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Definition „Energiespeicher“

Energie wird im Allgemeinen als die Fähigkeit bezeichnet, Arbeit zu verrichten.
Energie ist eine fundamentale physikalische Größe. Energie kann im physikalischen Sinn weder „erzeugt“ noch „verbraucht“
werden. Energie kann nur von einer Zustandsform in eine andere überführt werden. Die Summe aller Energieformen in
einem definierten System bleibt konstant. Dieser Satz der Energieerhaltung ist zugleich der 1. Hauptsatz der Thermodynamik.

Ein Energiespeicher kann Energie aufnehmen und zu einem späteren Zeitpunkt wieder abgeben. Der Speicherprozess besteht prinzipiell aus drei Schritten: Dem Laden, dem eigentlichen Speichern und dem Entladen. Nach dem Entladen kann ein Energiespeicher erneut geladen werden.

Die Energieform (Elektrizität, Wärme, Kälte, mechanische Energie, chemische Energie), die ein Energiespeicher aufnimmt, wird in der
Regel auch wieder abgegeben. Allerdings wird häufig die geladene Energieform zur Speicherung in eine andere umgewandelt (z.B.
Pumpspeicherwerk, Batterie). Zum Entladen wird sie dann wieder in der ursprünglichen Form bereitgestellt, oder in manchen Ausprägungen auch in der Form der Speicherung bereitgestellt, z.B. Speicherung von potentieller Energie in Pumpspeicherwerken oder Speicherung von chemischer Energie in Batterien.

Das Energiespeichersystem setzt sich aus den Bausteinen Lade-, Speicher- und Entlade- Einheit zusammen.
Der eigentliche Energiespeicher ist durch die Lade- und Entlade-Vorrichtungen mit dem Versorgungssystem verbunden.

"Home" Lösungen

Stromspeicher für private Photovoltaik-Anlagen sind eines der neuen und wichtigsten Anwendungsgebiete der elektrochemischen Energiespeicher. Die Idee dabei ist, den Eigenstromverbrauch durch den Einsatz von intelligenten Stromspeichern deutlich zu erhöhen. Denn der Strom, der tagsüber durch die PV-Anlage produziert wird, wird in der Regel erst am Abend benötigt.

Nach Schätzungen wird erwartet, dass die PV-Anlagen bis 2020 12 % des gesamten Stroms in Europa  erzeugen, das entspricht eine Kapazität der PV-Anlagen von 390 GW (Gigawatt).

 

Energiespeicher, Stromspeicher - Systeme

Grundsätzlich speichert jede Art eines Stromspeichers Energie. Diese kann in unterschiedlicher Form vorliegen. Die Typen der Speicher sind häufig nicht für die vorliegende zu speichernde Energie geeignet und wandeln sie daher zur Speicherung in eine andere Energieart um. Innerhalb des Umwandlungsprozesses verbrauchen sie einen gewissen Anteil der Energie. Wird die Energie wieder in der gewünschten Form abgegeben, entstehen erneut Verluste bei der Rückwandlung in die gewünschte Energieform.

Unterscheidung der Energiespeicher nach vorliegenden Energiearten

Eine vorliegende Energie kann elektrisch, thermisch, chemisch oder kinetisch geartet sein. Jede der genannten Formen kann in eine der anderen Formen transformiert werden. Abhängig ist dies vom gewünschten Anwendungszweck, der vorliegenden Energiemenge und den Möglichkeiten des Installations- oder Aufbauortes. Fälschlicherweise werden Gasometer oder Tankanlagen häufig als Energiespeicher bezeichnet, obwohl sie sind nur Energielager für Energieträger sind. Die Zwischenlagerung von vorhandener Energie wird im Rahmen der Energiewende große Bedeutung erfahren und sich mehrerer verschiedener Verfahren bedienen. Unregelmäßig erzeugte Energie aus Solar- und Windkraft wird in Energiespeichern gelagert und je nach Bedarf zum Ausgleich von Verbrauchsspitzen ins elektrische Versorgungsnetz zurückgeführt.

Größen von Energiespeichern

Die Bauformen von Energiespeichern sind höchst unterschiedlich. Von der Knopfzelle für die Armbanduhr bis zum Stausee oder Pumpspeicherwerk ist alles denkbar. Thermische Speicher finden sich in Haushaltsgröße zur Heizungsunterstützung bis zu Großanlagen zur Wärmespeicherung für ganze Stadteile. Chemische Typen von Speichern sind in zahlreichen Akkumulatorsystemen üblich. Gängig sind sie von der Knopfzelle bis zu Batterieanlagen mit mehreren MW Leistung. Die chemische Beschaffenheit richtet sich meist nach dem erforderlichen Einsatzzweck und der benötigten Energiedichte. Zukünftig werden bei den Energiespeichern kombinierte Anlagen vermehrt zum Einsatz kommen. So kann etwa überschüssiger Windstrom Pumpspeicherwerke füllen, Biogas kann zur Erzeugung von Wasserstoff verwendet werden, der bei seiner Rückwandelung über Brennstoffzellen wiederum Strom erzeugt.

