Wie ist ein Stromspeicher für Photovoltaikanlagen aufgebaut?

In Zeiten sinkender Einspeisevergütung, lohnt es sich, möglichst viel vom selbst gewonnenen Strom vor Ort zu verbrauchen. Ein hoher Eigenverbrauch erhöht die Unabhängigkeit von Stromanbietern und steigenden Strompreisen.

Ein Weg, dem Ziel einer Eigenversorgung möglichst nahezukommen, ist der Einsatz eines Batteriespeichers. Durch den Speicher wird der Strom zeitversetzt bzw. unabhängig von der Sonneneinstrahlung zu jeder gewünschten Zeit zur Verfügung gestellt. Überschüssiger Strom muss nicht ins Netz eingespeist und später wieder teuer zurückgekauft werden.

Was ist der Unterschied zwischen Akkumulatoren und Batterien?

Im Kontext von Photovoltaikanlagen wird meist von Speicher-Batterien gesprochen. Technisch gesehen ist das nur bedingt richtig, da mit den meisten Batterien Speichermedien gemeint sind, die geladen zusammengebaut werden und dann nur einmal entladen werden können. Korrekt wäre jedoch der Ausdruck “Akkumulator”, oder kurz Akku, da hier eine Vielzahl von Lade- und Entladezyklen realisiert werden, die für den effizienten Einsatz von Photovoltaikspeicher essentiell sind. Je häufiger ein solcher Speicher geladen und entladen werden kann, bevor er signifikant an Leistung verliert, desto höher seine Qualität.

Blei-Säure-Batterien und Lithium-Ionen-Akkus

Für private Anwendungen sind sowohl Blei- als auch Lithium-Akkus in Gebrauch. Blei-Akkus sind eine lange erprobte, günstige und zuverlässige Technik, die z.B. für die Notstromversorgung in Krankenhäusern zum Einsatz kommt. Auf Grund ihres geringeren Gewichts, einer größeren Entladetiefe und ihrer deutlich längeren Lebensdauer haben sich jedoch moderne Lithium-Akkus insbesondere für mobile Anwendungen durchgesetzt. Auch der Markt für Photovoltaik-Speicher wird derzeit von Lithium-Stromspeichern dominiert.

Nach ihrem Aufbau lassen sich Lithium-Ionen-Akkus in eine Vielzahl an Varianten unterscheiden; als Solarbatterien sind insbesondere Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt- (NMC) und Lithium-Eisenphosphat-Akkus im Einsatz.

Aufbau eines Lithium-Ionen Photovoltaikspeichers

Ein Solar-Speicher wandelt im Aufladeprozess elektrische Energie in chemische Energie um. Während der Entladung läuft der Prozess genau umgekehrt. Das heißt, es handelt sich um einen chemischen Speicher, in dessen Kern chemische Reaktionen ablaufen. Im Inneren des Speichers befindet sich eine Elektrolytflüssigkeit, welche nicht an der Reaktion teilnimmt, sondern Stoffe weiterleitet, sowie zwei Ableiter aus Materialien wie Kupfer oder Aluminium.

Auf diese Je nachdem, welche Aktivbeschichtung auf diese Elektroden aufgebracht wird, werden sie zu einer positiv geladenen Elektrode (beispielsweise durch Lithium-Metall-Oxid) oder aber zu einer negativ geladenen Elektrode (z.B. durch Graphit oder Titanat). Die erwähnte Elektrolytflüssigkeit im Inneren macht einen Ionenaustausch zwischen den beiden Metallen möglich und leitet so die elektrische Energie.

Die Hauptbestandteile eines Lithium-Ionen Photovoltaikspeichers sind demnach: Negativ geladene Elektroden (Kathode); positiv geladene Elektroden (Anode); eine feine Kunststoffe-Membran als Separator, um die beiden Elektroden zu trennen; Elektrolytflüssigkeit aus Salzen und Polymeren; ein Stromableiter (Kupferfolie an der Minuspolseite, Aluminiumfolie an der Pluspolseite). Alle Komponenten sind äußerst dünn und werden in vielen Schichten aufgebracht, um auf kleinstmöglichem Raum optimale Eigenschaften zu erzielen.

Sämtliche Lithium-, Metall- und Sauerstoffteilchen befinden sich bei einem entladenen Akku an der positiven Elektrode. Durch das Anbringen einer Spannung lösen sich Lithium-Ionen und bewegen sich über die Elektrolytflüssigkeit und durch den Separator zur negativen Elektrode und binden sich dort ein. So entsteht eine Ladungsverschiebung, da die Lithium-Ionen positiv geladen sind, und eine Potentialdifferenz zwischen beiden Elektroden etabliert sich. Das Endresultat dieses Prozesses ist das Aufladen des Akkus. Im gegenteiligen Fall der Entladung lösen sich die Lithium-Ionen aus dem Graphitgitter der Elektrode und wandern, bewegt durch die Potentialdifferenz, wieder zurück zur positiven Elektrode. Der initiierte Potentialausgleich bedingt so letztendlich einen Stromfluss über die Ableiter.

 

Wechsel- oder Gleichstrom-Systeme (AC oder DC)

Je nach Art des vorgehaltenen Stroms unterscheiden sich Photovoltaikspeicher in AC- und DC-Systeme – das heißt Wechsel- oder Gleichstromspeicher. Bei einem AC-System wandelt ein Wechselrichter den von den Photovoltaikmodulen stammenden Gleichstrom in Wechselstrom um. Dieser lässt sich dann beispielsweise im Eigenheim verbrauchen, in das öffentliche Netz einspeisen oder eben speichern. Damit letzteres funktioniert, wandelt ein zweiter Wechselrichter den Wechselstrom aus dem Hausnetz wieder in Gleichstrom für den Speicher um. Der Vorteil der AC-Systeme ist, dass sie sich sehr gut bei einer bereits vorhandenen Solaranlage nachrüsten und mit weiteren, unterschiedlichen Energiequellen verbinden lassen.

Bei einem DC-System befindet sich der Solarspeicher zwischen den Photovoltaikmodulen und dem Wechselrichter. Er nimmt Gleichstrom ohne eine zusätzliche Umwandlung auf und gibt ihn bei Bedarf an einen gemeinsam genutzten Wechselrichter ab. Dieser erzeugt den Wechselstrom, der dann dem Eigenverbrauch im Haus dient oder in das öffentliche Netz eingespeist werden kann. Der Einsatz eines weiteren Wechselrichters entfällt somit. DC-Systeme sind kompakter und eignen sich vor allem für neu installierte Photovoltaikanlagen.

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