Energiespeicher Typen

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Solarstromspeicher / Batteriespeicher / Solarbatterie – Typen und Funktion

Bleispeicher werden nicht mehr angeboten. 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.

Energiespeicher für Photovoltaikanlagen © Eyematrix, stock.adobe.com
Energiespeicher für Photovoltaikanlagen © Eyematrix, stock.adobe.com
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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.

Lithiumspeicher © sonnen GmbH
Lithiumspeicher © sonnen GmbH

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: im Durchschnitt 15 bis 20, nicht selten bis zu 25 Jahre.

Hinweis: Ein sehr hoher Ladezustand ist bei diesem Batterietyp ungünstig, da es schnell zu einer lebensverkürzenden Überladung kommen kann. Besser ist es, eine am Nachmittag vollgeladene Batterie bis zum nächsten Morgen wieder größtenteils zu entladen. Daher wird auch dringend von einem zu groß dimensionierten Batteriespeicher abgeraten.

Richtig dimensioniert wirkt der Batteriespeicher am besten
Richtig dimensioniert wirkt der Batteriespeicher am besten

Lithium-Ionen-Speicher weisen zudem hervorragende Ladeeigenschaften auf: Zu erwarten sind generell bis zu 6.000 Lade- und Entladezyklen. Da die Entladetiefe bei 20 Prozent liegen darf, ergibt sich eine profitable Speichernutzung von ±80 Prozent. 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.

Lithium-Speicher vs Blei-Akku: Im direkten Vergleich spricht fast alles für die Lithium-Ionen-Technologie
Lithium-Speicher vs Blei-Akku: Im direkten Vergleich spricht fast alles für die Lithium-Ionen-Technologie

Bleispeicher – ein Fall fürs Museum. Noch vor wenigen Jahren standen Bleispeicher im Wettbewerb mit Lithiumspeichern. Sie sind preiswert und ihre Technik 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 ein Speichernutzungsgrad von nur rund 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 Lithiumakku zu ersetzen.

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So funktioniert ein Lithium-Ionen-Akku

Ein Lithiumspeicher 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 Lithium-Atomen (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.

Funktion eines Lithium-Ionen-Akkus
Funktion eines Lithium-Ionen-Akkus

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 (>5.000 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.

Marktanteile der unterschiedlichen Lithium-Ionen-Batterietechnologien in Deutschland © HTW
Marktanteile der unterschiedlichen Lithium-Ionen-Batterietechnologien in Deutschland © HTW

Entwicklungen auf dem Heimspeichermarkt

Die angeführte Grafik veranschaulicht einen von 7 von der HTW beim 38. PV-Symposium im März 2023 vorstellten „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.
Der Ersatzstrom kann den Solarstrom weiter nutzen
Der Ersatzstrom kann den Solarstrom weiter nutzen

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: Da der Speicher die überschüssige Energie direkt aufnimmt, muss der Solarstrom nicht doppelt umgewandelt werden. Das Ergebnis: Der Wirkungsgrad eines Hybridwechselrichters ist höher.

Funktion eines Hybridwechselrichters
Funktion eines Hybridwechselrichters

So verwundert es nicht, dass die Kombi Hybridwechselrichter/Hochvolt-Batterie regelmäßig 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.

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 organische 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 mit der wohl nachhaltigsten Bilanz. Wasserstoff ist ein nahezu unerschöpflicher, auf jeden Fall ungiftiger Rohstoff, der absolut keine Emissionen verursacht.
Umweltverträgliche Batterien für eine bessere Zukunft
Umweltverträgliche Batterien für eine bessere Zukunft

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. Dumm nur, dass Überschüsse nicht vergütet werden, sondern als Stromgeschenk ins öffentliche Netz wandern. Es sei denn, die Solarenergie wird in einer der neuen Mini-Solarbatterien gespeichert.

Pluspunkte des Balkonkraftwerk-Stromspeichers
Pluspunkte des Balkonkraftwerk-Stromspeichers

Einen Nachteil hat die Sache leider auch: Da die Anschaffungskosten nicht ohne sind, amortisieren sich die Balkonkraftwerk-Stromspeicher erst nach etwa 10 Jahren. Das ist etwa das Doppelte der Amortisationszeit einer Stecker-Solaranlage. Wichtig ist auch, erst einmal zu prüfen, ob der Balkon genügend Platz zum Aufstellen bietet und das Gerät keine Stolperfalle darstellt. In den meisten Fällen ist ein Mini-Batteriespeicher (noch) nicht lohnenswert

Den Solarstrom speichern, lohnt sich das finanziell?
Den Solarstrom speichern, lohnt sich das finanziell?

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. Derzeit ist dies noch nicht der Fall.

Photovoltaik Stromspeicher © 3desc, stock.adobe.com
Energiespeicher System und Management

Das Batteriesystem einer PV-Anlage kennen und managen Ein Energiespeichersystem für Photovoltaikanlagen besteht neben dem Stromspeicher aus einem Batteriemanagementsystem und der… weiterlesen

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