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

    Stromspeicher – Anwendung für wachsende Aufgaben

    Strom lässt sich auf verschiedenen Arten speichern. Eine zentrale Rolle kommt der Speicherung von Strom in Form von chemischer Energie zu. Die dafür konstruierten Batteriespeicher oder Akkumulatoren (kurz „Akkus“) werden in nahezu allen Lebensbereichen verwendet. Die kleinen Batterien für Spielzeuge, Fernbedienung oder zum Betrieb einer Digitaluhr sind seit langem bekannt. Im Rahmen der Digitalisierung wächst der Bedarf an 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.

    Eine vorhandene Lösung für da Speichern von Strom im großen Maßstab sind Pumpspeicherwerke. Ist elektrische Energie im Überfluss vorhanden, wird Wasser in ein auf einem höheren Standort befindliches Speicherbecken gepumpt, wodurch sich seine potentielle Energie erhöht. Wird Strom benötigt, fließt das Wasser den Berg hinab und treibt eine Turbine an, die Strom produziert. Pumpspeicherwerke sind derzeit die größten Massenspeicher für Strom, weshalb ihnen eine große Bedeutung für die Energiewende und für die Netzstabilität zukommt.

    Doch die vorhandenen Lösungen werden in Zukunft nicht ausreichen: Die Umstellung auf regenerative Energieträger wie Wind, Wasser und Sonne macht eine Speicherung großer Mengen von Strom dringend notwendig. Hinzu kommt, dass der Bedarf an sauberem Strom weiter steigen wird, denn im Rahmen der sogenannten Sektorenkopplung werden auch Wärmeerzeugung und Mobilität auf Strom umgestellt.

    Der immer größere Anteil regenerativer Energien führt dabei zu neuen Herausforderungen. Da Windkraft und Sonnenenergie volatil sind, d.h. im Angebot stark schwankend, werden Speicherlösungen mit enormen Kapazitäten benötigt, die das Netz stabilisieren können. Auch für diesen Zweck sind Batteriespeicher im Einsatz, doch lassen sich auch aufgrund des hohen Bedarfs an begrenzten Rohstoffen mit den derzeit verbreiteten Akkus nicht alle Aufgaben lösen.

    Deshalb gibt es eine Vielzahl weiterer Konzepte, wie sich Strom im großen Stil speichern lässt. Im Folgenden sollen einige vorgestellt werden – manche Ideen sind noch im Versuchsstadium, andere bereits umgesetzt.

    Wasserstoff oder Methan als Stromspeicher (Power to gas)

    Eine wichtige Rolle als Stromspeicher soll in Zukunft Wasserstoff spielen. Überschüssiger Strom wird zur Elektrolyse von Wasser eingesetzt, dabei entstehend Wasserstoff und Sauerstoff. Der Wasserstoff wird gespeichert und bei Bedarf in einer Brennstoffzelle „verbrannt“, wobei wieder Strom entsteht. Der Wirkungsgrad des Vorgangs ist nicht sehr hoch aber das Verfahren ist leicht zu handhaben und defacto etabliert.

    Wasserstoff selbst ist aber dauerhaft nicht gut zu speichern, da die kleinen Gasmoleküle durch nahezu jede Gefäßwand diffundieren können. Außerdem ist das Gas sehr gut brennbar und kann explosive Gemische mit Sauerstoff / Luft bilden. Deshalb setzt man den Wasserstoff auch mit Kohlendioxid zum weniger reaktiven Methan um. Das Gas ist auch im Erdgas enthalten, Speicher und Leitungssysteme dafür sind bereits vorhanden.

