Solarstromspeicher / Batteriespeicher / Solarbatterie – die verschiedenen Arten
Was bedeutet „Speicherchemie“? Was steckt hinter den Begriffen Speicherwirkungsgrad, Energiedichte und Entladetiefe? Welche Lebensdauer kann ein Solarspeicher erreichen? Diese und weitere Fragen rund um die Speicherarten beantwortet unser Ratgeber „Energiespeicher Typen“.
Speichertypen nach Speicherchemie
Bei den Heim- und Gewerbespeichern werden im Wesentlichen zwei Technologien genutzt: Akkumulatoren mit Elektroden aus Blei und solche auf der Basis von Lithium-Verbindungen. Sie werden meistens kurz Bleispeicher und Lithiumspeicher genannt. Beide Akkutypen haben ihre Vorzüge:
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Bleispeicher
Bekannt sind sie seit über 100 Jahren als Auto-Starterbatterie. Bleiakkumulatoren kommen ebenfalls bereits lange als dezentrale Energiespeicher und Notstromversorgung zum Einsatz. Sie sind preiswert und ihre Technik gilt als ausgereift und robust.
Nachteilig sind das hohe Gewicht, die Verwendung von Schwermetall sowie eine Lebensdauer von zumeist unter 10 Jahren. Hohe Lade-/ Entladeströme lassen selten mehr als 2.000 Ladezyklen zu. Die Speichernutzung beträgt lediglich ca. 50 Prozent. Der Grund: Weil Speicherentladungen von mehr als 50 Prozent dem Bleiakkumulator schaden, ist im Batteriemanagementsystem die Entladung zum Wohle der Lebensdauer auf die Hälfte der Bruttokapazität eingestellt. Dass in der ersten Generation der Solarstromspeicher die Bleiakkumulatoren dennoch verwendet wurden, liegt am vergleichsweise niedrigen Preis pro speicherbare Energiemenge. Einige Hersteller bieten im Vornherein einen Akkuaustausch nach 10 Jahren an, um eine marktübliche Systemlebensdauer von 20 Jahren zu erhalten.
Lithiumspeicher
Da die verschiedenen Lithium-Verbindungen in den Akkus nicht sehr unterschiedlich arbeiten, hat man dafür einen Oberbegriff geprägt: Lithium-Ionen. Batterien auf Basis von Lithiumverbindungen unterscheiden sich in mehrfacher Hinsicht von Bleispeichern. Die Vorteile liegen in der hohen Energiedichte begründet. Eine große Kapazität pro Masse (Energiedichte) macht die Energiespeicher nicht nur leichter, sondern erzielt auch eine höhere Betriebsdauer. Dies wiederum sorgt selbst bei intensiver Nutzung für eine vergleichsweise lange Lebensdauer: im Durchschnitt ca. 15 Jahre.
Lithium-Ionen-Speicher weisen zudem hervorragende Ladeeigenschaften auf: Zu erwarten sind generell bis zu 6.000 Lade- und Entladezyklen. Da die Entladetiefe bei 10 Prozent liegen darf, ergibt sich eine profitable Speichernutzung von ±90 Prozent. Ein ganz aktueller Vorzug der Lithium-Variante ist die Nutzbarkeit zum „Auftanken“ von Elektroautos.
Dies alles hat natürlich auch seinen Preis. Lithiumspeicher gelten als teuer. Bedenkt man allerdings ihren hohen Wirkungsgrad, sind sie im Endeffekt günstiger als die wartungsintensiveren und kurzlebigeren Bleispeicher. Zu Kosten von Solarstromspeichern informiert unser Ratgeber Energiespeicher Kapazität.
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Fazit
Aufgrund der genannten Nachteile sind Bleispeicher aktuell nicht mehr empfehlenswert. Im Gegenteil: Selbst die viel leistungsfähigeren Lithium-Ionen-Speicher werden nicht mehr unzweifelhaft als Nonplusultra angesehen. Alternative Batterietechnologien gelten als umweltfreundlicher und nachhaltiger und zählen laut Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin (htw) zu den 6 Techniktrends des Jahres 2021. Zwei Beispiele sind
- Natrium-Ionen-Batteriesysteme, umgangssprachlich auch als Salzwasserbatterie bezeichnet. Die energiespeichernden Elektrolyte werden in mehreren Tanks gelagert und beim Be- und Entladen der Batterie mithilfe von Pumpen umgewälzt. Z.B. von BlueSky Energy.
