Für möglichst langen Betrieb

Das Smartphone gehört für viele Menschen zur täglichen Routine. Wird das rechtzeitige Laden des Akkus vergessen, schlägt das Telefon Alarm. Findet sich dann keine Möglichkeit, es irgendwo aufzuladen, wird der Bildschirm bald darauf schwarz. Die von vielen Handynutzern als recht kurz empfundene Laufzeit der Akkus mag ein Grund dafür sein, dass Kunden auch die Lebensdauer von stationären Batteriespeichern in Frage stellen. Als wesentliche Ablehnungsgründe beim Kauf solcher Speicher gelten Bedenken gegen die technologische Reife und die Langlebigkeit.

Dabei sind die Anforderungen an mobile und stationäre Speichersysteme wie Solarbatterien grundsätzlich verschieden. Stationäre Speicher verfügen über Eigenschaften, die die Lebensdauer der verwendeten Batterien deutlich verlängern. Neben der chemischen Zusammensetzung der Akkus, die sich in der Regel von Akkus aus der Konsumelektronik unterscheidet, spielt das Batteriemanagementsystem (BMS) eine entscheidende Rolle. Es ist deutlich komplexer und genauer als das BMS eines Konsumgerätes, das aufgrund seines kurzen Produktzyklus nicht auf die maximale Lebensdauer ausgelegt ist.

Außerdem werden in einem Stromspeicher viel größere Energiemengen bewegt, was einen anderen Umgang mit den Akkus erfordert. Hinzu kommen Faktoren wie die Umgebungsbedingungen und die Nutzung, die sich von der Konsumelektronik unterscheiden.

Nicht alle Lithiumakkus sind gleich

Lithium-Ionen-Akku ist der Oberbegriff für eine ganze Reihe verschiedener Akkutypen. Sie unterscheiden sich deutlich in ihrer chemischen Zusammensetzung, was sich selbstverständlich auch auf ihre Eigenschaften auswirkt.

In Mobilgeräten wie Smartphones oder Notebooks werden zum Beispiel häufig Lithium-Kobalt-Akkus verwendet, da sie eine sehr hohe Energiedichte aufweisen, also besonders viel Energie auf geringem Raum speichern können. Lithium-Kobalt-Akkus haben jedoch den Nachteil, dass sie sich bei Überspannung, Tiefenentladung, Kurzschluss oder mechanischer Einwirkung von selbst entzünden und unter Sauerstoffabschluss abbrennen können. Diesen Vorgang nennt man thermisches Durchgehen (Thermal Runaway Effect). Daher wurde die Sicherheitselektronik in den letzten Jahren deutlich verbessert. Bei den Millionen Stückzahlen von Konsumgeräten ist es jedoch unvermeidlich, dass immer wieder einzelne Zwischenfälle auftreten.

Umwelt wirkt auf die Zellen ein

Bei anderen Anwendungen ist eine maximale Energiedichte nicht so sehr von Bedeutung, sondern eher die Sicherheit und die Lebensdauer. Eine besonders stabile und sichere Verbindung ist das Lithium-Eisenphosphat. Experten sprechen der Verbindung eine besonders gute Eignung für die Anwendung als Solarstromspeicher zu, denn Lithium-Eisenphosphat-Batteriezellen gelten im Vergleich zu anderen Batteriematerialien als sehr langlebig und sicher.

Lithium-Eisenphosphat ist ein Mineral, das in der Natur vorkommt. Es ist chemisch sehr stabil und wurde 1997 erstmals als Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Akkus eingesetzt. Bei einigen Anwendungen machte das Material bald die zuvor häufig eingesetzte Lithium-Kobalt-Kathode überflüssig. Seit ihrer Entdeckung findet die Verbindung steigenden Anklang im Markt für Energiespeicher. Nachdem solche Lithium-Eisenphosphat-Akkus bei verschiedenen mobilen Speichern für Nutzfahrzeuge zum Einsatz kamen, bieten Hersteller seit einigen Jahren auch stationäre Speicher auf Basis dieser chemischen Verbindung an.

