Speichern von Solarenergie im Haus

• Einleitung
• Energiespeichertechnik für Solaranlagen
  • Wie funktioniert eine Batterie/Akku
  • Detaillierter Aufbau
  • Leistungselektronik/Ladeelektronik
  • Fachbegriffe und Kennzahlen
  • Klassifizierung
  • Vor- und Nachteile
  • Einsatz
  • Dimensionierung

Von Froschschenkeln zu Batterien - Wie funktioniert eine Batterie?

Das Funktionsprinzip der Batterie basiert auf der galvanischen Zelle und den dazugehörigen chemischen Reaktionen. Mit Hilfe einer Kathode, einer Anode, einem Separator und einem Elektrolyt können Elektronen und Ionen voneinander getrennt werden, sodass durch die Ladungstrennung eine nutzbare elektrische Spannung entsteht. Beim Laden wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt, während beim Entladeprozesses das genaue Gegenteil passiert.

Anode, Elektrolyt und galvanische Zelle? Diese Begriffe scheinen erstmal abstrakt und fremd. Bei manchen wecken diese Begriffe vielleicht Erinnerungen an den Chemieunterricht in der Schulzeit. Um Licht ins Dunkel zu bringen, soll in diesem Kapitel die Funktionsweise einer Batterie einfach und kompakt erklärt werden.

Ein bisschen Geschichte

Luigi Galvani war ein italienischer Arzt und neugieriger Wissenschaftler im 18. Jahrhundert. Während eines Experiments zur Untersuchung von Froschschenkel-Muskeln entdeckte er einen Zusammenhang zwischen geschichteten Metallen und dem Zusammenzucken der Froschschenkel. Als Galvani die Muskeln ausversehen mit einer Messingstange an ein Metallgitter stieß, zuckten diese zusammen. Ihm war klar, dass hier die Elektrizität eine Rolle gespielt hat, aber was genau in diesem Moment passierte, wurde erst einige Jahre später festgestellt.

Der italienische Physiker Alessandro Volta erkannte auf Basis der Entdeckung von Galvani, dass mit Hilfe von zwei verschiedenen Metallscheiben und einer in Salzwasser getränkten Lederscheibe dazwischen elektrische Spannung erzeugt werden kann. Volta stapelte zuerst eine Zinkscheibe, dann eine feuchte Lederscheibe und anschließend eine Silberscheibe übereinander. Dies wiederholte er mehrere Male und erschuf die Volta-Säule. Diese wird in der Wissenschaft auch als erste technisch anwendbare Batterie bezeichnet, weil für die damalige Zeit relativ hohe Spannungen erzeugt werden konnten.

Zu Ehren dieser wissenschaftlichen Entdeckungen wurde die physikalische Einheit der Spannung (Volt) nach Volta benannt, während die Kombination aus Zink-, Silber- und Lederscheiben zu Ehren Galvanis als Galvanische Zelle bezeichnet wird. Die Galvanische Zelle bildet die Basis für alle modernen Batteriezellen bzw. Batterien.

Grundlagen zur Batterie

Was hat die Kombination aus Silber, Zink und salzgetränkten Leder auf sich ? Um das zu beantworten, müssen zuerst ein paar grundlegende Begriffe und Konzepte erklärt werden.

Die Elektronenabgabe- und Aufnahmefähigkeit von Metallen ist der Grundbaustein, um die Funktionsweise einer Batterie zu beschreiben. In der Chemie wird zwischen edlen und unedlen Metallen unterschieden. Edle Metalle rosten nicht und reagieren wenig bis gar nicht mit anderen chemischen Stoffen. Diese Metalle behalten ihre Elektronen und können weitere aufnehmen. Unedle Metalle sind im Gegenteil sehr reaktionsfreudig, rosten und verbinden sich gerne mit anderen Stoffen. Solche Metalle geben ihre Elektronen ab. Bei den Versuchen von Galvani und für die Volta-Säule kamen deswegen Zinkscheiben, die unedel sind, und Silberscheiben, die edel sind, zum Einsatz.

In der Batterietechnik werden unedle Metalle auch als Anode und edle Metalle als Kathode bezeichnet. Allgemein werden diese Metallkomponenten Elektroden genannt. Zur Vereinfachung kann angenommen werden, dass die Anode die negative Elektrode (Minuspol) und die Kathode die positive Elektrode (Pluspol) darstellt.

