Welche Arten von Stromspeichern gibt es?

Strom aus der Photovoltaikanlage auch dann nutzen, wenn die Sonne nicht scheint: Mit einem Stromspeicher wird das möglich. Allerdings gibt es viele verschiedene Arten von Stromspeichern. Für die Photovoltaik sind insbesondere Lithium-Ionen-Speicher interessant.
Inhaltsverzeichnis
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    Stromspeicher – Anwendung für wachsende Aufgaben

    Strom lässt sich auf verschiedenen Arten speichern. Im großen Maßstab geschieht dies zum Beispiel in Pumpspeicherwerken oder durch die Nutzung von Solarstrom zur Elektrolyse von Wasser (power to gas). Der entstehende Wasserstoff kann zu Methan umgewandelt und verbrannt oder in einer Brennstoffzelle wieder in Wasser umgesetzt werden.

    Eine zentrale Rolle kommt der Speicherung des Stroms in Form von chemischer Energie zu. Die dafür konstruierten Batteriespeicher oder Akkumulatoren (kurz „Akkus“) werden in nahezu allen Lebensbereichen verwendet. Die kleinen Batterien für Fernbedienung oder zum Betrieb einer Digitaluhr sind seit langem bekannt.

    Gerade im Rahmen der Digitalisierung wächst der Bedarf an den Akkus ständig. Kein mobiles Gerät, ob Laptop oder Smartphone, kommt ohne aus. Auch die zunehmende Ablösung von Autos mit Verbrennungsmotor durch Elektroautos sorgt für eine steigende Nachfrage nach Batteriespeichern, ebenso wie das Bedürfnis, überschüssigen PV-Strom zu speichern.

    Doch das ist längst noch nicht alles: Die Energiewende macht eine Umstellung auf regenerative Energieträger wie Wind, Wasser und Sonne notwendig. Darüber hinaus wird der Bedarf an sauberem Strom weiter steigen, denn im Rahmen der sogenannten Sektorenkopplung werden auch Wärmeerzeugung und Mobilität auf Strom umgestellt.

    Der immer größere Anteil regenerativer Energien führt wiederum zu neuen Herausforderungen. Da insbesondere Windkraft und Sonnenenergie volatil sind, d.h. im Angebot stark schwankend, werden Speicherlösungen mit enormen Kapazitäten benötigt, um das Netz zu stabilisieren. Auch hierfür sind neben anderen technischen Lösungen Batteriespeicher im Einsatz.

    Der kleine Exkurs zeigt, dass es bereits ein großes Spektrum an Batteriespeichern gibt, das sich zudem ständig verbreitert. Noch nie wurde so intensiv an der Technik geforscht wie im Moment, denn den Stromspeichern kommt eine zentrale Rolle bei der Energiewende zu. In naher Zukunft sind daher zahlreiche Neuentwicklungen nicht nur in Form besserer Batterien zu erwarten.

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    Kapazitäten, Energiedichte, Entladeleistung

    Aufgrund der unterschiedlichen Aufgaben unterscheiden sich die zahlreichen Stromspeicher deutlich voneinander. Das abrufbare Potential eines Batteriespeichers wird als Kapazität bezeichnet. Leicht verständlich ist, dass die Stromspeicher von Smartphone und Laptop eine viel geringere Kapazität benötigen als z.B. die Batterie eines Elektroautos. Während beim Laptop Batterien nur der Display und ein Prozessor mit Energie versorgen müssen, soll die Autobatterie ein Gefährt auf 100 km/h und mehr beschleunigen, das mehrere Hundert Kilogramm wiegt.

    Kapazitätsangaben in Ah oder Wh?
    Die Speicherkapazität eines Smartphones liegt zwischen 4.000 und 6.000 mAh, für ein E-Auto zwischen 30 und 100 kWh. Schon die Verwendung unterschiedlichen Einheiten macht eines deutlich: Ein Vergleich der Stromspeicher ist nicht so einfach.

    Angaben in Amperestunde (Ah) oder Milli-Amperestunden (mAh), wie sie häufig für kleinere Speicher verwendet werden, beziehen sich auf die sogenannte Nennkapazität. Die Ladekapazität in Wattstunden (Wh) wird ermittelt, indem die Nennkapazität mit der Klemmspannung des Akkus multipliziert wird. Bei einer Autobatterie mit 12 V entspricht 1 Amperestunde einer Kapazität von 12 Wh, also 12 Watt, die eine Stunde lang abgerufen werden können. Bei einem Smartphone mit 4 Volt sind es nur 4 Wh. Das Problem dabei: Die Klemmspannung von Speichern ist über die Betriebszeit nicht konstant. Bricht die Spannung ein oder nimmt stark ab, kann der Akku seine Funktion nicht mehr erfüllen. Sie sollten also darauf achten, dass die (Lade)Kapazität Ihres Speichers in Wh oder kWh angegeben wird, denn nur dieser Wert ist wirklich aussagefähig.