Chemische Energiespeicherung hat Zukunft

Die Forschung zur Entwicklung leistungsfähiger Typen von Akkumulatoren betrifft fast ausschließlich chemische Verfahren. Die Entwicklung der Elektromobilität erfordert hohe Kapazitäten in kleinen und leichten Batterien. Sie sollen viele Ladezyklen aushalten und möglichst unempfindlich gegen Tiefentladung und hohe Leistungsabgaben sein. Dazu wünschen sich die Verbraucher ein unkompliziertes und schnelles Aufladen und moderate Preise.

Beispielrechnung:

Im Jahresdurchschnitt produziert ein Wohnhaus in Nordeuropa 8,5 kWh mit einer Solarfläche von 3 KW. Im Winter reicht die Leistung von 3 kWh bis hin in den Sommer mit einer Höchstleistung von 12 kWh. Nach der Erzeugung ist der direkte ungefähre Eigenverbrauch 4,5 kWh, daraus ergibt sich somit ein durchschnittlicher Leistungsüberschuss von ungefähr 4 kWh. Der Leistungsüberschuss ist wiederum abhängig von den saisonalen Schwankungen. Die Schwankung beträgt dann in etwa 1 kWh bis 6 kWh, dieser kann bis zum jeweiligen Verbrauch in dem Photovoltaik Energiespeicher gespeichert werden. Die Kapazität des Photovoltaik Energiespeicher muss in diesem Fall eine Leistung von 1-6 kWh pro Tag „zeitlich verschieben" können. Das bedeutet, dass die tagsüber produzierte Photovoltaik-Energie zu allen Zeiten zur Verfügung stehen muss, die im Photovoltaik Energiespeicher vorhanden ist. Zur Zeit ist es noch so, dass die von PV-Anlagen erzeugte Leistung ins Netz eingespeist und an den lokalen Netzanbieter verkauft wird.

 

"Groß Speichersystem" Lösungen

Ein Batterie-Speicherkraftwerk ist eine Form von Speicherkraftwerk, welches zur Energiespeicherung Akkumulatoren auf elektrochemischer Basis verwendet. Im Gegensatz zu üblichen Speicherkraftwerken, wie den Pumpspeicherkraftwerken mit Leistungen bis über 1000MW, bewegen sich die Leistungen von Batterie-Speicherkraftwerken im Bereich von einigen kW bis in den unteren MW-Bereich - die größten realisierten Anlagen erreichen Leistungen bis zu 36 MW. Batterie-Speicherkraftwerke dienen, wie alle Speicherkraftwerke, primär zur Abdeckung von Spitzenlast und in Netzen mit ungenügender Regelleistung auch der Netzstabilisierung. Kleine Batteriespeicher, sog. Solarbatterien mit wenigen kWh Speicherkapazität, werden zumeist im privaten Bereich im Zusammenspiel mit ähnlich dimensionierten Photovoltaikanlagen betrieben, um Ertragsüberschüsse tagsüber in ertragsärmere bzw. ertragslose Zeiten am Abend bzw. in der Nacht mitzunehmen und den Eigenverbrauch zu stärken.

Aufbau

Batteriebank
 
Batterien für die Notstromversorgung eines Rechenzentrums

Vom Aufbau sind Batterie-Speicherkraftwerke mit unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) vergleichbar, wenngleich die Ausführungen größer sind und meist ein eigenes Areal mit einigen 100 m² bis zu einigen 1000 m² Fläche umfassen. Die Akkus werden aus Sicherheitsgründen in eigenen Hallen untergebracht. Wie bei einer USV besteht das Problem, dass elektrochemische Energiespeicher grundsätzlich nur in Form von Gleichspannung Energie speichern bzw. abgeben können, während elektrische Energienetze meist mit Wechselspannung betrieben werden. Aus diesem Grund sind zusätzliche Wechselrichter nötig, welche bei Batterie-Speicherkraftwerken aufgrund der höheren Leistung und Anbindung mit Hochspannung arbeiten. Es kommt dabei Leistungselektronik mit GTO-Thyristoren zur Anwendung, wie sie auch bei der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen (HGÜ) üblich sind.