Neben den chemischen Eigenschaften des Materials spielen auch die Umwelteinflüsse auf die Batterien eine wichtige Rolle. Dazu gehören die Umgebungstemperaturen oder Vibrationen. Stromspeicher auf Basis von Lithium-Eisenphosphat sind entsprechend robust, denn ihre stabile Zellchemie begünstigt eine lange Betriebsdauer. Darüber hinaus minimiert ihr stationärer Einsatz mögliche negative Faktoren, wie hohe Temperaturspitzen oder durch Bewegung verursachte Schwingungen.

Nicht zuletzt ermöglichen neue intelligente Verfahren, die Alterung des Systems zu verlangsamen. Jeder Akku altert, was stark vom Umgang mit ihm abhängt. Typische Alterungsmechanismen von Lithium-Ionen-Akkus ergeben sich zum Beispiel aus den Nebenreaktionen von Lithium-Ionen sowie der Aktivschichten mit dem Elektrolyten oder die Ablösung von Aktivmaterial der Elektroden. Dadurch steigt der Innenwiderstand, die Kapazität der Batteriezelle sinkt. Durch schonende Ladeverfahren, die richtige Entladetiefe und die Überwachung der Temperatur wird die Lebensdauer solcher Akkus deutlich erhöht.

Tiefe Minusgrade sind schädlich

Auch die Umgebungstemperatur der Batterie ist ein wichtiger Faktor, der die Alterung des Systems beeinflusst. Während mobile Anwendungen zum Teil starken Temperaturschwankungen trotzen müssen, sind Photovoltaikspeicher in der Regel fest in Gebäuden installiert und für die dort herrschenden Temperaturen spezifiziert. Ungeschützt bewirken tiefe Minusgrade einen Verlust der Leistung der Batterien. Werden Lithium-Ionen-Akkus unter null Grad Celsius geladen, treten irreversible Schäden auf. Temperaturen von über 40 Grad Celsius führen wiederum zu schleichendem Kapazitätsverlust, da die Alterungsprozesse schneller ablaufen.

Praktische Erfahrungen verschiedener Zellhersteller zeigen, dass die optimale Betriebstemperatur zwischen 5 und 30 Grad Celsius liegt.

Da es aufgrund der niedrigen C-Raten beim Laden und Entladen kaum zu einer zusätzlichen Wärmeentwicklung kommt, unterscheiden sich die Außentemperaturen kaum von den Temperaturen an den Batteriezellen. Damit sichergestellt ist, dass diese Temperaturen weder über- noch unterschritten werden, machen die Hersteller genaue Vorgaben für die Temperatur sowie die Luftfeuchtigkeit am Aufstellungsort.

Fest am Platz

Ein weiterer Faktor, der sich positiv auf die Langlebigkeit von Stromspeichern auswirkt, ist das Ausbleiben von kapazitätsmindernden Effekten durch Vibration während des Betriebs. Wenn Elektrofahrzeuge über Straßen rollen, Lokomotiven über Schienen brettern und Flugzeuge bei der Landung hart aufsetzen, gehen diese Erschütterungen nicht spurlos an den Batteriesystemen vorüber. Stromspeicher stehen hingegen fest an ihrem Platz und können dauerhaft ihr volles Potenzial ausschöpfen.

Eine besondere Rolle spielt die Höhe des Lade- und Entladestroms. Vereinfacht könnte man sagen: Je höher der Lade- und Entladestrom, desto niedriger ist die Lebensdauer des Akkus. Dieser Strom wird in der Regel mit der C-Rate angegeben. C-Raten geben maximalen Lade- und Entladestrom des Akkus in Bezug auf seine Kapazität an. Bei mobilen Anwendungen wie in Elektrofahrzeugen können sehr hohe Raten von über 10 C auftreten, da die Fahrzeuge beschleunigen oder Anstiege bewältigen müssen. Bei stationären Speichern ermöglichen Raten zwischen 0,1 C und 0,5 C, die Systeme über Jahrzehnte zu betreiben und die Leistungsfähigkeit fast völlig zu erhalten.