Es bleibt noch die fragwürdige salzgetränkte Lederscheibe übrig. Diese stellt die ersten Prototypen des Elektrolyten und des Separators dar. Ein Elektrolyt ist eine Flüssigkeit, die mit Hilfe von geladenen Teilchen elektrischen Strom leiten kann. Im wissenschaftlichen Kontext werden diese geladenen Teilchen Ionen genannt. Ein Ion ist ein Atom mit einem Elektronenüberschuss oder -mangel, also ein negativ oder positiv geladenes Atom. Der Separator trennt oder separiert die Anode von der Kathode. In diesem Zusammenhang lässt sich nicht ganz von einem „Trennen“ sprechen, da der Separator keine Elektronen, dafür jedoch Ionen durchlässt.

Funktionsprinzip im Detail - Entlade- und Ladeprozess

Nachdem alle notwendigen Begriffe erklärt wurden, soll anhand von Abbildung 1 das Funktionsprinzip einer Batteriezelle im Detail beschrieben werden. Zuerst wird der Entladeprozess und im Anschluss der Ladeprozess behandelt.

Die Zelle setzt sich aus einer Anode, einer Kathode, einem Elektrolyten und einem Separator zusammen. Die Kathode und Anode sind durch ein leitfähiges Material elektrisch verbunden, während die Elektroden vom Elektrolyten umgeben sind. Der Separator trennt die beiden Elektroden in ihrem Elektrolyt-Bad.

Die Anode ist unedel und hat deswegen den Drang, mit anderen Stoffen zu reagieren. Infolgedessen gibt die Anode Elektronen ab, welche sich durch das Kabel zur edlen Kathode bewegen (1). Aufgrund des Elektronenmangels in den Metallatomen der Anode bilden sich positiv geladene Ionen, die zu den “verlorenen” Elektronen zurück wollen und sich daher im Elektrolyt lösen (2). Die Ionen gelangen über den Elektrolyt zum Separator und durchdringen diesen, um wiederum über den Elektrolyten dahinter zur Kathode zu gelangen (2).  Somit ergeben sich zwei separate Ströme: Der Elektronenstrom, welcher sich durch das elektrische Kabel zur Kathode bewegt und der Ionenstrom, welcher sich durch den Elektrolyt und den Separator bewegt (3 und 4). Das bedeutet, dass die Ladungen erfolgreich getrennt wurden. In der Kathode werden die freien Elektronen und die freien Ionen der Anode wieder vereint und eingelagert (5). Um den Elektronenstrom zu nutzen, kann ein elektrischer Verbraucher, wie beispielsweise ein Handyakku oder eine LED, zwischengeschaltet werden (6). Letztendlich handelt es sich bei dem Elektronenstrom um Gleichstrom, der vielfältig einsetzbar ist. Somit wurde erfolgreich chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt.

Beim Ladevorgang (siehe Abb. 2) wird vom Ladegerät eine entgegengesetzte Spannung an die Batteriezelle angelegt. Dadurch wird der zuvor beschriebene Ladeprozess umgekehrt. Die Atome in der Kathode “verlieren” ihre Elektronen, welche sich auf den Weg zur Anode begeben (1). Gleichzeitig lösen sich die Ionen aus dem Kathodenmaterial und bewegen sich durch den Elektrolyt und den Separator zur Anode. Es entsteht wieder ein Elektronenstrom und ein getrennter Ionenstrom (4 und 5).  In der Anode werden die Ionen und Elektronen wieder eingelagert, welche durch den Entladevorgang verbraucht wurden (6).

2.2 Sonnenstunden zu Kilowattstunden: Was macht die Batterie eigentlich in einer Solaranlage?

Solaranlagen sind neben Windrädern das Sinnbild für nachhaltige Energieerzeugung. Sie sind kompakt, leise, leistungsstark, emissionsarm und allgemein vielfältig einsetzbar. Einen großen Nachteil haben sie jedoch: Die Abhängigkeit vom Wetter. Wenn die Sonne von Wolken bedeckt ist, die Tage kurz sind oder Schneestürme die Solarmodule zu schneien, wird wenig bis kein nutzbarer Solarstrom erzeugt.