Als Akkumulatoren werden je nach Anlage verschiedene Systeme eingesetzt. Waren und sind es seit den ersten Batterie-Speicherkraftwerken in den 1980er-Jahren bis heute überwiegend Bleiakkumulatoren, fanden in den Folgejahrzehnten auch zunehmend Nickel-Cadmium-Akkumulatoren und Akkumulatortypen wie der Natrium-Schwefel-Akkumulator Anwendung. Letztere werden primär in japanischen Anlagen eingesetzt. Die größten Anlagen basieren auf kostengünstigen und im Betrieb gegen Tiefentladung robusten Nickel-Cadmium-Akkumulatoren. Durch fallende Preise in den 2010er Jahren kommen im unteren Leistungsbereich wie bei dem Batteriepark Schwerin auch Lithium-Ionen-Akkumulatoren zum Einsatz.

Der Vorteil von Batterie-Speicherkraftwerken sind die für energietechnische Systeme extrem kurzen Regelzeiten und Startzeiten im Bereich von 20 ms auf Volllast, da keine mechanisch zu bewegenden Massen vorhanden sind. Damit können diese Kraftwerke nicht nur zur Abdeckung von Spitzenleistung im Minutenbereich dienen, sondern auch zur Dämpfung von kurzfristigen Oszillationen im Sekundenbereich, bei an den Kapazitätsgrenzen betriebenen elektrischen Energienetzen. Diese Instabilitäten äußern sich in Spannungsschwankungen mit Perioden bis zu einigen 10 Sekunden und können sich in ungünstigen Fällen zu hohen Amplituden aufschwingen, welche zu überregionalen Stromausfällen führen können. Dem können ausreichend stark dimensionierte Batterie-Speicherkraftwerke entgegenwirken. Daher finden sich Anwendungen primär in jenen Regionen, wo elektrische Energienetze an ihrer Kapazitätsgrenze betrieben werden und in der Netzstabilität gefährdet sind. Weitere Anwendung sind Inselnetze, welche nicht mit Nachbarnetzen elektrische Energie kurzfristig austauschen können.

Der Nachteil sind die als Verschleißteil ausgelegten Blei-Akkumulatoren und die damit verbundenen Kosten, welche diese Systeme oft unwirtschaftlich werden lassen. Durch Überbeanspruchung wie Tiefentladung und vergleichsweise sehr hohe Lade- und Entladeströme (Ströme über 700 A sind üblich) können Defekte wie Überhitzung an den Akkumulatoren auftreten, die Lade/Entladezyklen sind in diesem Anwendungsbereich auf einige 100 bis zu 1000 Zyklen limitiert. Durch mechanische Schäden an den Gehäusen kann weiters Säure austreten. Bei der elektrischen Ladung bilden sich je nach Akkutyp mit Luft explosive Gase wie Knallgas, welches aus den Hallen permanent abgesaugt werden muss. Lithium-Ionen-Akkumulatoren mit einer geeigneten Steuerelektronik haben diese Probleme nicht mehr, insbesondere verfügen diese meist über eine hohe Zyklenfestigkeit (s. Zyklenfestigkeit und Lebensdauer von Akkumulatoren).

 

Netzstabilisierung mit Batteriekraftwerken

Wie lässt sich ein Batteriespeicher zu einem Regelkraftwerk weiterentwickeln? Dieser Frage gehen die Forscher im Projekt SDL-Batt nach. Darin erproben sie verschiedene Systemdienstleistungen und bewerten sie wirtschaftlich. Im Fokus der Forschung stehen dabei die Betriebsdaten, energetische Bilanzierung und die Simulation verschiedener Verfahrensweisen.

Projektstatus Untersuchungen an Einzelzellen
Wirkungsgrad AC/AC > 85 %
Typische Anlagengröße – Energie 10 MWh
Typische Anlagengröße – Leistung 10 MW
Brauchbarkeitsdauer der Anlage (1 Zyklus/Tag) ca. 20 Jahre
Typische Entladezeit 60 Minuten
Ansprechzeit bei Bereitstellung der Energie < 1 Sekunde
Typische Zeit zw. Ein- und Auslagerung 1 Sekunde bis 10 Minuten
Anwendungsfelder Beispiele Lieferung von Primärregelleistung (PRL)
Laufzeit März 2013 bis Februar 2016

Die Weiterentwicklung eines hocheffizienten Batteriespeichers zum Regelkraftwerk bzw. zur Bereitstellung von Netzstabilisierungsleistungen stellt den Schwerpunkt des Verbundvorhabens dar. Hierbei sollen verschiedene Systemdienstleistungen untersucht, teilweise erprobt, dokumentiert und in ihrer Wirtschaftlichkeit miteinander verglichen werden. Die Erbringung von Regelleistung und weiteren Systemdienstleistungen sowie die hierfür notwendigen Entwicklungen und Erprobungen werden auf Basis eines innovativen 10-MW-Li-Ion-Batteriesystems betrachtet. Betriebsdaten, energetische Bilanzierung, rechtlich-regulatorische Randbedingungen und Simulation verschiedener Fahrweisen stehen im Vordergrund der Untersuchungen.

