Solarstromspeicher / Batteriespeicher / Solarbatterie – Typen und Funktion
Bleispeicher spielen im neuen PV-Heimspeichermarkt kaum noch eine Rolle. Lithium-Ionen-Akkus gibt es in mehreren Varianten. Neue Technologien sind in der Entwicklung. Für was soll man sich da entscheiden? Eine weitere häufig gestellte Frage ist: Wie läuft eigentlich das Laden und Entladen eines Lithium-Speichers ab? Wir erklären den elektrotechnischen Vorgang allgemeinverständlich. In unserem Ratgeber „Energiespeicher Typen“ haben wir alles Wissenswerte rund um die verschiedenen Speicherarten kompakt zusammengefasst.
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Lithiumspeicher bestimmen den Heimspeichermarkt
Die ersten Lithium-Akkus enthielten als Elektroden tatsächlich metallisches Lithium. Dieses ist jedoch überaus reaktionsfreudig und entzündet sich beispielsweise im Kontakt mit Wasser von selbst. Da heute nicht reaktionsfähiges Lithium in Ionenform verwendet wird, ist die korrekte Bezeichnung also Lithium-Ionen-Akku. Meist wird jedoch die Kurzform Lithium-Akku oder Lithium-Batterie gewählt. Wir gebrauchen diese Begriffe parallel.
Batterien auf Basis von Lithiumverbindungen unterscheiden sich in mehrfacher Hinsicht von den alten 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: Hersteller gewähren meist 10 bis 15 Jahre Garantie, technisch sind je nach Nutzung und Pflege auch längere Laufzeiten möglich.
Hinweis: Ein sehr hoher Ladezustand ist bei diesem Batterietyp ungünstig, weil dauerhaft sehr hohe Ladezustände die Alterung beschleunigen können; eine akute Überladung verhindert normalerweise das Batteriemanagementsystem. Eine manuelle Entladung über Nacht ist nicht nötig. Daher wird auch dringend von einem zu groß dimensionierten Batteriespeicher abgeraten.
Lithium-Ionen-Speicher weisen zudem hervorragende Ladeeigenschaften auf: Je nach Batterietyp sind heute mehrere Tausend Vollzyklen zu erwarten – moderne LFP-Speicher erreichen 6.000 bis 10.000 Vollzyklen, NMC/NCA-Systeme liegen darunter. Maßgeblich sind die Garantie- und Durchsatzangaben des jeweiligen Herstellers. Wenn der Restladezustand bis auf etwa 20 Prozent sinken darf, sind rechnerisch rund 80 Prozent der Kapazität nutzbar. In Verbindung mit dem hohen Wirkungsgrad sind die „teuren“ Lithiumspeicher im Endeffekt sogar günstiger als die wartungsintensiveren und kurzlebigeren Bleispeicher. Zu Kosten von Solarstromspeichern informiert unser Ratgeber Energiespeicher Kapazität.
Tipp: Ein intelligentes Lademanagement sorgt für ein batterieschonendes Laden und Entladen. Die Systeme berücksichtigen sogar Wetterprognosen und frühere Verbrauchswerte.
Bleispeicher – ein Fall fürs Museum. Noch vor wenigen Jahren standen Bleispeicher im Wettbewerb mit Lithiumspeichern. Sie sind preiswert und ihre Technik ist ausgereift und robust. Was sie zu den Verlierern am Markt macht, sind das hohe Gewicht, die Verwendung von Schwermetall sowie eine Lebensdauer von zumeist unter 10 Jahren. Hinzu kommen die hohen Lade-/Entladeströme, die selten mehr als 2.000 Ladezyklen zulassen sowie eine empfohlene nutzbare Entladetiefe häufig um 50 Prozent. Bleiakkumulatoren, die noch ihren Dienst versehen, sollten es natürlich bis zum Ende der Lebensdauer tun – dann aber ist es ratsam, sie durch einen leistungsfähigeren Lithium-Akku zu ersetzen.
So funktioniert ein Lithium-Ionen-Akku
Ein Lithium-Speicher besteht aus mehreren Schichten: der positiven Elektrode (Kathode), einer ionendurchlässigen Trennschicht (Separator) und der negativen Elektrode (Anode). Die elektrische Energie wird in einem chemischen Prozess an der negativen Elektrode in Form von Lithium-Ionen (Li+) und an der positiven Elektrode in Übergangsmetallen gespeichert. Die Trennschicht zwischen den beiden Elektroden ist für Lithium in ionisierter Form in beide Richtungen passierbar.
Beim Entladen gibt jedes Lithium-Atom an der Anode ein Elektron (e–) ab, das dann durch den externen Stromkreis zur Kathode fließt. Zugleich wandern gleich viele Lithium-Ionen in die gleiche Richtung. An der positiven Elektrode nehmen stark ionisierte Übergangsmetall-Ionen die Elektronen auf. Anders als die Lithium-Ionen sind sie unbeweglich. Der Ladevorgang läuft umgekehrt ab.