Der Batterietechnik sei Dank gibt es aber auch dafür eine Lösung. Mit Hilfe von modernen Batterien können Zeiten mit ungenügender oder keiner Solarstromerzeugung überbrückt werden.  Durch Zwischenschalten einer Batterie mit ausreichender Ladekapazität und einer passenden Ladeelektronik kann ein Strompuffer aufgebaut werden. Dieser sorgt auch bei dunklen kurzen Tagen für genügend Strom im Haus. Das Laden der Batterie findet während den sonnigen Tagen und Tagesabschnitten statt. Wie in Abbildung 3 zu sehen ist, wird in einem privaten Haushalt nicht konstant dieselbe Menge an Strom gebraucht. Das heißt, dass der Strombedarf tageszeitabhängig ist.

2.3 Fachbegriffe und Einheiten der Batterietechnik

In den letzten Abschnitten wurden viele Fachbegriffe und abstrakte Konzepte in den Raum geworfen. Deswegen soll dieser kleine Abschnitt einen Überblick zu den wichtigsten Begriffen der Batterietechnik geben.

Elektrode: Elektrischer Leiter der direkt mit dem Elektrolyt in Kontakt steht. Besteht meist aus einem Metall, einer Metalllegierung oder aus Graphit.

Anode: Abhängig vom Kontext wird die Anode als positive oder negative Elektrode definiert. Im Bereich der Batterietechnik wird bei Funktionsbeschreibungen in der Regel davon ausgegangen, dass sich die Batterie gerade entlädt. In diesem Kontext wird die Anode als negative Elektrode betrachtet, welche Elektronen abgeben kann. In diesem Artikel wird die Anode als Minuspol angesehen.

Kathode: Abhängig vom Kontext wird die Kathode als positive oder negative Elektrode definiert. Im Bereich der Batterietechnik wird bei Funktionsbeschreibungen in der Regel davon ausgegangen, dass sich die Batterie gerade entlädt. In diesem Kontext wird die Kathode als positive Elektrode betrachtet, welche Elektronen aufnehmen kann. In diesem Artikel wird die Kathode als Plusspol angesehen.

Elektrolyt: Ein flüssiges oder festes Medium, dass elektrisch leitfähig ist. Der Elektrolyt umgibt sowohl Anode als auch Kathode in einer Batteriezelle. Dadurch wird der Ionenstrom zwischen den Elektroden ermöglicht.

Lebensdauer und Ladezyklen: Die Lebensdauer einer Batterie lässt sich gut mit der möglichen Anzahl an Ladezyklen darstellen. Ein Ladezyklus stellt den Vorgang einer vollständigen Ent- und Beladung dar. LIB können je nach Batterietyp zwischen 1000 und 4000 Ent- und wieder Aufgeladen werden.

Entladetiefe / Depth of Discharge (DoD): Die Entladetiefe gibt an zu wie viel Prozent die Batterie entladen wurde. Jede Batterieart hat eine andere maximale Entladetiefe. Bei Unterschreitung dieses Wertes, wird die Batterie beschädigt und es kommt zu einer starken Reduzierung der Lebensdauer. 0% DoD bedeutet, dass die Batterie vollkommen geladen ist. 100% DoD bedeutet, dass die Batterie vollkommen entladen ist. Das ist bei keiner wiederaufladbaren Batterie wünschenswert, da immer etwas Ladung übrig bleiben muss, um die chemischen Reaktionen innerhalb der Batterie nicht signifikant zu beeinträchtigen.

Energiedichte: Stellt das Verhältnis zwischen gespeicherter Energie und Bauraum (Volumen) dar. Alternativ wird oft die spezifische Energiedichte, also die Energiedichte bezogen auf die Masse, verwendet. Im Falle der LIB mit LFP-Anoden liegt die spezifische Energiedichte einer Zelle bei ca. 200 Wh/kg.

Memory-Effekt: Dieses Phänomen beschreibt die Minderung der Kapazität durch das Aufladen einer nicht vollständig entladenen Batterie. Die Batterie “merkt” sich diesen verkürzten Ladezyklus und gibt deswegen nur einen entsprechenden Teil der Kapazität wieder ab. Obwohl die Batterie ursprünglich mehr Kapazität hatte, “will” die Batterie nicht mehr Strom speichern. Vor allem ältere Nickel-Cadmium-Batterien sind davon betroffen.

