Welche Arten von Stromspeichern gibt es?

Salzwasser-Batterien sind ähnlich aufgebaut wie die Blei-Akkus, die im Auto verwendet werden. Statt Säure oder anderer gefährlicher Stoffe, dient hier eine wässrige Lösung eines Natriumsalzes als Elektrolyt. Bei Leckagen geht also keine Gefahr von der Batterie aus, auch Entsorgung und Recycling stellen kein Problem dar.  Nachteile der Salzwasserbatterie sind die geringe Speicherdichte und die langsamen Be- und Entladevorgänge. Als stationäre Speicher haben sie aber auf jeden Fall eine Berechtigung.

Ähnlich wie die Salzwasserbatterie ist auch der Redox-Flow-Speicher eine Flüssigbatterie oder Nasszelle. Allerdings werden hier zwei Elektrolyte eingesetzt, die durch eine Membran voneinander getrennt sind. Die Elektrolyte müssen in der Redox-Flow-Batterie ständig umgepumpt werden, zudem sind komplexe Steuer- und Kontrolleinrichtungen erforderlich.  Daher eigner sich der Stromspeicher eher für industrielle Anwendungen als für Kleinverbraucher.  Im Energiesystem können sie zur Abdeckung von Spitzenlast, zum Lastausgleich oder zur unterbrechungsfreien Energieversorgung aber eine wichtige Rolle spielen.

Eine wichtige Rolle als Stromspeicher soll in Zukunft Wasserstoff spielen. Überschüssiger Strom wird zur Elektrolyse von Wasser eingesetzt, dabei entstehen 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.

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)

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

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)

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.

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.

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 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.

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.

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

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

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.