    Einen weiteren essentiellen Unterschied bei Stromspeichern gibt es hinsichtlich der Energiedichte. Diese Größe beschreibt, wie viel Energie in welchem Raum bzw. bei welchem Gewicht gespeichert werden kann. Mobile Anwendungen (ob Auto oder Smartphone) benötigen Stromspeicher, die auf vergleichsweise wenig Raum und mit wenig Gewicht viel Energie zur Verfügung stellen können. Stationäre Speicher, wie für die Photovoltaik üblich, können auch größer und schwerer sein.

    Wichtig für die Auswahl der passenden Speicherart ist auch die maximale Entladeleistung. Großverbraucher wie Waschmaschinen benötigen kurzzeitig viel Energie und erzeugen dadurch sogenannte Lastspitzen, die der Speicher liefern muss.

    Batteriespeicher für Photovoltaikanlagen – die wichtigsten Typen

    Im Bereich der Heimspeicher, das heißt bei Photovoltaik-Stromspeichern für den privaten Gebrauch, haben Sie meist die Wahl zwischen Blei-Säure-, Blei-Gel- oder Lithium-Ionen-Akkus. Da es sich um stationäre Anwendungen handelt, sind Raumbedarf und Gewicht hier nicht ganz so entscheidend. Trotzdem beherrschen inzwischen die leichteren Lithium-Ionen-Stromspeicher den Markt. Dafür gibt es verschiedene Gründe, die später erläutert werden sollen.

    Stromspeicher auf Blei-Basis

    Blei-Säure-Stromspeicher für Photovoltaikanlagen kann man sich als große Autobatterien vorstellen. Zwischen zwei Bleielektroden fungiert Schwefelsäure als Elektrolyt. Beim Entladevorgang entsteht Bleisulfat, das sich beim Aufladen nicht vollständig wieder auflöst. Im Laufe der Zeit schwächen diese Rückstände die Leistung und verkürzen die Nutzungsdauer des Speichers. Um diese Rückstandsbildung zu reduzieren, muss der Ladevorgang verlangsamt werden. Diese sogenannte Sulfatisierung lässt sich auch verhindern, indem die Schwefelsäure mit einem Kieselsäuregel gebunden (Blei-Gel-Akku), mit einem Vlies inhibiert (AGM-Akkus) oder die Kathode durch Kohlenstoff geschützt wird (Blei-Carbon-Batterie).

    Nachteil der Gel-Batterien ist der höhere Innenwiderstand, der den maximalen Entladestrom verringert. Ein Vorteil gegenüber herkömmlichen Blei-Akkus ist die höhere Sicherheit – die Schwefelsäure kann nicht auslaufen. Beim Gel-Akku entstehen im Vergleich geringere Mengen von Gasen, die über ein Ventil abgelassen werden müssen.

    Blei-Carbon-Batterien lassen sich aufgrund ihrer Konstruktion schneller aufladen als andere Blei-Stromspeicher, gleichen diesen Nachteil also aus. Darüber hinaus stellt die Batterie kein Gefahrgut dar und lässt sich leicht recyceln.

    Blei-Akkus zeichnen sich durch besondere Zuverlässigkeit aus und werden noch immer gern als Notstromquelle bzw. unterbrechungsfreie Stromquelle eingesetzt.

    Stromspeicher auf Lithium-Ionen-Basis

    Die Bezeichnung Lithium-Ionen-Akkus ist ein Oberbegriff für Akkumulatoren bei denen sich Verbindungen des Metalls in allen drei Phasen der Batterie finden: Das heißt, Anode, Kathode und Elektrolyt enthalten Lithium-Ionen.

    Die Anode besteht meist aus Kohlenstoff (Graphit), in das sich die Lithium-Ionen beim Ladevorgang einlagern. Die Kathode ist aus einem Lithium-Mischoxid oder einer anderen Lithiumverbindung aufgebaut. Der Raum zwischen den beiden Elektroden ist mit einem wasserfreien, hochreinen Elektrolyten gefüllt. Das Metallion, kann sich zwischen den durch einen Separator getrennten Elektroden bewegen und setzt sich, abhängig vom Lade- oder Entladevorgang nach Aufnahme eines Elektrons an der Kathode oder Anode als metallisches Lithium ab.

    Lithium-Ionen-Stromspeicher gibt es in vielen Ausführungen. Der konkrete Aufbau bestimmt wesentliche Kenndaten wie Zellspannung, Temperaturverhalten oder maximale Lade- und Entladeströme. Als Stromspeicher für PV-Anlagen sind vor allem die auf Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxiden basierenden NMC-Speicher und Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren im Einsatz.

    Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Speicher (Li-NMC, NMC)

    Der positive Pol des Akkus besteht aus einer Mischverbindung der vier Metalloxide. Die genaue Zusammensetzung bestimmt die Eigenschaften der Batterie. NMC-Speicher können sowohl auf elektrische Leistung als auch auf Kapazität ausgelegt werden. Insgesamt bilden sie einen guten Kompromiss aus elektrischer Leistungsfähigkeit, hoher Energiedichte und Kosten.