C-Rate: Diese stellt das Verhältnis zwischen Ent-/Ladeleistung und der Batteriekapazität dar (siehe Formel). Die C-Rate zeigt, wie schnell sich eine Batterie im Verhältnis zu ihrer Kapazität auf- und entladen kann.

Ein Beispiel: Eine Batterie mit einer Entlade- bzw. Ladeleistung von 10 kW hat eine Kapazität von 20 kWh und hat somit eine C-Rate  von 0,5C. Das heißt, die Batterie lädt bzw. entlädt sich innerhalb von 2 Stunden. Um ein besseres Gefühl für diesen abstrakten Wert zu bekommen, soll die folgende Tabelle als Unterstützung dienen.

Übersicht der Einheiten:

• kW = Kilowatt: Maßeinheit für elektrische Leistung oder allgemein für Leistung also Arbeit pro Zeiteinheit
• kWh = Kilowattstunde: Maßeinheit für den Verbrauch von Energie. Das Äquivalent für 1 kWh wäre die Nutzung eines elektrischen Gerätes mit 1000 W Leistung für eine Stunde.
• kWp = Kilowatt-Peak: Eine Maßeinheit in der Solartechnik für die maximal mögliche Leistung, die durch eine Solaranlage erzeugt werden kann. Das Äquivalent für 1 kWp wäre eine Solaranlage, die bei optimaler Sonneneinstrahlung und perfektem Wetter 1000 W an elektrischer Leistung erzeugen kann.
• η in % = Wirkungsgrad: Stellt das prozentuale Verhältnis zwischen erbrachter und nutzbarer Energie dar. Wirkungsgrad = Nutzbare Energie / Aufgebrachte Energie
• C = C-Rate: Stellt das Verhältnis zwischen Ent-/Ladeleistung und Kapazität der Batterie dar. C = Ent-/Ladeleistung / Batteriekapazität. Eine Batterie mit 1kW Ent-/Ladeleistung und einer Kapazität von 1 kWh hat eine C-Rate von 1 bzw. 1C.

Quellen:

1. https://www.chemie.de/lexikon/Batterie.html
2. https://www.iwd.de/artikel/so-funktioniert-eine-e-batterie-513730/

Lithium- vs. Bleibatterien - Was eignet sich für Solaranlagen?

Batterien sind in gewisser Weise wie Menschen: Es gibt sie in verschiedenen Formen und Farben, aber schlussendlich kommt es immer auf die inneren Werte an. Im Laufe der Zeit wurden viele Batteriekonzepte entwickelt, die verschiedene Werkstoffkombinationen für Anode, Kathode, Elektrolyt und Separator verwendeten.

Aktuell werden zur Speicherung von Solarenergie vor allem Lithium-Ionen- und gelegentlich noch Blei-Säure-Batterien verwendet. Beide Konzepte bieten sowohl Vor- als auch Nachteile für den Einsatz in Solaranlagen. Welche Batterieart für welche Solaranlage verwendet werden soll, gilt es in diesem Kapitel zu erörtern.

Lithium-Ionen-Batterien

Für die heutige Technik sind Lithium-Ionen-Batterien (LIB) unabdingbar. Sei es das Smartphone, die elektrische Zahnbürste oder das Elektroauto, dieser Batterietyp ist weit verbreitet und bietet zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. Diese Technologie ist gerade auf dem Vormarsch und verdrängt immer weiter die Blei-Batterien.

Das Funktionsprinzip der LIB unterscheidet sich zur galvanischen Zelle lediglich in der Stoffzusammensetzung. Wie der Name schon vermuten lässt, ist in den Elektroden Lithium enthalten.

Wichtig hierbei ist, zwischen Lithium-Ionen- und Lithium-Metall-Batterien zu unterscheiden. Bei LIB ist das Lithium in den Elektroden nur als Sauerstoffverbindung mit anderen chemischen Stoffen vorhanden (Lithiumoxide). Diese Batterieart ist wiederaufladbar. Bei Lithium-Metall-Batterien ist pures metallisches Lithium vorhanden. Jedoch sind diese Batterien nicht wiederaufladbar.