Ein weiterer zellchemischer Einflussfaktor ist die mögliche Entladetiefe eines Systems. Hier hängen Lithium-Ionen-Speicher die momentan noch dominierende Bleitechnologie deutlich ab. Bleibatterien weisen in der Regel eine nutzbare Entladetiefe von 50 Prozent auf. Das heißt, dass sich nur die Hälfte ihrer Kapazität nutzen lässt. Lithium-Batteriespeicher erzielen deutlich höhere Werte, ohne Schaden zu nehmen. Mit Entladetiefen von über 80 Prozent erhöht sich die tatsächlich nutzbare Speicherkapazität.

Auch hinsichtlich des Wirkungsgrades sind Lithiumbatterien den Bleisystemen deutlich überlegen. Während letztere maximal 70 bis 80 Prozent Wirkungsgrad erreichen, erzielen die konkurrierenden Lithiumsysteme weit über 90 Prozent. Das bedeutet, dass bei Lithiumsystemen 20 Prozent weniger der vorher gespeicherten Energie verloren geht.

Die Rolle des BMS

Jeder Akku kann chemisch noch so stabil sein. Ohne Batteriemanagementsystem (BMS) ist eine lange Lebensdauer nicht möglich. Das BMS könnte man als das Gehirn der Batterie bezeichnen, das alle Vorgänge innerhalb der Zellen und zwischen ihnen erkennt und steuert. Die meisten Hersteller von Stromspeichern haben ihr eigenes BMS entwickelt, das auf die spezielle Akkutechnik zugeschnitten ist.

Grundlegend muss ein BMS zuallererst das Überladen und das Tiefentladen der Batteriezellen verhindern, da dies bei Lithium-Ionen-Akkus schwerwiegende Folgen hat. Eine weitere Aufgabe des BMS ist es, die Entladetiefe so zu begrenzen, wie es vorgegeben ist, und die Zelldrift zu verhindern. Unter Zelldrift versteht man die Ladungsunterschiede zwischen den einzelnen Zellen, die durch minimale Unterschiede des Innenwiderstands der Zellen verursacht und mit der Zeit immer größer werden (Mismatch). Um diesem Effekt gegenzusteuern und die Ladungen auf gleichem Niveau zu halten, werden die Zellen ausbalanciert (Cell-Balancing). Das verlängert die Lebensdauer entscheidend.

Für das Cell-Balancing nutzt die Firma Sonnenbatterie ein selbstentwickeltes und patentiertes Verfahren: Mithilfe einer kabellosen Infrarot-Kommunikation des BMS zwischen den Batteriezellen werden Spannungsunterschiede erkannt und auf ein optimales Spannungsverhältnis geregelt.

Außerdem werden die Zellen schon während der Herstellung sortiert, nach ihren Innenwiderständen gebündelt und entsprechend angeordnet. Somit ist der Unterschied zwischen den Innenwiderständen der Zellen innerhalb eines Akkupacks von Anfang an minimal.

Die Tests in der Praxis

In der Praxis durchgeführte Langzeittests der Sonnenbatterie belegen die lange Nutzungsdauer von Lithium-Eisenphosphat-Akkus. Grundsätzlich haben die verwendeten Batteriezellen bei der Werksauslieferung eine höhere reelle Kapazität als die ausgezeichnete Nutzkapazität. Bei der Sonnenbatterie laufen verschiedene Langzeittests mit unterschiedlichen Nutzprofilen.

Das derzeit am längsten getestete System läuft bereits seit 2010 und wird durch eine spezielle Software mehrmals am Tag geladen und entladen. Mit diesem Test wurde eine Lebensdauer von rund 13 Jahren praktisch simuliert.

In diesem Zeitraum weist die Kapazität der Sonnenbatterie eine Reduzierung von rund zehn Prozent auf. Momentan gibt Sonnenbatterie eine Lebensdauer von 5.000 Ladezyklen für ihre Speichersysteme an, was bei rund 250 Sonnentagen 20 Jahren entspricht.