 

  • Theoretische Grundlagen und Voruntersuchungen in 2013

Der Projektstart war Anfang März 2013, das Projekt betrachtet in der ersten Projekthälfte vorwiegend die theoretischen Grundlagen bezüglich der Erbringung von SDL mittels Li-Ionen Zellen. Laufende Arbeitsinhalte sind die politischen und rechtlichen Rahmenbedingungen für Batteriespeicherkraftwerke im nationalen und europäischen Kontext. Weiterhin werden theoretische Betriebssimulationen für verschiedene Anwendungsfälle der Stromspeicherung und der Bereitstellung von Systemdienstleistungen, insbesondere zur Bereitstellung von Primärregelenergie, erstellt. Eine Potenzial-, Markt- und Netzintegrationsstudie wurde begonnen.

Parallel erfolgt die Projektierung und Errichtung des 10-MW-Batteriekraftwerks durch den Betreiber Energiequelle GmbH, welche zu einer Inbetriebnahme des Speichers Mitte 2015 führen soll. Der Bau des Speicherkraftwerks stellt gleichzeitig den wesentlichen Meilenstein im Projekt dar. Nach Inbetriebnahme können die theoretischen Untersuchungen durch experimentelle Versuchsdaten und reale Fahrweisen präzisiert werden. Die Bilanzierung des Batteriespeichers und dessen Betriebsverhalten werden anschließend detailliert untersucht, insbesondere in der Fahrweise der Regelleistungserbringung.
Ergänzend zu den Messungen an der Großbatterie erfolgen Untersuchungen an einzelnen Batteriezellen hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit und Alterung beim Betrieb unter Mikrozyklen (kleine Leistungen und kleine Entladetiefen, schnell wechselnde Ladung/Entladung). Diese treten insbesondere bei der Bereitstellung von Primärregelenergie auf. Dazu werden einzelne Li-Ionen-Zellen in einem Batterieteststand an der BTU Cottbus-Senftenberg verschiedenen Dauerlastversuchen ausgesetzt und hinsichtlich Ihrer zeitlichen Parameterverläufe ausgewertet. Ziel ist eine messdatenbasierte Lebensdauerprognose.

Die gesamte Projektlaufzeit beträgt drei Jahre.

Wirtschaftlichkeit und Dauerhaftigkeit

Mit dem Anwendungsfall Primärregelung ist die voraussichtlich lukrativste Anwendung des geplanten Batteriekraftwerkes bereits heute an der Schwelle zur Wirtschaftlichkeit gegeben. Der Regelenergiemarkt ist jedoch ein höchst volatiler Markt, so dass Prognosen sehr unsicher sind. Als Teilergebnisse des Projektes führen eine optimierte Auslegung in Verbindung mit Betriebserfahrungen und zukünftig höheren Stückzahlen zu einer Kostensenkung des Gesamtsystems.

Durch die Funktionsweise auch als reines Systemdienstleistungs-Kraftwerk unabhängig von Wirkleistungseinspeisung trägt der 100-Prozent-Regelleistungsbetrieb des Batteriespeichers zu einem kosteneffizienten Systemumbau im Rahmen der Energiewende bei.

 

AkkumulatortypEnergiedichte (Wh/kg)Ladewirkungsgrad[5] (Stand 2007)Besonderheit
Bleiakkumulator 30 6070 %  
Lithium-Ionen-Akkumulator auf der Basis von LiCoO2 120210 90 % neuere Modelle schnellladefähig[6]
Lithium-Polymer-Akkumulator 140260[7] 90 % praktisch beliebige Bauform möglich
Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator 80140 94 % schnellladefähig, hochstromfähig, eigensicher
Lithium-Titanat-Akkumulator 7090 9095 % schnellladefähig
Lithium-Schwefel-Akkumulator 350  ? Labor-Prototyp[8]
Natrium-Nickelchlorid-Akkumulator (Zebra-Batterie) 100120 8090 % 300 °C Betriebstemperatur, keine Selbstentladung, aber Heizverluste 1020 %
Natrium-Schwefel-Akkumulator 120220 7085 % 300 °C Betriebstemperatur, keine Selbstentladung, aber Heizverluste 1530 %
Nickel-Eisen-Akkumulator 40 6570 % sehr unempfindlich gegen Über- und Tiefenentladung
Nickel-Cadmium-Akkumulator 4060 70 % EU-weit verboten, aber mit vielen Ausnahmen. Erlaubt unter anderem im medizinischen Bereich, bei Elektrowerkzeugen und bei Elektroautos
Nickel-Metallhydrid-Akkumulator 60110 70 %  
Nickel-Wasserstoff-Akkumulator 60 75%  
Nickel-Zink-Akkumulator 50 65 %  
Silber-Zink-Akkumulator 65210 83 % teuer, kurzlebig, empfindlich, sehr hohe Kapazität
Zinn-Schwefel-Lithium-Akkumulator 1100  ? Experimenteller Prototyp[9]
Aluminium-Ionen-Akkumulator 1000[10]  ? schnelladefähig, experimentelle Prototypen