Wie genau das Lithium eingearbeitet wird, hängt vom chemischen Aufbau der Batterie ab. In der Regel befinden sich die Lithiumverbindungen in den Anoden der Batteriezellen. Das Basismaterial der Anode bildet ein unedles Metall wie z. B. Aluminium. Aktuell werden mehrere Anodenzusammensetzungen für LIB genutzt, wie z. B. Lithium-Eisen-Phosphat-Anoden (LFP), Nickel-Mangan-Cobalt-Anoden (NMC) oder Lithium-Cobalt-Anoden (LCO). Alle Unterarten der LIB haben ihre eigenen speziellen Vor- und Nachteile, aber in diesem Artikel sollen die allgemeinen Vor- und Nachteile von LIB behandelt werden.

Für den Solarbereich bietet sich vor allem die LIB mit LFP-Anoden an. Im Vergleich zu anderen LIB-Typen zeichnen sich Batterien mit LFP-Anoden durch eine höhere Lebensdauer, bessere Temperaturbeständigkeit, erhöhte Sicherheit und Umweltfreundlichkeit aus. Allerdings sind sie teurer in der Anschaffung und besitzen eine geringere Energiedichte. Trotzdem stellen LIB mit LFP-Anoden einen guten Kompromiss zwischen Leistungsfähigkeit und Nachhaltigkeit dar und eignen sich deshalb gut für Anwendungen im Solarbereich.

Bevor auf die Vor- und Nachteile von Lithium-Ionen-Batterien eingegangen wird, müssen noch einige relevante Begriffe erklärt werden.

Die unteren Tabellen sollen einen Überblick zu den allgemeinen Vor- und Nachteilen von LIB geben. Auf die einzelnen Unterkategorien von LIB wird jedoch nicht genauer eingegangen.

Vorteile:

Nachteile:

Einsatz von Batterien in Solaranlagen

Wie können Batterien (BSB und LIB) in Solaranlagen genutzt werden?

Dafür sollen zuerst ein paar Faustformeln zur Anlagendimensionierung verinnerlicht werden. Die wichtigsten Formeln sind hier aufgelistet:

• Je mehr Strom eine Solaranlage im Durchschnitt erzeugen kann, desto größer sollte die Speicherkapazität der Batterie sein.
• Faustformel in Bezug auf die Maximale-Leistung (Peak-Leistung): Pro erzeugten kWp muss das 0,9 bis 1,6-fache an Kapazität vorhanden sein. Also gilt:
  in kWh
• Faustformel in Bezug auf den Jahresstromverbrauch: Die Kapazität muss, bezogen auf den gewünschten Jahresverbrauch, 60 % des täglichen Stromverbrauchs betragen. Also gilt: in kWh

Es ist also eine Frage der Anlagenleistung und des gewünschten Energieverbrauchs.

Wann lohnt sich eine Blei-Säurebatterie?

Für kleine oder Mini-Solaranlagen in privaten Haushalten mit Peak-Leistungen von bis zu 2 kWp bieten sich zum Teil noch die Blei-Säure-Batterien an. Diese punkten mit geringeren Anschaffungskosten und Robustheit, schneiden jedoch bei der Energiedichte und Lebensdauer schlechter ab. Vor allem für Balkonkraftwerke in Mehrfamilienhäusern sind BSB gut geeignet, wenn ein Zwischenspeicher installiert werden soll.

Wann lohnt sich eine Lithium-Ionen-Batterie?

LIB, insbesondere LFP Akkus, eignen sich für alle Arten von Solaranlagen. Bei dieser Batterieart sind die hohe Energiedichte, der Wirkungsgrad und der geringe Wartungsbedarf besonders Vorteilhaft. Insbesondere für private Haushalte mit 2-4 Personen in Einfamilienhäusern, weil diese im Durchschnitt  zwischen 5 und 10 kWp benötigen, um den jährlichen Stromverbrauch zu decken.

Wenn beispielsweise 10 kWp an Leistung benötigt werden, sollte laut der Faustformel die Batteriekapazität mindestens 9 kWh betragen. Das ist der optimale Einsatzbereich für LIB. Dank der hohen Energiedichte und des geringen Wartungsaufwandes lassen sich die kompakten Stromspeicher in jedes Haus einbauen. Es wird keine besondere zusätzliche Sicherheitstechnik benötigt. Ein weiterer Vorteil ist die hohe Entladetiefe, welche es ermöglicht, mehr von der Kapazität der Batterie zu nutzen, ohne dabei die Lebensdauer negativ zu beeinflussen.