Wie funktioniert ein Solarstromspeicher?

Das Thema speichern von Solarstrom wird mit sinkender Einspeisevergütung und steigender Strompreise immer interessanter. Der Grund ist einfach. Überschüssiger gespeicherter Solarstrom kann in den einstrahlungsarmen Zeiten oder in den Abendstunden genutzt werden, um die Verbraucher im Haus zu versorgen. Das erhöht die Autarkie und Sie brauchen weniger teuren Netzstrom einkaufen.

Mit der aktuellen Einspeisevergütung und einer Anlage bis 10 kWp bekommen sie pro eingespeister Kilowattstunde 12,30 Cent (Stand 03.2017). Bei einem durchschnittlichen Strompreis von 29,16 Cent/kWh wird deutlich, dass man so wenig Strom wie möglich aus dem Netz beziehen möchte. Das bedeutet jede Kilowattstunde Strom, die sie aus ihrer Photovoltaikanlage mit Stromspeicher entnehmen und nicht aus dem Netz beziehen müssen spart ihnen Geld. Pro Kilowattstunde sind es zwar „nur“ Centbeträge, rechnet man diese jedoch auf das Jahr hoch oder gar auf die 20 Jahre Nutzungsdauer, so haben sie einen beträchtlichen Preisvorteil. Zudem werden Speichersysteme häufig durch KfW Förderprogramme unterstützt. Verringert sich die Einspeisevergütung oder erhöht sich der Strompreis, dann verbessert sich ihre Ersparnis zusätzlich. Ein Speicher kann den Eigenverbrauch erfahrungsgemäß von 30% auf einen Wert von 60% und mehr anheben.

Batterien und Akkumulatoren
Spricht man in Bezug auf Solarstromspeicher von Batterien, so sind stets Akkumulatoren gemeint. Batterien werden geladen zusammengebaut und können dann nur einmal entladen werden. Das kennen wir z.B. von Knopfbatterien in Uhren. Akkumulatoren oder kurz Akkus hingegen können je nach Anwendung in mehreren Tausend Zyklen geladen und entladen werden, bis sie aufgrund von Alterung unbrauchbar werden.

 

Auf dem Markt sind Speicher auf der Basis von Lithium am häufigsten vertreten. Sie haben sich in den letzten Jahren von einer unerprobten, teuren und risikoreichen Alternative zu Bleibatterien, mit Hilfe vieler Forschungen zur marktführenden Technologie entwickelt. So wurden die schon lange durch die Autoindustrie vorhandenen Bleibatterien stückweise verdrängt. Doch wie funktionieren beide Technologien eigentlich?

Aufbau und Funktionsweise eines auf Lithium basierenden Speichers

Bei Lithium basierten Speichern kann man zwischen der Lithium-Ionen und der Lithium-Metall Technologie unterscheiden. Im ersten Bild ist eine Zelle mit Lithium-Ionen zu sehen. Sie besteht aus zwei Ableitern, die aus Stahl, Aluminium oder Kupfer bestehen können. Auf sie werden die Aktivmaterialien aufgebracht. Die positive Elektrode besteht aus einem Lithium-Metall-Oxid. Das kann z.B. Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4) oder Verbindungen mit Kobalt, Nickel und Mangan sein. Die negative Elektrode besteht aus Graphit (C6) oder Titanat (Li4Ti5O12). Beide Elektroden sind von einem Elektrolyten umgeben. Dieser kann je nach Anwendung eine Flüssigkeit oder ein Polymer sein. Der Elektrolyt nimmt nicht an der Reaktion teil, sondern ist nur für den Stofftransport zuständig. Ein Separator trennt beide Elektroden voneinander. Er sorgt zusammen mit dem Elektrolyten für eine elektrische Isolation, ist aber für Teilchen durchlässig. Typischerweise werden Kunststofffolien als Separator verwendet. Die hier gegebenen Abbildungen sind nur Schematische Darstellungen und keines Falls Maßstabsgetreu. In der Realität sind alle Bestandteile extrem dünn und werden in vielen Schichten übereinandergelegt (gerollt) um auf engstem Raum die best möglichen Eigenschaften zu erzielen. Mögliche Bauformen sind Rundzellen oder Presspacks (Schichten werden in quadratische Form gepresst).  In der Regel werden mehrere solcher Zellen in Batterie Packs zusammengeschlossen, um ausreichend hohe Ströme, Spannungen und Energiemengen zu erreichen.