    Flüssigmetallspeicher

    Flüssigmetall-Batterien ähneln vom Funktionsprinzip her Standardbatterien, allerdings dient als Elektrolyt eine Salzmischung. Um diese zu verflüssigen, wird die Batterie auf ca. 240 °C erwärmt. Die Batterien lassen sich einfach fertigen und kommen ohne eine komplizierte Membran aus. Sie können als Pufferspeicher zur Stabilisierung des Energiesystems dienen, denn sie ermöglichen es, ohne Verluste große Mengen von Energie zu speichern und wieder abzurufen. (Mehr)

    Dampfspeicher

    Soll Strom gespeichert werden, wird Dampf auf einen Druck von etwa 60 Bar komprimiert und in einem Hochdrucktank gespeichert. Soll die Energie dann wieder abgerufen werden, treibt der Hochdruckdampf eine Turbine an, die Strom erzeugt. (Mehr)

    Schwerkraft nutzen - Speicherung als potenzielle Energie

    Orte wie alte Kohlekraftwerke können genutzt werden, indem bei Stromüberfluss Gewichte in den Schächten anhoben werden. Bei Strombedarf werden die Gewichte dann abgelassen und treiben dabei einen Generator an. (Mehr)

    Intensiv geforscht wird auch daran, seltene oder teure Materialien in Akkus durch günstigere Rohstoffe zu ersetzen, so zum Beispiel Lithium durch Magnesium. Auch Natrium-Metall-Batterien werden als interessante Alternative zu Lithium-Akkus gehandelt. Natrium kommt in großen Mengen in der Natur vor – etwa im Meerwasser – und kann kostengünstiger gewonnen werden als Lithium. Derzeit gibt es aber noch einige praktische Probleme, die zu lösen sind.

    Auch an der Verbesserung der Elektrolyte wird gearbeitet, um diese haltbarer und sicherer zu machen. Darüber hinaus gewinnen in der Batterieforschung umweltfreundliche Materialien wie Hanf, mit dessen Hilfe Li-S-Akkus effizienter werden, oder Seegras, mit dem Natrium-Metall-Batterien haltbarer machen soll, an Bedeutung.

    Der kleine Exkurs zeigt, dass es bereits ein großes Spektrum an Speicherlösungen gibt, das sich zudem ständig verbreitert. Das ist auch erforderlich, denn eine Energiewende ist nur mit effizienten Stromspeichern möglich. In naher Zukunft sind daher zahlreiche Neuentwicklungen nicht nur in Form besserer Batterien zu erwarten.

    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 ,das mehrere Hundert Kilogramm wiegt, auf 100 km/h und mehr beschleunigen.

    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. Zwischen beiden Anwendungen liegen Größenordnungen. Es werden also verschiedenartige Lösungen benötigt.

    Angaben in Amperestunde (Ah) oder Milli-Amperestunden (mAh), wie sie häufig für kleinere Speicher verwendet werden, beziehen sich auf die sogenannte Nennkapazität (Ladungskapazität). Diese beschreibt die Ladungsmenge, die ein Akkumulator speichern kann. Die tatsächlich entnehmbare Kapazität hängt jedoch von verschiedenen Faktoren ab - wie der Akku entladen wird (konstanter Strom, konstante Leistung, konstanter Widerstand), vom Entladestrom und von der Endspannung der Entladung (Entladeschlussspannung). Die beiden letzten Größen müssen angegeben werden, um den Vergleich zwischen verschiedenen Speichern zu ermöglichen.

    In der Praxis wichtiger ist der Energiegehalt (die Energiekapazität) einer Batterie. Um diesen zu ermitteln, wird die Nennkapazität mit der Klemmspannung des Akkus multipliziert. Zum Beispiel hat eine 12V-Batterie mit einer Nennkapazität von 100Ah eine Ladekapazität von 12 V x 100 Ah = 1200Wh.  Bei gleicher Kapazität und höherer Spannung ist somit auch der Energiegehalt höher. Sie sollten deshalb darauf achten, dass die Kapazität Ihres Speichers in Wh oder kWh angegeben wird, denn nur dieser Wert ist wirklich aussagefähig.

    Ein weiterer essentieller Unterschied bei Stromspeichern besteht 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 zudem die maximale Entladeleistung. Großverbraucher wie Waschmaschinen benötigen kurzzeitig viel Energie und erzeugen dadurch sogenannte Lastspitzen, die der Speicher liefern muss.

    Photovoltaikanlage von Solarwatt
    Sie wollen selbst Strom vom Dach gewinnen und sich von Ihrem Netzanbieter unabhängig machen? Mit einer Photovoltaikanlage von SOLARWATT leiten Sie Ihre persönliche Energiewende ein.

    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.