Ladungsmenge (Kapazität)

Die Ladungsmenge, die ein Akkumulator speichern kann, wird in Amperestunden (Ah) oder physikalisch genauer in Wattstunden (Wh) angegeben und als Kapazität (Nennkapazität) bezeichnet. Diese darf nicht verwechselt werden mit der Kapazität eines Kondensators, die in Amperesekunde pro Volt (As/V) definiert ist und in der Einheit Farad (F) angegeben wird. Die angegebene Nennkapazität beim Akku bezieht sich immer auf einen bestimmten Entladestrom und nimmt - je nach Akkutyp unterschiedlich stark - mit höheren Entladeströmen ab.

Ladezustand

Ein wichtiger Kennwert von mit Sekundärbatterien betriebenen Geräten ist der Ladezustand von Akkumulatoren (englisch State of Charge, SoC). Er wird üblicherweise in Prozentwerten angegeben, wobei 100% einen vollständig geladenen Akkumulator repräsentieren. Zur Bestimmung sind verschiedene Methoden gebräuchlich: chemische, spannungsabhängige, Strom-integrative, druckabhängige sowie die Messung der Akkumulator-Impedanz.

Selbstentladung – empfohlene Lagerung

Wird ein Akku nicht verwendet, so verliert er über die Zeit einen Teil seiner gespeicherten Energie. Diesen Vorgang nennt man Selbstentladung. Das Maß der Selbstentladung hängt von Typ und Alter des Akkumulators sowie von der Lagertemperatur ab.

Für die Lagerung von Akkus wird meistens folgendes empfohlen: (Hinweis: Der Ladezustand ist relativ gesehen zur Entladeschlussspannung. Das heißt, wenn ein Akku einen Ladezustand von 0 % aufweist, dann ist damit gemeint, dass er seine Entladeschlussspannung erreicht hat, bei NiCd- und NiMH-Akkus liegt diese z. B. bei 0,9 V bzw. 1,0 V.)

  • Li-Ion: Ladezustand 60 %, 20 °C; Selbstentladung monatlich < 2 %
  • Bleiakkumulator: Ladezustand 100 %, möglichst kühl lagern; Selbstentladung monatlich 510 % (Blei-Säure) bzw. 25 % (Blei-Gel), ein über längere Zeit entladener Akku ist zerstört
  • NiMH: Ladezustand 40 %; Selbstentladung monatlich um 1525 %, neuere Typen als NiMH mit geringer Selbstentladung mit nur etwa 15 % im Jahr
  • NiCd: Ladezustand 40 %; Selbstentladung monatlich um 10 %
  • Alkali-Mangan RAM-Zellen: Ladezustand 100 %; Zellspannung sollte nicht unter 1,2 V sinken

Sanyo hat 2005 (Markteinführung in Europa August 2006) einen modifizierten NiMH-Akku namens Eneloop auf dem Markt gebracht, der einer Selbstentladung von lediglich 15 % pro Jahr unterliegt. Es handelt sich hierbei um sogenannte LSD-Akkus (Low Self Discharge), die aufgrund ihrer geringen Selbstentladung als bereits vorgeladene Akkus verkauft werden und daher im Gegensatz zu herkömmlichen Akkus vor der ersten Benutzung durch den Käufer nicht aufgeladen werden müssen.

Alle Angaben zur Selbstentladung beziehen sich auf eine Raumtemperatur von ca. 20°C.

Akkumulatortypen

Die Akkumulatortypen werden nach den verwendeten Materialien bezeichnet:

Lebensdauer und Zyklenfestigkeit

Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren erreichen nach Herstellerangaben mehr als 5000 Zyklen bei jeweiliger Entladetiefe von 70 % (Depth of Discharge, DOD). Als weltgrößter Hersteller von Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren gilt BYD, der durch präzise Fertigung eine große Auswahl an Zellen für zyklenfeste Anwendungen, wie zum Beispiel im Einsatz bei stationären Speichersystemen entwickelt hat. Nach 7500 Zyklen mit 85 % DoD haben diese noch eine Restkapazität von mindestens 80 % bei 1C-Rate; das entspricht bei einem Vollzyklus pro Tag einer Lebensdauer von mind. 20,5 Jahren.