Im entladenen Zustand befinden sich alle Lithium-, Metall- und Sauerstoffteilchen in Form des Lithium-Metall-Oxides an der positiven Elektrode. Durch das Anlegen einer Spannung lösen sich Lithium-Ionen aus und wandern über den Elektrolyten und durch den Separator zur negativen Elektrode. Sie lagern sich dort im Graphitgitter an.  Da Lithium-Ionen positiv geladen sind entsteht eine Ladungsverschiebung und eine Potentialdifferenz zwischen beiden Elektroden baut sich auf. Das Resultat ist das Aufladen des Akkus. Bei der Entladung hingegen lösen sich die Lithium-Ionen aus dem Graphitgitter und wandern freiwillig aufgrund der Potentialdifferenz zurück zur positiven Elektrode. Das Resultat ist ein Stromfluss über die Ableiter um einen Potentialausgleich zu erreichen. Die Reaktionsgleichung dahinter lautet:
stromspeicher-faq-1

Im zweiten Bild ist eine Lithium-Metall Zelle zu sehen. Der Name kommt vom Lithium das nun nicht gebunden in einem Metalloxid, sondern in seiner metallischen Form selbst vorkommt. Damit ergibt sich, dass die negative Elektrode aus metallischem Lithium und die positive Elektrode aus einem Metalloxid oder wieder einem Lithium-Metall-Oxid besteht. Der Restliche Aufbau ähnelt dem der Lithium-Ionen Zelle sehr. Laden und Entladen verlaufen ähnlich der Lithium-Ionen Technologie. Beim Laden lösen sich Lithium-Ionen aus dem metallischen Lithium aus, wandern zur positiven Elektrode und lagern sich im Metalloxid an. Es entsteht eine Potentialdifferenz. Beim Entladen gleicht sich diese wieder aus, Lithium-Ionen wandern zurück zur negativen Elektrode, lagern sich an und es entsteht ein Stromfluss. Die Reaktionsgleichung kann wie folgt lauten:stromspeicher-faq-2

Aufbau und Funktionsweise eines auf Blei basierenden Speichers

Eine Bleibatterie hat nahezu jeder schon mal gesehen. Sie begleiten uns bereits seit Jahrzehnten täglich in unseren Autos. Doch nur wenige wissen was in einer solchen Batterie passiert und wie sie aufgebaut ist. Grundlegend besteht jede Zelle aus zwei Elektroden, die von einer Aktivmasse umgeben sind. Die negative Elektrode (Anode) besteht aus einem Bleigitter das von einem Bleischwamm umgeben ist. Die positive Elektrode (Kathode) besteht aus einem Bleigitter, dass von porösem Bleioxid umgeben ist. Beide Elektroden werden von einem Separator getrennt und sind von einem Elektrolyten umgeben. Der Elektrolyt ist je nach Technologie entweder flüssig oder Gelförmig und besteht aus verdünnter Schwefelsäure (H2SO4, 30% Schwefelsäure und 70% Wasser). Das besondere an Bleibatterien ist, dass der Elektrolyt an der Reaktion teilnimmt.  Umgeben ist die Zelle von einem Säurebeständigen und mechanisch stabilem Kunststoff. Schließlich werden viele dieser Schichten aneinandergereiht und zu Blöcken verschaltet.
Beim Entladen lösen sich an beiden Elektroden Blei-Ionen (Pb2+) aus der Aktivmasse aus. Dabei entstehen überschüssige Elektronen und ein Elektronenfluss setzt ein. Die Blei-Ionen verbinden sich mit gelösten Sulfat-Ionen (SO42-) aus der Schwefelsäure. So entsteht Bleisulfat (PbSO4) an beiden Elektroden (‚‚Doppelsulfattheorie‘‘).  Dieses setzt sich an den Elektroden ab und ihr Volumen steigt an. Gleichzeitig wird aber auch Schwefelsäure verbraucht, weshalb das Volumen des Elektrolyten sinkt. Beim Laden löst sich das Bleisulfat wieder auf, die Sulfat-Ionen verbinden sich mit Wasserstoff zu Schwefelsäure und die Blei-Ionen werden wieder zu Blei bzw. Bleioxid. Die Reaktionsgleichung lautet:

stromspeicher-faq-3

Neben der gewünschten Hauptreaktion laufen auch unerwünschte Nebenreaktionen ab. Wie in der Reaktionsgleichung zu sehen ist, entsteht an der positiven Elektrode Sauerstoff und an der negativen Elektrode Wasserstoff. Diesen Effekt nennt man Gasung, da die entstandenen Nebenprodukte gasförmig aus der Batterie austreten. Das bedeutet im Laufe der Zeit verliert die Batterie immer etwas Wasser, was zu Alterung führen kann. Räume in denen Bleibatterien aufbewahrt werden sollten deshalb gut Durchlüftet werden. Eine Möglichkeit dem entgegen zu wirken sind verschlossene Batterien bei denen die Gase rekombinieren und zurück in den Elektrolyten eingehen. Nachteil ist, dass hohe Drücke in der Batterie entstehen können.
stromspeicher-faq-4

Vergleich der beiden Technologien
Um einen guten Vergleich anstellen zu können ist es wichtig zu wissen welche Parameter an einer Batterie wichtig für den Verbraucher sind. Das erste, dass einem sicherlich in den Sinn kommt ist die Kapazität. Sie beschreibt die Energiemenge, die der Akku bei Vollladung speichern kann. Dabei ist aber zu beachten, dass die Nennkapazität nicht identisch mit der nutzbaren Kapazität ist. Grund dafür ist, dass ein Speicher nicht komplett entladen werden darf. Bleibatterien haben eine Entladetiefe von 50%. Lithium Speicher von 90% und mehr. Die maximale Eingangs- bzw. Ausgangsleistung sagt aus wie schnell der Speicher ge- bzw. entladen werden kann und wie aufwendig darauffolgende Spannungswandlungen sind. Vor allem bei den lithiumbasierten Technologien hat sich dort in den letzten Jahren viel getan. Es wurden Hochvoltspeicher entwickelt, die in einem Spannungsbereich von 400V arbeiten. Der Wirkungsgrad und die Selbstentladerate sagen etwas über die Effizienz des Gerätes aus. Auch hier sind Lithiumspeicher im Vorteil. Gibt es Platzmangel oder eine empfindliche Statik so kann auch die Energiedichte von Wichtigkeit sein. Sie gibt an wie viel Energie ein Speicher pro kg Gewicht enthält. So hat ein 5 kWh Blei Speicher andere Maße und ein höheres Gewicht als ein 5 kWh Lithium Speicher.  Ein wichtiger Faktor für die Lebensdauer ist die Zyklenzahl. Ein Zyklus ist dabei zunächst die Vollladung des Akkus und anschließend die Entladung. Die Zyklenzahl wird dabei bis zu dem Punkt gezählt, bis die Batterie 20% ihrer Kapazität auf Grund von Alterung verloren hat. Durch geringfügige Alterung bei jedem Zyklus kann es auf Dauer(Jahrzehnte) zu Kapazitätsverlusten oder sogar zu Defekten in der Batterie kommen. Bleibatterien haben dabei nur einen Bruchteil der Zyklenfestigkeit verglichen mit Lithiumakkus.

Zusammenfassend kann man sagen, dass Lithium Speicher im Laufe der Jahre bei den elektrischen Eigenschaften Bleibatterien immer mehr abhängen konnten. Entladetiefe, Wirkungsgrad, Zyklenlebensdauer und Energiedichte sind bei Lithium Speichern besser. Bleibatterien hingegen können mit langjähriger Erfahrung, einem sehr robustem Design und einfacher Recyclebarkeit punkten. Möchten sie herausfinden welcher Speicher am besten zu ihnen und ihrem System passt, dann stellen sie eine kostenlose Planungsanfrage an uns.   

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