Prozesssicherheit in der Batterieproduktion

In der Mehrzahl der aktuell eingesetzten Batteriespeicher sind LIB-Zellen verbaut. Risikobasierte Brandschutzkonzepte in der Herstellung schützen auch die Anwendungen vor den schwerwiegenden Folgen thermischen Durchgehens.
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Wirksamer Brandschutz benötigt eine Strategie, die dort ansetzt, wo die Ereignisketten beginnen: auf Prozess- und Maschinenebene. Der rein gebäudebezogene Blick auf den baulichen, anlagentechnischen und organisatorischen Brandschutz reicht hier nicht aus. Das liegt nicht nur an der Energiedichte und Chemie der Produkte, sondern vor allem an der Kombination aus brennbaren, empfindlichen Materialien, eng getakteten Prozessketten und der Tatsache, dass Fehler oft „latent“ entstehen und sich erst in späteren Fertigungs- oder Betriebsphasen kritisch ausprägen.

Die risikobasierte Brandschutzstrategie identifiziert die spezifischen Gefahrenpotenziale jedes einzelnen Prozessschrittes und begegnet ihnen mit geeigneten Maßnahmen.

Risikobasiert heißt dabei nicht, den Brandschutz „zu flexibilisieren“ oder gar zu reduzieren. Es bedeutet vielmehr, Brandschutzmaßnahmen so zu konzipieren, dass sie das konkrete Risikoprofil einer Anlage und eines einzelnen Prozesses wirksam adressieren. Grundlage ist eine systematische Betrachtung von Schadensausmaß, Eintrittswahrscheinlichkeit und der Beherrschbarkeit – insbesondere die Frage, ob und wie sich ein Ereignis räumlich oder funktional ausbreiten kann. Damit wird Brandschutz zu einem Konzept, das kritische Prozessschritte identifiziert und Schutzebenen dort verstärkt, wo das Risikopotenzial dies erfordert. In der LIB-Zellfertigung ist das entscheidend, weil Brandentstehung und -verlauf prozessabhängig sind und sich je nach Produktionsschritt deutlich unterscheiden. Prozessschritt Elektrolytbefüllung. Das Brandrisiko besteht hier hauptsächlich durch das entflammbare Elektrolyt.
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Brandschutz als ganzheitliche Strategie

Viele Regelwerke sind noch nicht vollständig auf die spezifischen Risiken in der Produktion, der Verarbeitung und im Betrieb von LIB angepasst. Das heißt, dass auf Prozess- und Maschinenebene weder die baurechtlichen Vorschriften noch nationale und internationale Regelwerke die spezifischen Brandrisiken in Verbindung mit LIB-Zellen hinreichend betrachten, beziehungsweise entsprechende Regelwerke überhaupt nicht existieren. Deshalb ist ein risikobasierter Ansatz zwingend erforderlich. Hersteller müssen sich mit den Risiken der verschiedenen Produktionsschritte befassen beziehungsweise ihnen durch gezielte Maßnahmen vorbeugen. Anwender und Betreiber müssen die spezifischen Risiken ebenfalls berücksichtigen, wenn sie LIB als Speichermedien in ihre BESS-Anlage integrieren wollen.

Herkömmliche Brandschutzkonzepte beziehen sich überwiegend auf das Gebäude und orientieren sich daher am Baurecht. In Deutschland sind hier vor allem die Musterbauordnung (MBO) mit ihren Landesbauordnungen, die Muster-Verwaltungsvorschrift, Technische Baubestimmungen (MVV TB) und Sonderbauvorschriften wie zum Beispiel die Muster-Industriebaurichtlinie relevant. Sie bilden die strukturelle Basis für bauliche, anlagentechnische und organisatorische Schutzmaßnahmen. Ihre Grenzen liegen jedoch dort, wo normative Vorgaben die spezifischen Risiken von Lithium-Ionen-Technologien nicht in der erforderlichen Schärfe und Tiefe abbilden, oder wo ein „Checklistenansatz“ zwar formale Sicherheit erzeugt, aber keine risikoorientierte Wirksamkeit im Betrieb garantiert.

Genau diese Lücke schließt die integrative, risikobasierte Brandschutzstrategie: Sie verknüpft Gebäude-, Prozess- und Maschinensicherheit zu einer konsistenten Strategie und verzahnt die Gebäude-, Maschinen- sowie Prozesssicherheit eng mit dem baulichen, anlagentechnischen und organisatorischen Brandschutz. Eine solche Risikoanalyse kann sich auf die EN ISO 19353:2019 (Sicherheit von Maschinen - Vorbeugender und abwehrender Brandschutz) und die DIN EN ISO 12100:2011 Sicherheit von Maschinen - Allgemeine Gestaltungsleitsätze - Risikobeurteilung und Risikominderung) stützen und das Zusammenspiel aus Schadensausmaß, Eintrittswahrscheinlichkeit und der Möglichkeit, ein Übergreifen (Propagation) zu vermeiden, berücksichtigen. Der Reifungsprozess schließt die Zellfertigung ab. Die Zellen lagern bis zu drei Wochen in Hochregallagern.
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Prozessschritte und Risikotypen