    Aufgrund ihrer hohen Energiedichte sind die NMC-Stromspeicher kleiner und leichter als vergleichbare Geräte anderer Bauart. Sie kommen daher häufig für die Elektromobilität zum Einsatz.

    Lithium-Eisen-Phosphat-Speicher (Li-FePO4, LFP)

    Lithium-Eisen-Phosphat-Speicher sind etwas größer und schwerer als Li-NMC-Stromspeicher, was für den Einsatz als Stromspeicher für die Photovoltaik aber keine Rolle spielt. Insgesamt sind sie chemisch und thermisch etwas stabiler.

    Alle Lithium-Ionen-Akkumulatoren müssen gasdicht verschlossen sein. Eindringende Feuchtigkeit würde die Leistung deutlich reduzieren. Besonders empfindlich reagieren die Stromspeicher auf Überladungen. Um diese zu vermeiden, ist ein Batterie-Managementsystem erforderlich, was sich in den Kosten für die Stromspeicher niederschlägt. 

    Auch hohe Temperaturen vertragen Lithium-Akkus nicht so gut, starke Überhitzung kann zu einem „thermischen Durchgehen“ (thermal runaway) führen. In kommerziellen Anwendungen werden daher Li-Verbindungen, die eine hohe Energiedichte versprechen aber besonders stark zum Durchgehen neigen, nicht eingesetzt.

    Lange Zeit gab es einen Streit zwischen Herstellern, ob Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Speicher weniger Sicherheit bieten als ihre Konkurrenten auf Li-Eisen-Phosphat-Basis. Im Endergebnis bestätigen Experten jedoch, dass man von der Kathoden-Zusammensetzung LFP oder NMC nicht auf die Batteriesicherheit schließen kann.

    Lithium- oder Bleiakku?

    Blei-Säure-Akkus waren in der Vergangenheit am weitesten verbreitet, u.a. als Autobatterien. Für Blei-Akkus spricht, dass es sich um eine seit langem erprobte, sehr robuste Batterietechnik handelt. Nicht zuletzt kosten Blei-Akkumulatoren bislang noch deutlich weniger als die konkurrierenden Lithium-Batterien.

    Mittlerweile gelten Blei-Stromspeicher aber als überholt und Lithium-Ionen-Stromspeicher setzen sich auch als Photovoltaik-Speicher zunehmend durch. Die wichtigsten Argumente für die Speicherart ergeben sich aus:

    Vergleich der Lebensdauer

    Bei Lithium-Ionen-Akkus wird eine Lebensdauer von bis zu 20 Jahren erwartet, während die Lebensdauer von Blei-Batterien zwischen 8 und 10 Jahren liegt. Die Zyklenzahl von Lithium-Ionen-Speichern ist zudem deutlich höher. Das heißt, sie können öfter geladen und entladen werden als Blei-Speicher.

    Vergleich der Entladetiefe

    Lithium-Ionen-Batterien erreichen eine Entladetiefe von bis zu 100 %. Blei-Batterien können hingegen üblicherweise nur zu 50 % entladen werden, da sich eine tiefere Entladung negativ auf die Betriebsdauer auswirkt.

    Vergleich des Systemwirkungsgrads

    Lithium-Ionen-Stromspeicher erreichen einen Systemwirkungsgrad von über 90 %, bei Blei-Batterien sind ca. 70 % möglich. Photovoltaikanlagen mit Blei-Batterien müssen deshalb größer dimensioniert werden, um die gleiche Leistung zu erzielen.

    Vergleich der Ladegeschwindigkeit

    Ein voller Ladezyklus dauert bei einem Stromspeicher auf Blei-Basis bis zu acht Stunden. Das kann insbesondere im Winter dazu führen, dass die Batterie nicht vollständig aufgeladen wird. Ständige Teilaufladung beschleunigt den Alterungsprozess. Lithium-Ionen-Batterien können hingegen innerhalb einer Stunde vollständig aufgeladen werden.

    Für die Lithium-Ionen-Stromspeicher spricht zudem die geringere Selbstentladung. Das heißt im Ruhezustand geht deutlich weniger gespeicherte Ladung „verloren“.

    Bei der Auswahl ist noch zu beachten, dass die Energiedichte von Blei-Akkus (30 bis 40 Wh/kg) deutlich geringer ist, als die von Lithium-Ionen-Speichern (190 Wh/kg). D.h., sie sind bei gleicher Kapazität deutlich schwerer und benötigen im Allgemeinen auch mehr Raum.

    Blei-Akkus müssen zudem in einem belüfteten Raum untergebracht werden, da die Batterien ausgasen. Bei Lithium-Ionen-Batterien ist dies nicht der Fall.

    Ein weiterer Vorteil der Lithium-Batterien lässt sich unter dem Schlagwort „Second Life“ zusammenfassen. Batterien aus E-Autos lassen sich auch dann noch als PV-Speicher verwenden, wenn sie für die Elektromobilität nicht mehr geeignet sind.