5.000 Ladezyklen sind realistisch

Die momentanen Langzeit-Testergebnisse zeigen, dass diese 5.000 Ladezyklen ein realistischer Wert sind. Vom Ende der Lebensdauer einer Batterie spricht man übrigens, wenn weniger als 80 Prozent der ursprünglichen Kapazität im Akku vorhanden sind. Es ist also nicht so, dass die Batterie am Ende ihrer Lebensdauer plötzlich kaputt ist und gar nicht mehr funktioniert. Es steht lediglich weniger Kapazität zur Verfügung.

Besitzer eines stationären Speichersystems können also sicher sein, dass sie über viele Jahre ihre elektrischen Geräte mithilfe des gespeicherten Stroms unabhängiger betreiben können. Lediglich an das regelmäßige Laden ihres Smartphones müssen sie vorerst weiter selbst denken.

Pionier bei Solarakkus

Derzeit existieren in Deutschland mehrere Anbieter von Speichersystemen für die Photovoltaik, die auf die Lithium-Eisenphosphat-Technologie setzen. Zu ihnen zählt die Allgäuer Firma Sonnenbatterie GmbH, die seit 2008 solche Speicher entwickelt. Im Jahr 2010 wurden die ersten Systeme in Einfamilienhäusern installiert.

https://sonnen.de/

http://www.bosch-power-tec.com

Lithium-Kobalt-Akkus bestehen aufwendige Alterungstests

Auch die Hybridwechselrichter von Bosch arbeiten mit Lithium-Ionen-Batterien. Der BPT-S 5 Hybrid von Bosch verwendet Lithium-Kobalt-Aluminium-Zellen (NCA) des französischen Lieferanten Saft. Am Institut für Stromrichtertechnik (Isea), an der RWTH in Aachen und am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) wurden diese Akkus getestet. Das Ergebnis: Die Zellen sind langlebig und während der Betriebsdauer wartungsfrei. Zudem müssen die Batterien nicht vorfristig ausgetauscht werden, weil sie ihre Kapazität nicht mehr erreichen.

Während der Tests waren die Batterien extremen Belastungen ausgesetzt. So wurden über einen Zeitraum von fünf Jahren bei einer Entladetiefe von 60 Prozent mehr als 10.000 äquivalente Vollzyklen erreicht. In kalendarischen Alterungstests wiesen die Batteriezellen bei 25 Grad Celsius selbst nach vier Jahren keine signifikanten Alterungserscheinungen auf.

Bei einem Test wurden die Zellen auf 55 Grad Celsius erwärmt. Dabei verloren sie in vier Jahren rund zehn Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität. „Diese Zelltypen können eine kalendarische Lebensdauer von bis zu 36 Jahren erreichen“, urteilt Ghada Merei, Forscherin am Isea. (hs)

Entladetiefe

Diese Größe gibt an, wie viel Prozent des gespeicherten Stroms entnommen werden können, ohne dass die Batterie beschädigt wird. Der Hintergrund ist, dass eine zu starke Entladung die Kapazität der Batterie dauerhaft mindert. Diese sogenannte Tiefenentladung ist von der genutzten Technologie abhängig.

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad gibt das Verhältnis zwischen der abrufbaren Energie einer geladenen Batterie und der zuvor zugeführten Energie in Prozent an. Die Speicherung und Entladung der Energie ist in der Regel mit Verlusten verbunden, sodass der Wirkungsgrad unter 100 Prozent liegt. Die Hauptursache für die Verluste ist der elektrische Innenwiderstand der Batteriezellen beim Laden und Entladen.

Zyklenzahl und kalendarische Lebensdauer

Die erreichbare Zyklenzahl bezieht sich auf volle Lade- und Entladezyklen. Sie drückt aus, wie oft ein System insgesamt be- und entladen werden kann. Die kalendarische Lebensdauer wiederum gibt an, nach welcher Dauer noch mindestens 80 Prozent der ursprünglichen Kapazität verfügbar sind, wenn die vorgesehene Zyklenzahl nicht schon überschritten ist.

Daniel Pohl

hat viele Jahre als Redakteur für unterschiedliche Fach- und Publikumsmedien gearbeitet. Derzeit leitet er die Unternehmenskommunikation des Bonner Marktforschers EuPD Research und veröffentlicht zahlreiche Fachartikel und Autorenbeiträge zum Thema erneuerbare Energien.