichte und der Schwierigkeiten, die Batterien abzukühlen, schnell ausbreiten. Es dauerte also mehrere Stunden, bis das Feuer vollständig gelöscht war.
Angesichts der potenziellen Gefahren, die von Lithium-Batterien ausgehen, sind effektive Lithium-Batterie Brandschutzmaßnahmen von entscheidender Bedeutung. Dazu gehören sowohl technische Lösungen innerhalb der Batteriesysteme als auch Notfallprotokolle und Schulungen für den Umgang mit diesen Energieträgern. Von verbesserten Überwachungssystemen in den Batterien selbst bis hin zu speziell ausgebildeten Notfallteams ist ein umfassender Ansatz erforderlich, um sowohl in Elektrofahrzeugen als auch in anderen Anwendungen, in denen Lithium-Batterien verwendet werden, die Sicherheit zu gewährleisten.
Auf die Größe kommt es an
Boeing selbst hatte das Risiko für eine „Runaway“-Reaktion damals auf einen Fall in zehn Millionen Flugstunden kalkuliert. Tatsächlich war es aber so, dass es bereits innerhalb der ersten 50.000 Stunden, also in 0,5 % dieser Zeit, zwei solcher Zwischenfälle gab. Damals führte dieser Umstand dann zum Flugverbot für die 49 bereits ausgelieferten Maschinen und zum Stopp weiterer Auslieferungen.
Gegenüber den herkömmlichen Nickel-Cadmium-Batterien brachten Lithium-Batterien eine Gewichtsersparnis von rund 100 kg. Da hatte Boeing offenbar an der falschen Stelle gespart. Denn die Batterien in Flugzeugen haben im Vergleich eine erstaunlich geringe Kapazität. Diese ist etwa vergleichbar mit einem größeren PKW-Akku. Eine davon ist im Cockpit für die Instrumente zuständig, die andere im Heck zum Anlassen des „Hilfsmotors“, genannt APU. Dieser bringt dann seinerseits die riesigen Triebwerke in Schwung.
Warum das Ganze eine Rolle spielt?
Gerade jetzt wird das Thema mit der Stromspeicherung immer aktueller. Und wenn es um die Stromspeicherung für Länder, Städte oder auch nur einzelne Häuser geht, haben wir es mit anderen Dimensionen, als der eines Flugzeugs zu tun.
Ein Beispiel: In Peking wurde im Mai 2019 eine solche Anlage zur Stromspeicherung in Betrieb genommen. So wurde ein gewerbliches Gebäude mit 1,4 Megawatt Photovoltaik auf dem Dach, mit Li-Batterien von 25 MWh Kapazität ausgerüstet. Dies entspricht etwa 500 Tesla Batterien. Die Hälfte des gewonnenen Stroms wird verwendet, um ca. hundert Ladestationen für E-Autos zu versorgen, während der Rest der Versorgung des Gebäudes dient.
Power to Change – Die EnergieRebellion Sollte man in Deutschland endlich zu dem Schluss kommen, dass man unseren Strom nicht im Netz speichern kann, was ja offenbar bereits berechnet wurde, könnte eine Technik, wie es sie in Peking gibt, auch für unser Land interessant werden.
Was bedeutet das für uns?
Deutschland bräuchte ca. 50.000 der beschriebenen Anlagen, um den Strombedarf für einen Tag decken zu können. Das Ausmaß des Risikos einer „Runaway“-Reaktion wäre also enorm. Unfälle mit Windgeneratoren lassen sich noch relativ gut vertuschen. Lithiumbrände allerdings wären viel zentraler und so spektakulär, dass es sich kaum vermeiden ließe, dass die Bevölkerung davon spitz bekommt.
„Ich möchte mir nicht ausmalen, welche Folgen so eine Explosion in einem Wohnhaus hätte“
sagt Andreas Gutsch, der ein paar explosive Batterietests mit seinem Kollegen Olaf Wollersheim initiiert hat. Genau dieses Szenario stehe uns allerdings bevor.