- Natrium-Nickelchlorid-Batterien, die im Wesentlichen auf Kochsalz basieren. Die Betriebstemperatur von 300 °C macht diese Energiespeicher zu Hochtemperaturbatterien. Z.B. von Redox.
Aber: Die alternativen Batterietechnologien haben aktuell noch eine geringe Marktrelevanz. Zu groß sind häufig die Abstriche bei der spezifischen Energiedichte, den Batteriewirkungsgraden sowie dem Verhältnis von maximaler Lade-/ Entladeleistung zur nutzbaren Speicherkapazität. (Quelle: Studie Stromspeicher-Inspektion 2021, Seite 7)
Lithium-Ionen-Batterien werden noch lange die erste Wahl für das Speichern überschüssigen Solarstroms bleiben.
Bedeutung der genannten Faktoren
Wirkungsgrad eines Energiespeichers
Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis zwischen dem zur Verfügung stehenden Strom in Bezug auf die vorher geladene Menge. Er wird in Prozent angegeben und benennt damit den Stromanteil, der tatsächlich genutzt werden kann. Die Differenz zu 100 Prozent gibt den Verlust an.
Dieser Systemwirkungsgrad setzt sich aus den folgenden Teilwirkungsgraden zusammen:
- Der Photovoltaikanlagen-Wirkungsgrad berücksichtigt die Verluste in den Solarmodulen, der Verkabelung und im Wechselrichter.
- Der Speicher-Wirkungsgrad errechnet sich aus den Lade-/Entladeverlusten und dem chemischen Wirkungsgrad des Lithium- oder Bleispeichers.
Oftmals separat aufgeführt ist der Geräteeigenverbrauch im Stand-by Betrieb für Lüfter und Steuerelektronik.
Lebensdauer eines Solarstromspeichers
Je länger ein Solarstromspeicher eingesetzt werden kann, desto wirtschaftlicher ist er für den Hausbesitzer. Die Lebensdauer eines Solarstromspeichers hängt dabei aber nicht nur von den Betriebsjahren ab, sondern auch von der Anzahl der Lade- und Entladezyklen. Diese werden von der Art der Batterietechnologie, aber auch von Faktoren wie der Tiefentladung, der Überladung und der Ladegeschwindigkeit beeinflusst.
Grundsätzlich wird von der Zyklus- und der kalendarischen Lebensdauer gesprochen. Während erstere die zu erwartende Anzahl der Lade- und Entladezyklen angibt, beschreibt die kalendarische Lebensdauer den Alterungsprozess des Materials. Es kann also sein, dass die kalendarische Lebensdauer vor der zyklischen erreicht wird.
Füllstand eines Batteriespeichers
Zugegeben, die Prozentangaben bei den Ladeständen können schon etwas verwirren. Oft ist nicht auf den ersten Blick erkennbar, ob ein kleiner Wert positiv oder negativ ist. Deshalb hier die Erläuterung:
Der DoD-Wert (Depth of Discharge) bezeichnet die Entladetiefe: 100 % stehen für einen komplett entladenen Speicher, während 0 % für einen vollen Speicher steht.
Manchmal wird statt eines DoD Wertes auch ein SoC-Wert (State of Charge) angegeben. Beide Werte werden historisch nebeneinander benutzt. Es handelt sich beim SoC um den Kehrwert des DoD, es bedeuten also 100 % einen vollen und 0% einen leeren Speicher.
Praktische Anwendung finden diese Werte in den Datenblättern der Hersteller bei der Beschreibung der nutzbaren Speicherkapazität, denn es lassen sich die meisten Speicher nicht komplett entladen. Die verbleibende Restkapazität gewährleistet die maximale Lebensdauer. Für die Einhaltung dieser Anforderungen sorgt das mit BMS abgekürzte Batterie-Management-System.
Fazit
Ladezyklen, Entladetiefe und Lebensdauer können nicht getrennt voneinander betrachtet werden. Entscheidend ist das Zusammenspiel der drei Faktoren. Dieses ist im Ratgeber zum Management eines Speichersystems erläutert.
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