Der Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator Sony Fortelion hat nach 10000 Zyklen mit 100% DoD noch eine Restkapazität von 71 % . Dieser Akkumulator ist seit 2009 auf dem Markt.

In Solarbatterien eingesetzte Lithium-Ionen-Akkumulatoren weisen teilweise eine sehr hohe Zyklenfestigkeit von mehr als 10000 Lade- und Entladezyklen und eine lange Lebensdauer von bis zu 20 Jahren auf.

Plug in America hat unter Fahrern des Tesla Roadster eine Umfrage durchgeführt bezüglich der Lebensdauer der verbauten Akkus. Dabei ergab sich, dass nach 100.000 Meilen = 160.000 km die Akkus noch eine Restkapazität von 80 bis 85 Prozent hatten. Dies war unabhängig davon, in welcher Klimazone das Fahrzeug bewegt wurde. Der Tesla Roadster wurde zwischen 2008 und 2012 gebaut und verkauft. Für seine 85-kWh-Akkus im Tesla Model S gibt Tesla 8 Jahre Garantie mit unbegrenzter Laufleistung.

Ladezeiten

Elektroautos wie Tesla Model S, Renault Zoe, BMW i3 usw. können ihre Akkus an Schnellladestationen innerhalb von 30 Minuten zu 80 Prozent aufladen.

In Laboratorien der Firma StoreDot aus Israel können Berichten zufolge erste Labormuster von nicht näher spezifizierten Akkus in Mobiltelefonen (Akkukapazität im Bereich um 1 Ah) mit Stand April 2014 in 30 Sekunden geladen werden.

Forscher aus Singapur haben 2014 einen Akku entwickelt, der nach 2 Minuten zu 70 Prozent aufgeladen werden kann. Die Akkus setzen auf die Lithium-Ionen-Technik. Jedoch besteht die Anode, der negative Pol in der Batterie, nicht mehr aus Graphit, sondern einem Titan-Dioxid-Gel. Das Gel beschleunigt die chemische Reaktion deutlich und sorgt so für ein schnelleres Aufladen. Insbesondere sollen diese Akkus in Elektroautos verwendet werden. Bereits im Jahr 2012 haben Forscher der Ludwig-Maximilian-Universität in München das Grundprinzip entdeckt.

Wissenschaftler der Stanford-Universität in Kalifornien haben einen Akku entwickelt, der innerhalb einer Minute aufgeladen werden kann. Die Anode besteht aus Aluminium und die Kathode aus Grafit (s. Aluminium-Ionen-Akkumulator).

Das Elektroauto Volar-e der Firma Applus+IDIADA, basierend auf dem Rimac Concept One, enthält Lithium-Eisen-Phosphat-Akkus, die innerhalb von 15 Minuten wieder aufgeladen werden können.

Neue Entwicklungen

Forscher der Justus-Liebig-Universität Gießen haben zusammen mit Wissenschaftlern der BASF SE eine neue reversibel arbeitende Zelle auf Basis von Natrium und Sauerstoff entwickelt. Als Reaktionsprodukt tritt hierbei Natriumsuperoxid auf.

Festkörperakkumulatoren sind eine spezielle Bauform, bei welchem beide Elektroden und auch der Elektrolyt aus verschiedenen, festen Materialien bestehen. Da keine Flüssigkeiten vorhanden sind, gibt es kein Problem mit Undichtigkeiten, sollte der Akkumulator beschädigt werden.

Auch wird an Akkumulatoren aus organischem Material gearbeitet.

Wissenschaftler der Stanford-Universität in Kalifornien haben einen neuartigen Akku mit sehr günstigen Eigenschaften entwickelt. Die Anode besteht aus Aluminium und die Kathode aus Grafit (s. Aluminium-Ionen-Akkumulator). Der Akku schafft mehr als 7500 Ladezyklen ohne Qualitätseinbußen. Die zur Fertigung des Akkus notwendigen Materialien sind sehr kostengünstig und zudem sehr leicht. Der Akku kann nicht in Brand geraten, selbst wenn man den Akku durchbohrt. Der Ladevorgang beträgt eine Minute. Zudem ist der Akku biegsam und kann somit in eine gewünschte Form gebogen und gefaltet werden. Der Akku ist noch nicht marktreif, da die Spannung und die Energiedichte noch zu gering sind.

Preisentwicklung

Bleiakkumulatoren kosten typischerweise 100 €/kWh. Li-Ion-Akkus kosteten im Januar 2014 hingegen typischerweise rund 110 €/kWh (150 USD/kWh). Die Preise für Li-Ion-Akkus sind seit 2011 deutlich gefallen (2011: 500 €/kWh, 2012: 350 €/kWh, 2013: 200 €/kWh). Auf einer Konferenz für Elektromobilität im Oktober 2013 erwähnte der Trendforscher Lars Thomsen, dass Tesla seine Akkus zum damaligen Zeitpunkt für 200 USD/kWh (umgerechnet 148 €/kWh) verbaut hat. Ursachen für den Preisrückgang sind die zunehmende Massenproduktion, welche die Stückkosten durch bessere Technologien und Skaleneffekte verringert hat.

