PV-Anlage: Speichertechnik / 2 Batteriespeicher

Batteriespeichersysteme für PV-Anlagen bestehen aus dem Speichermedium (Batterie), einem Batteriemanagementsystem, Elektronik zur Anbindung an das Internet und für das Monitoring sowie bei AC-Systemen zusätzlich einem eigenen Wechselrichter.

Auf dem Markt gibt es verschiedene technische Lösungen für die Speicherung, von denen aber nur die Lithium-Ionen-Batterien von praktischer Bedeutung sind. Die noch vor Jahren häufiger eingesetzten Bleibatterien, die Redox-Flow-Batterie und die sogenannte Salzwasserbatterie haben deutlich mehr Nachteile als Vorteile und sind vom Markt weitestgehend verschwunden beziehungsweise wurden vom Hersteller zurückgezogen.

Die Vorteile der Lithium-Ionen-Batterien sind vor allem der hohe Wirkungsgrad, die hohe Energiedichte und die vergleichsweise lange Lebensdauer auch bei intensiver Nutzung. Lithium-Batteriespeicher lassen sich weitgehend wartungsfrei betreiben. Die Geräte werden in der Regel mit dem Internet verbunden und lassen sich so komfortabel per Smartphone-App überwachen.

Laut dem Klima- und Energiefonds liegt die Lebensdauer eines Lithium-Ionen-Akkus bei mindestens 10 Jahren beziehungsweise rund 4.000 Ladezyklen. Da es sich bei dieser Bezeichnung aber um einen Sammelbegriff für eine Vielzahl möglicher Materialkombinationen für Anode, Kathode und Separator handelt, ist diese Aussage wenig hilfreich. Die Batterien werden in verschiedenen Varianten angeboten, die gängigsten sind dabei:

• Lithium-Kobald-Oxid (LCO): relativ kurze Lebensdauer von 500 bis 1.000 Zyklen, aber hohe Energiedichte;
• Lithium-Mangan-Oxid-Spinell (LMS, LMO): höhere Zellspannung, geringere Energiedichte, Lebensdauer von 1.500 bis 2.000 Zyklen;
• Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan (NMC, NCM): hohe Energiedichte, Lebensdauer von über 2.000 Zyklen;
• Lithium-Eisen-Phosphat (LFP): niedrigere Energiedichte, sehr lange Lebensdauer von 2.500 bis 5.000 Zyklen.

Lithium-Ionen-Batteriesysteme

Die Technik der Lithium-Ionen-Akkus hat sich in den vergangenen Jahren bei Hausspeichern für PV-Anlagen durchgesetzt. Durch die steigenden Produktionszahlen und die ständige technische Weiterentwicklung sanken in den letzten Jahren auch die Preise.

In der neuesten Ausgabe ihres Stromspeichertests nahm die Hochschule für Technik und Wirtschaft HTW Berlin^[1] nicht nur Lithium-Ionen-Batteriesysteme unter die Lupe. Erstmals analysierte sie zusammen mit dem Karlsruher Institut für Technologie KIT auch sogenannte Salzwasser- und Hochtemperaturbatterien. Das Fazit: In puncto Energieeffizienz sind Lithium-Ionen-Batterien den alternativen Batterietechnologien derzeit noch deutlich überlegen. In Natrium-Ionen- und Natrium-Nickelchlorid-Batterien treten im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien noch deutlich höhere Verluste auf. Die Labortests belegen, dass die Speicherverluste der Natrium-Nickelchlorid-Batterien um das Siebenfache höher sind als die der Lithium-Ionen-Batterien.

Hinweis

Standort ist entscheidend für die Lebensdauer

Nach einer Studie des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung Baden-Württemberg konnten unter Laborbedingungen bis zu 10.000 Ladezyklen erreicht werden. Der wichtigste Faktor für eine lange Lebensdauer ist dabei die Betriebsweise. Batteriespeicher sollten in einem Temperaturbereich zwischen 5 und 30 °C betrieben werden. Dauerhaft hohe oder niedrige Temperaturen beeinflussen nicht nur die Leistungsfähigkeit eines Speichersystems negativ, sondern können auch zu einer deutlich verkürzten Lebensdauer des Geräts führen. Auch besonders hohe Luftfeuchtigkeit (ab 80 %) wirkt sich negativ auf die Kontaktsicherheit und Lebensdauer von Solarstromspeicher-Systemen aus. Neben der Temperatur beeinflusst auch die Luftqualität die Lebensdauer. Standorte mit einer hohen Staubbelastung sind generell ungeeignet. Deshalb sind die Batterien in einem trockenen Kellerraum am besten aufgehoben. Auch die Entladetiefe und die Vollladezeiten spielen eine erhebliche Rolle. Ideal ist, wenn die Batterie an einem sonnigen Tag bis zum Nachmittag volllädt, damit anschließend die Entladung durch den Stromverbrauch des Abends beginnt. Bis zum folgenden Morgen sollte die Batterie wieder größtenteils entladen sein.

Während Solarmodule länger als 20 bis 30 Jahre sehr gute Leistung bringen können, haben Batteriespeicher eine erwartete Lebensdauer von nur 10 bis 15 Jahren, denn in den Batteriezellen finden chemische Prozesse statt, die zu einer Alterung der Materialien führen. Dies führt in einem sich beschleunigenden Prozess zu einer sinkenden Speicherkapazität. Eine Batterie altert am Anfang also langsam, später aber schneller. Ein Stromspeicher gilt in der Regel dann als verbraucht, wenn seine Leistung nur noch bei 80 % der eigentlichen Speicherkapazität liegt. Ab dann beginnt die Leistung zunehmend stärker zu sinken, bis der Akku irgendwann kaputt geht.

Umweltbilanz des Speichers

Ein Stromspeicher verursacht nur während seiner Herstellung CO2-Emissionen. Das Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg schätzt, dass die Produktion von 1 kWh (Kilowa...