Es ist vorhersehbar, dass Einfamilienhäuser abbrennen werden“
„Auch wenn unsere Befunde wegen der geringen Zahl von getesteten Systemen nicht generalisierbar sind, würde ich mir gegenwärtig nur sehr genau gewählte Batterien ins Haus holen“,
So Wollersheim. Bei seinem Test hatten sich giftige Dämpfe aus einer überladenen Batterie wie Nebelschwaden über den Boden gelegt. „In so einem Szenario schlagen nicht einmal die Rauchmelder an“, gibt er zu bedenken. Gutsch und Wollersheim leiten am KIT das Projekt „Competence E“, das sich mobilen und stationären Energiespeichern widmet.
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Gibt es Alternativen zu Lithium-Batterien?
Die Suche nach alternativen Batterietechnologien zu Lithium gewinnt an Bedeutung.
- Natrium-Ionen-Batterien: Natrium-Ionen-Batterien und Feststoffbatterien stehen als potenzielle Kandidaten bereit, um die Umweltauswirkungen von Lithium-Batterien zu verringern. Gleichzeitig bieten sie möglicherweise eine höhere Sicherheit und Langlebigkeit.
- Feststoffbatterien: Bei traditionellen Lithium-Ionen-Batterien befindet sich die Elektrolytflüssigkeit zwischen den Elektroden. In Feststoffbatterien wird dieses flüssige Elektrolyt durch einen festen Elektrolyten ersetzt. Dadurch bieten Feststoffbatterien eine höhere Energiedichte, verbesserte Sicherheit und eine längere Lebensdauer.
- Lithium-Schwefel-Batterien: Lithium-Schwefel-Batterien haben das Potenzial, eine höhere Energiedichte zu erreichen als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Das wiederum könnte zu leistungsfähigeren Batterien führen, was etwa in Elektrofahrzeugen einen großen Vorteil darstellt.
- Aluminium-Ionen-Batterien: Aluminium ist ebenso ein weitverbreitetes Element. Aluminium-Ionen-Batterien haben das Potenzial, eine höhere Energiedichte zu schaffen und könnten in Zukunft wiederaufladbare Batterien mit geringeren Kosten ermöglichen.
- Wasserstoff-Brennstoffzellen: Wasserstoff-Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische Energie um und erzeugen dabei nur Wasser als Nebenprodukt. Obwohl sie nicht direkt als “Batterien” bezeichnet werden, sind sie eine interessante Alternative für spezifische Anwendungen, insbesondere im Transportsektor.
- Lithium-Luft-Batterien: Lithium-Luft-Batterien nutzen den Sauerstoff aus der Luft, um Lithiumoxid zu erzeugen und dabei elektrische Energie zu erzeugen. Diese Technologie hat ebenfalls das Potenzial für eine hohe Energiedichte, steht allerdings noch vor zahlreichen technischen Herausforderungen.
- Kalzium-Batterien: Erst kürzlich haben Forscher bei ihrer Arbeit mit Kalzium-Batterien einen Durchbruch erreicht (siehe Quellenangabe [3]). Da Kalzium reichlich vorhanden ist und in der Natur weitverbreitet, könnte die Verwendung von Kalzium-Batterien die Abhängigkeit von selteneren und umwelt intensiveren Materialien reduzieren, die für Lithium-Batterien benötigt werden.
Das Bewusstsein für Lithium-Batterie Brandschutzmaßnahmen und die Entwicklung von sichereren Alternativen ist entscheidend für die Zukunft der Energiespeicherung. Während Lithium-Ionen-Akkus weiterhin eine zentrale Rolle in der modernen Technologie spielen, ist es unerlässlich, die Risiken zu minimieren und nachhaltigere Lösungen zu erforschen.Einige dieser Alternativen befinden sich zwar noch in der Entwicklung, allerdings haben sowohl Forscher als auch Technologieunternehmen große Hoffnung darin, dass Lithium-Batterien in Zukunft effektiv ersetzt werden könnten und die Energiespeichertechnologie somit revolutioniert wird.
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