Im deutschen Einzelhandel werden LiFePO4-Akkus zu etwa 420 €/kWh (1,35 €/Ah) angeboten (Stand Januar 2015).

Verwendung

Einsatzgebiete

Akkumulatoren werden oft verwendet, wenn ein elektrisches oder elektronisches Gerät ohne dauerhafte Verbindung zum festen Stromnetz oder zu einem Generator betrieben werden soll. Da sie teurer sind als nicht wiederaufladbare Primärbatterien, kommen sie vor allem in solchen Geräten zum Einsatz, die regelmäßig benutzt werden und einen nicht vernachlässigbaren Strombedarf haben, wie in Mobiltelefonen, Laptops oder Akkuwerkzeugen.

Auch in Kraftfahrzeugen dient ein Akku in Form der Starterbatterie dazu, Strom für Licht, Bordelektronik und vor allem den Anlasser zum Starten des Verbrennungsmotors zu liefern. Läuft der Motor, wird der Akkumulator über die als Generator arbeitende Lichtmaschine wieder aufgeladen. Ähnliches gilt für Schiffe und Flugzeuge.

Beim elektrischen Antrieb von Kraftfahrzeugen, Schiffen oder gar kleinen Flugzeugen werden deren Akkus zur Unterscheidung von bloßen Starterbatterien dann als Traktions-Akkumulatoren bezeichnet und zu Traktionsbatterien zusammengeschaltet (s.a. Elektroauto, Elektromotorrad, Elektromotorroller, Batteriebus, Elektrolastkraftwagen).

Immer beliebter werden Pedelecs, ein spezielles Elektrofahrrad.

Akkus kommen auch zum Einsatz, um Schwankungen bei der regenerativen Erzeugung von Strom mit Wind und/oder Sonne auszugleichen (s. Solarbatterie), oder auch, wenn sich eine abgelegene Verbrauchsstelle nicht oder nur zu unverhältnismäßig hohen Kosten an das Stromnetz anschließen lässt. Oft sind solche Verbrauchsstellen zusätzlich noch mit einem Notstromaggregat ausgerüstet, das einspringt, bevor die Ladung der Akkus z. B. nach mehrtägiger Windstille nicht mehr ausreicht. Beispiele für solche Installationen sind nicht nur abgelegene Hütten, Mobilfunk-Basisstationen in wenig erschlossenen Regionen oder Weltraumsatelliten, sondern auch viele Parkscheinautomaten, bei denen ein Anschluss an das Stromnetz teurer wäre als die Installation einer Solarzelle und eines Akkumulators (s.a. Inselsystem, Inselnetz, Inselanlage).

Konventionelle U-Boot-Antriebe bestehen aus Dieselmotoren mit Generatoren (Fahren und Laden der Akkumulatoren bei nicht getauchter Fahrt) und mit Akkumulatoren betriebenen Elektromotoren (Tauchfahrten).

Viele Schiffe fahren generell mit Elektroantrieb. Der notwendige Strom wird von Dieselgeneratoren erzeugt. Damit der Dieselmotor immer im optimalen Drehzahlbereich arbeiten kann, wird die Energie in Akkus zwischengespeichert. Auch gibt es Fähren, die rein elektrisch nur mit Akkuantrieb fahren und jeweils an der Anlegestelle wieder aufgeladen werden (s. a. dieselelektrischer Antrieb).

Akkumulatoren dienen in Systemen zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) auch zur kurz- bis mittelfristigen Überbrückung von Ausfällen der stationären Energieversorgung. Wichtige Bereiche, die es mit einer Notstromversorgung abzusichern gilt, sind z. B. Rechenzentren, Alarmsysteme und lebenserhaltende Systeme in Krankenhäusern. Werden hohe Leistungen benötigt oder sind längere Zeiträume zu überbrücken, wird noch ein Dieselgenerator zusätzlich installiert; die Akkus übernehmen dann die Versorgung nur so lange, wie der Dieselgenerator zum Anspringen und Erreichen der Nenndrehzahl benötigt. Falls die so zu überbrückende Zeit nur kurz ist, können dafür auch andere Systeme als Akkumulatoren eingesetzt werden, insbesondere auf der Basis von Schwungmassen oder gar Kondensatoren.

Batterie-Speicherkraftwerke werden u.a. eingesetzt zur Abdeckung von Spitzenlasten im Stromnetz und auch zur Netzstabilisierung in Stromnetzen.