Batterietypen auf Lithium-Basis
Lithium-Ionen-Akku ist ein Oberbegriff für zahlreiche Batterietypen, sprich Materialkombinationen für Anode, Kathode und Separator (Trennschicht). Einige Beispiele sind:
- Lithium-Kobalt-Oxid, kurz LCO: der typische Handy-Akku mit hoher Energiedichte, aber relativ kurzer Lebensdauer
- Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid, kurz NCA: höhere Kapazität als LCO bei hoher Energiedichte und kurzer Ladezeit
- Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Oxid, kurz NMC oder NCM: auf hohe Kapazität ausgelegt. Preiswert durch billiges Nickel, durch Nickel-Kobalt-Verbindung aber nicht ungefährlich.
- Lithium-Eisen-Phosphat, kurz LFP: durch Phosphat-Basis bessere thermische und chemische Stabilität und damit höhere Sicherheit (feuerfester); längere Lebensdauer (6.000 bis 10.000 Zyklen), schnelle Ladefähigkeit. Nachteil: niedrigere Energiedichte.
Wie sich das auf die in Deutschland verkauften Lithium-Batterien auswirkt, zeigt eine Grafik der Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) Berlin: Der Anteil von Speichern mit NCM-Technologie ist seit 2018 rapide gesunken, der von NCA leicht gestiegen. Gewinner ist eindeutig die LFP-Technologie.
Entwicklungen auf dem Heimspeichermarkt
Die angeführte Grafik veranschaulicht einen von 7 von der HTW beim 38. PV-Symposium im März 2023 vorgestellten „Technologietrends bei Photovoltaik-Batteriesystemen“. Weitere sind z.B.
- die Entwicklung hin zu Batterien mit höheren Speicherkapazitäten; zurückzuführen sei dies auf die abnehmende Batteriespannung je kWh durch die immer größer werdenden Batteriezellen;
- der aus dem Wunsch nach mehr Versorgungssicherheit bei einem Netzausfall resultierende Nachfrageanstieg nach PV-Batteriesystemen mit integrierter Ersatzstromfunktion und
- die zunehmende Verbreitung von Hybridwechselrichtern.
Allround-Talent Hybridwechselrichter
Hybrid-Wechselrichter vereinen die Funktionen von Solar-Wechselrichter und Batterie-Wechselrichter in einem Gerät. Das heißt: Wie ein Solar- oder PV-Wechselrichter wandelt er Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) um UND wie ein Batteriewechselrichter lässt er den nicht benötigten Strom in den angeschlossenen Energiespeicher fließen. Dadurch entfällt ein separater Laderegler. Und: Bei DC-gekoppelten Speichern kann der Ladepfad Wandlungen sparen; ob das Gesamtsystem effizienter ist, hängt aber von Gerät, Stand-by-Verbrauch und Auslegung ab.
So verwundert es nicht, dass die Kombi Hybridwechselrichter/Hochvolt-Batterie nicht automatisch zum Testsieg bei der jährlichen Stromspeicher-Inspektion der HTW führt.
Unsere Beiträge zu System und Management von Energiespeichern und Wechselrichter-Arten verraten mehr über AC- und DC-gekoppelte Systeme sowie Hybrid-Wechselrichter.
LFP-Speicher als heutiger Standard für Heimspeicher
Was sich aus der HTW-Marktanteilskurve abzeichnete, hat sich inzwischen durchgesetzt: Lithium-Eisen-Phosphat (LFP) ist die tragende Zellchemie für Heimspeicher. Die Internationale Energieagentur (IEA) beziffert den LFP-Anteil an neu installierten stationären Batteriespeichern weltweit auf rund 90 Prozent (2025) – nach 80 Prozent in 2023. Drei Eigenschaften erklären diesen Erfolg im Wohnumfeld: thermische Stabilität (deutlich geringeres Brandrisiko als kobalthaltige Chemien), lange Zyklenfestigkeit (häufig 6.000 bis 10.000 Vollzyklen, was rechnerisch einer Zyklenreserve von über 15 Jahren bei täglicher Nutzung entspricht) und kobaltfreie Materialzusammensetzung. Die etwas niedrigere Energiedichte spielt im Keller oder Hauswirtschaftsraum kaum eine Rolle – Platz ist hier selten der Engpass. Praktisch alle Hersteller, die in der jüngsten Stromspeicher-Inspektion der HTW vorn liegen, setzen auf LFP-Batterien.
