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Batteriemanagement

Autarke Stromspeicher

22. August 2014, 11:47 Uhr | Von Gernot Hehn

Die Energiewende kommt. Photovoltaik und Windkraftanlagen sind bezahlbar geworden und daher auch für Otto Normalverbraucher attraktiv. Im Vergleich zum öffentlichen Netz haben sie jedoch einen Nachteil: Sie sind nicht zu jeder Zeit verfügbar – der Wind weht, wann er will, und die Sonne scheint nicht in der Nacht. Autarke Stromspeicher bieten Unabhängigkeit.

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Ob man fern des öffentlichen Stromnetzes in einer Gegend mit instabilem Netz wohnt, unabhängig von den großen Stromlieferanten werden oder gar ganz stromautark leben möchte – es gibt viele Gründe für einen Stromspeicher, der vom öffentlichen Netz unabhängig ist. 99 % der Stromspeicherung im öffentlichen Netz wird mit Pumpspeicherkraftwerken realisiert. Sie haben einen Wirkungsgrad von 80 % und verfügen praktisch über eine unbegrenzte Speicherkapazität – sofern ein hinreichend großer See zur Verfügung steht. Otto Normalverbraucher hat keinen Speichersee, sondern muss auf andere Stromspeicher zurückgreifen.

Seit Langem setzt man Bleiakkus in Batterie-Speichersystemen für Erneuerbare Energien ein. Sie sind preisgünstig, bieten reichlich Kapazität und sind fast überall zu kaufen. Allerdings sind sie schwer, sperrig und etwa so attraktiv wie ein nasser Pappkarton. Ihr Nachteil ist, dass sie mit jedem Ladezyklus altern und per se nicht besonders alt werden. In der Regel weisen sie nach 500 Ladezyklen noch 80 % ihrer Nennkapazität auf. Das ist wichtig, weil Stromerzeugung und Strombedarf in solchen Systemen nicht deckungsgleich sind. In einem richtig ausgelegten Photovoltaik-System übersteigt im Durchschnitt die Stromproduktion über den Tag hinweg den Strombedarf. Hinzu kommt, dass Sonnenenergie langsam und stetig Strom liefert, wohingegen der Nutzer gern kurzzeitig hohe Ströme entnehmen will, z.B. beim Kochen und Waschen. Ein solches Stromentnahmeprofil trifft alle Akkus, aber unterschiedliche Akkutypen kommen mit Ladezyklen unterschiedlich gut zurecht.

Mit all den leistungsfähigen Mobilgeräten um uns herum (Smartphone, Tablets usw.) und dem Aufkommen von Elektroautos sind Lithiumakkus heute in aller Munde. Zwar hat Sony solche Akkus bereits in den 1990ern auf den Markt gebracht, aber erst in den letzten Jahren sind die Preise deutlich gesunken. Auch gibt es nun Elektronik zur Ladesteuerung und Überwachung, so dass solche Akkus auch als Speicherbatterie für autarke Netze eingesetzt werden können.

Lithiumakku – ein Sammelbegriff

Zuerst einmal ist wichtig, dass es „den“ Lithiumakku überhaupt nicht gibt. Lithiumakku ist ein Sammelbegriff für Akkuzellen mit verschiedener Zellchemie, die ständig weiterentwickelt wird. Typischerweise bezieht sich der genaue Name auf den chemischen Aufbau der Kathode. Die verschiedenen Zellchemien der einzelnen Akkutypen weisen alle spezielle Stärken und Schwächen auf: Manche Typen sind für den Aufbau einer Speicherbatterie besser geeignet als andere (Tabelle).

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Der günstigste Kandidat für eine Speicherbatterie ist die Lithium-Eisen-Phosphat-Zelle (LiFePO4 oder LFP), und zwar aus folgenden Gründen:

Lebensdauer: Die Lebensdauer einer Speicherbatterie hängt zwar wesentlich von der zyklischen Entladungstiefe und der Behandlung ab, die man den Zellen angedeihen lässt, aber auch von der Zellenchemie. Ein korrekt behandelter Bleiakku hält im täglichen Gebrauch etwa fünf Jahre, während ein LFP-Akku etwa zehn Jahre (mehr Ladezyklen) hält.
Lade- und Entladestrom: LFP-Zellen halten sowohl beim Laden als auch beim Entladen erheblich höheren Strömen als entsprechende Bleiakkus stand. In der Praxis spielt das für den genannten Zweck aber keine Rolle. Hauptdesignziel einer Speicherbatterie für ein autarkes System ist eine möglichst lange Autonomiezeit, was wiederum im Vergleich zur Größe der Batterie relativ kleine Ströme bedeutet.
Ladeeffizienz und Selbstentladung: Die Selbstentladung von LFP-Zellen beträgt nur ein Drittel bis ein Fünftel der Selbstentladung von Bleizellen. Das bedeutet: Sie verschwenden deutlich weniger der gespeicherten Energie. Gerade bei Systemen mit langer Autonomiezeit spielt das eine Rolle. Auch beträgt der Ladewirkungsgrad von LFP-Zellen etwa 99 % im Vergleich zu den etwa 90 % bei Bleizellen.
Wartung: Bei nassen Blei-Säure-Zellen muss dauernd Wasser nachgefüllt werden, wohingegen LFP-Zellen praktisch wartungsfrei sind. Ein spezielles Batteriemanagement ist bei letzteren aber unabdingbar.
Platzbedarf und Gewicht: LFP-Zellen sind 25 % kleiner und wiegen nur ein Drittel so viel wie Bleibatterien.
Tiefe Temperaturen und Anschaffungskosten: Der Temperaturbereich von LFP-Zellen reicht nicht so weit hinunter wie der von Bleibatterien. Zumindest beim Laden brauchen sie Temperaturen oberhalb des Gefrierpunkts. Kellertemperatur reicht aber. Zudem kostet eine LFP-Batterie etwa doppelt so viel wie eine Bleibatterie. Die höheren Investitionskosten amortisieren sich jedoch über die Laufzeit. Mit steigender Elektromobilität werden sich die Stückzahlen in den nächsten Jahren vervielfachen und die Preise sinken.