Die LIB-Zellproduktion lässt sich grob in die Bereiche Elektrodenfertigung, Zell-Assemblierung und Zell-Finishing gliedern – und in jedem Abschnitt dominieren andere Risikotreiber. In der Elektrodenfertigung stehen etwa leicht entzündliche Lösungsmittel, potenzielle Zündquellen (mechanische Reibung, heiße Oberflächen, Funken), elektrostatische Entladungen sowie Staub- und Partikelthemen im Fokus. Wirksame Maßnahmen betreffen hier vor allem die Prozessinfrastruktur: Absaugung und Lüftung müssen stabil wirksam sein, Filter- und Volumenstromzustände müssen überwacht werden, technische und organisatorische Kontrollen müssen Zündquellen minimieren und Lösch- und Detektionskonzepte sind konsequent umzusetzen.

In der Zell-Assemblierung verschieben sich die Risiken: Brennbare organische Elektrolyte und prozessbedingte Wärmeeinträge, etwa beim Schweißen oder Kontaktieren, prägen das Risikoprofil. Kritisch wird insbesondere die Elektrolytbefüllung, weil Leckagen oder Fehlbefüllungen in Kombination mit Zündquellen Brände auslösen können. Risikobasierte Strategien setzen hier auf robuste Dichtheits- und Leckageprüfkonzepte, definierte Prüf- und Wartungsintervalle und klare Betriebsanweisungen sowie Schulungskonzepte, um das Risiko menschlichen Fehlverhaltens in diesem kritischen Prozessschritt zu minimieren. Auch die Verfügbarkeit sicherheitskritischer Komponenten muss mittels einer präzisen Ersatzteil- und Wartungsplanung gesichert werden. 

Die höchsten Risiken liegen typischerweise im Zell-Finishing – insbesondere in der Formierung (Formation) und der Reifung (Aging). In dieser Phase werden Zellen erstmals geladen. Defekte aus vorhergehenden Prozessschritten können hier zu einem thermischen Durchgehen (thermal runaway) führen, verbunden mit Brand- und Explosionsgefahren sowie toxischen Rauchgasen. Besonders relevant ist die Propagationsneigung: Ein einzelnes Ereignis kann auf benachbarte Zellen und Produktionsbereiche übergreifen und damit aus einem lokalen Vorfall ein großflächiges Schadensereignis machen. Reifung (Aging) ist einer der besonders risikoreichen Prozessschritte. Maßnahmen in allen Bereichen des Brandschutzes sind nötig, um diesen Schritt abzusichern.
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Ein weiterer, oft unterschätzter Risikofaktor ist die Lagerung und Verpackung. Große Mengen geladener LIB-Zellen und brennbares Verpackungsmaterial erhöhen das Risiko erheblich. Eine risikobasierte Brandschutzstrategie behandelt Lagerbereiche daher als eigenständige Risikozonen, die räumlich, detektions- und löschtechnisch sauber von den übrigen Produktionsbereichen zu trennen sind, statt sie als „Nebenfläche“ im Gesamtkonzept mitzunehmen.

Genau hier zeigt sich, warum eine risikobasierte Brandschutzstrategie unverzichtbar ist: Sie richtet die Schutzmaßnahmen konsequent auf Früherkennung, räumliche Begrenzung, Propagationsvermeidung sowie Notfall- und Löschkonzepte aus und nutzt hierzu die kontinuierliche Überwachung verschiedener Parameter und Grenzwertüberschreitungen (z. B: Spannung, Temperatur und Ladestrom) der LIB-Zellen durch ein Batterie-Management-System (BMS). Ein passendes Lüftungs- und Kühlkonzept gehört ebenso zum Maßnahmenkatalog wie der bewusste Umgang mit Alterungs- und Verschmutzungsprozessen. Bauliche Barrieren und geeignete Detektions- beziehungsweise Löschanlagen werden gezielt installiert.

Sicher durch Risikoanalyse

Die risikobasierte Brandschutzstrategie geht individuell auf einzelne Prozessschritte ein und sieht geeignete Maßnahmen vor. Das reduziert die Gefahren für Personen, Anlagen und die Umwelt. Gleichzeitig entsteht betriebliche Resilienz: Asset-Ausfälle und Betriebsunterbrechungen lassen sich minimieren; Lieferfähigkeit und Investitionsschutz werden gestärkt, und Reputationsrisiken sinken. In einer Industrie, die sich rasant entwickelt und in der aktuell nicht jede Fragestellung durch Standardregelwerke vollständig beantwortet werden kann, ist eine risikobasierte Brandschutzstrategie daher weniger „Kür“ als Voraussetzung für einen wirtschaftlichen und zugleich robust sicheren Betrieb.