Wer 2026 einen neuen Heimspeicher kauft, bekommt mit hoher Wahrscheinlichkeit einen LFP-Speicher – unabhängig vom Hersteller. NMC-Systeme sind nur noch in Ausnahmen am Markt, etwa bei besonders kompakten Premium-Lösungen. Die Entscheidung liegt heute weniger bei der Zellchemie, sondern bei Systemdimensionierung, Wechselrichter-Konzept und Garantiebedingungen.
Nachhaltige Stromspeicher mit Salzwasser, Eisen oder Wasserstoff
Es ist kein Geheimnis, dass die Elektromobilität den Bedarf an elektrischer Energie noch deutlich erhöhen wird. Auch nicht, dass herkömmliche Stromspeicher auf Lithiumbasis Materialien enthalten, die begrenzt verfügbar sind und teilweise als kritisch angesehen werden. Moderne Forschungslabore setzen daher beim Speichern von Solarenergie mehr und mehr auf umweltfreundlichere Rohstoffe. Die aussichtsreichsten Entwicklungen sind derzeit
- Salzwasserspeicher, die statt Lithium das ungiftige Natrium enthalten und dennoch ganz ähnlich wie Lithium-Ionen-Speicher arbeiten,
- Redox-Flow-Batterien mit Eisen als Basismaterial, das reichlich vorhanden, kostengünstig und ungiftig ist,
- Wasserstoffspeicher als Langzeitspeicher-Ansatz. Die Nutzung kann lokal emissionsarm sein; die Klimabilanz hängt jedoch stark von Herstellung, Strommix, Transport und Umwandlungsverlusten ab.
Der größte Knackpunkt ist bislang noch die Effizienz dieser Innovationen. In unserem Beitrag Photovoltaik: Nachhaltige Stromspeicher erfahren Sie alles über die Funktionsweise und Umweltverträglichkeit der „Neuen“.
Noch recht neu: Mini-Speicher fürs Balkonkraftwerk
Der Balkonkraftwerk-Markt boomt. Die Minis sind preiswert, im Nu installiert und nicht nur für Hauseigentümer, nein auch für Mieter eine Möglichkeit, eigenen Strom zu produzieren. Im vereinfachten Standardfall werden Überschüsse der „unentgeltlichen Abnahme“ zugeordnet; dann gibt es keine Einspeisevergütung. Eine reguläre Einspeisevergütung ist grundsätzlich möglich, aber mit mehr Aufwand verbunden. Es sei denn, die Solarenergie wird in einer der neuen Mini-Solarbatterien gespeichert.
Einen Nachteil hat die Sache leider auch: Da die Anschaffungskosten ins Gewicht fallen, kann sich ein Balkonkraftwerk mit Speicher je nach Setpreis, Strompreis, Solarertrag und Verbrauchsprofil nach wenigen Jahren rechnen; ungünstige Speicher-Nachrüstungen brauchen deutlich länger. Gegenüber einer Stecker-Solaranlage ohne Speicher dauert es dadurch meist ein bis drei Jahre länger. Wichtig ist auch, erst einmal zu prüfen, ob der Balkon genügend Platz zum Aufstellen bietet und das Gerät keine Stolperfalle darstellt. Ob sich ein Mini-Batteriespeicher lohnt, hängt vor allem vom Verbrauchsprofil ab – wer abends viel Strom benötigt, profitiert am meisten.
Fazit: Lithium-Ionen-Speicher noch lange die erste Wahl
Lithium-Ionen-Speicher sind mittlerweile ausgereift und erschwinglich. Sie haben die „bleischweren“, weniger effizienten und umweltbelastenden Bleispeicher nahezu vollständig vom Markt gedrängt. Doch auch Lithiumspeicher werden nicht mehr unzweifelhaft als Nonplusultra angesehen. Alternative Batterietechnologien sind weitaus umweltfreundlicher und nachhaltiger. Da häufig Abstriche bei der spezifischen Energiedichte, den Batteriewirkungsgraden sowie dem Verhältnis von maximaler Lade-/ Entladeleistung zur nutzbaren Speicherkapazität gemacht werden müssen, haben sie aktuell aber noch eine geringe Marktrelevanz.
Gab früher die Speicherchemie den Ausschlag für oder gegen ein Modell, ist es heute die Ankoppelung des Speichers an das stromproduzierende PV-System. Die einfachste Art des Managements bieten hybride Wechselrichter. Spannend bleibt die Entwicklung bei den Minis: Fallen die Preise, könnten sie wirtschaftlich interessant werden. Schon heute können günstige Komplett-Sets wirtschaftlich sein; ob sich ein Mini-Speicher lohnt, hängt jedoch stark von Preis, Standort und Abendverbrauch ab.
Das Batteriesystem einer PV-Anlage kennen und managen Ein Energiespeichersystem für Photovoltaikanlagen besteht neben dem Stromspeicher aus einem Batteriemanagementsystem und der… weiterlesen