Auswahlkriterien

Kriterien für die Auswahl eines Akkumulatortyps für eine bestimmte Anwendung sind unter anderem:

  • Die gravimetrische Energiedichte, auch als spezifische Energie bezeichnet. Sie sagt aus, wie viel elektrische Energie ein Akkumulator pro Masseneinheit (zum Beispiel Kilogramm) liefern kann. Dieser Wert ist besonders interessant für elektrisch angetriebene Fahrzeuge. Herkömmliche Bleiakkumulatoren erreichen hier rund 30 Wh/kg, Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion-Akkus) bis zu 140 Wh/kg.
  • Die volumetrische Energiedichte. Sie sagt aus, wie viel Wh elektrischer Energie ein Akkumulator pro Volumen (zum Beispiel pro Liter Rauminhalt) liefern kann. Hier liegt der Wert für herkömmliche Bleiakkumulatoren bei ca. 50 Wh/l, bei Li-Ion-Akkus etwa 500 Wh/l.
  • Der maximal mögliche Entladestrom. Er ist wichtig für alle Anwendungen, bei denen kurzzeitig sehr hoher Leistungsbedarf besteht. Dieses ist zum Beispiel beim Starten von Fahrzeugmotoren der Fall, aber auch bei Elektrowerkzeugen und Autofokus-Kameras, insbesondere solchen mit integrierten Blitzgeräten.
  • Die möglichen Dimensionen (Abmessungen und Gewicht) und Bauformen der Akkuzelle. Sie sind entscheidend, wenn der Akkumulator auf möglichst kleinem Raum in elektronischen Geräten integriert werden soll. Ein gasdichter Aufbau etwa eines Gel-Bleiakkumulators ermöglicht den lageunabhängigen Einsatz ohne Gefahr durch auslaufenden Elektrolyt oder korrosive Gase
  • Der Memory-Effekt bei NiCd oder Batterieträgheitseffekt bei NiMH tritt abhängig vom Lade- und Entladeverfahren auf und führt unter Umständen zu erheblichen Verringerungen der Kapazität (NiCd) oder der Spannung (NiMH). In Anwendungen, bei denen der Akkumulator nicht regelmäßig vollständig entladen und wieder voll aufgeladen wird, sollten deshalb Akku-Arten verwendet werden, die für diese Effekte nicht anfällig sind, zum Beispiel Blei-Akkus oder Li-Ion-Akkus.

Aus der Anwendung der oben genannten Kriterien ergeben sich für jeden Akkutyp einige typische Anwendungsgebiete, wobei insbesondere bei NiCd-, NiMH- und Li-Ion-Akkus die Übergänge fließend sind:

  • Bleiakkumulator: Starter-Batterien für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren, Stationärbetrieb in Notbeleuchtungsanlagen und Insel-Fotovoltaik-Anlagen
  • NiCd-Akku: Elektrowerkzeuge, Antriebe im Modellbau, portable elektronische Geräte mit kurzzeitig hoher Stromaufnahme (Foto-Blitzgeräte), Traktionsbatterien für Elektroautos, Bsp.: Citroën AX electrique
  • NiMH-Akku: portable elektronische Geräte mit konstanter Stromaufnahme, Modellbau, Elektroautos, Bsp.: GM EV1, Toyota Prius
  • Li-Ion-Akku: portable elektronische Geräte mit kleinen Abmessungen und langer Betriebszeit (Mobiltelefone, Notebooks, Kameras)
  • Li-Po-Akku (auch Lipo, Lithium-Polymer): Antriebe im Modellbau, Mobiltelefon, Traktionsbatterie für extreme Reichweiten, Bsp.: Kruspan-Hotzenblitz
  • Li-Mn-Akku: Antriebe im Modellbau, neue Profiklasse von Elektrowerkzeugen, Pedelecs, Fahrzeugakku für hohe Reichweiten
  • Li-Fe-Akku: Antriebe im Modellbau, neue Profiklasse von Elektrowerkzeugen, Fahrzeugakku für hohe Reichweiten
  • Lithium-(Nano)-Titanat-Akku: Antrieb von Elektrokraftwagen mit großen Reichweiten
  • kein Akku: sondern Alkali-Mangan-Zellen bei Anwendungen mit so geringem Energieverbrauch, dass sie damit länger als ein Jahr laufen, wie Uhren, Fernbedienungen, Thermometer, Feuermelder, selten benutzte Waagen.

Als Alternative zu Akkumulatoren werden Brennstoffzellen-Systeme diskutiert und auch schon verwendet, die elektrische Energie mit Hilfe von Wasserstoff oder Methanol aus chemischer Energie erzeugen. Brennstoffzellen erzeugen die elektrische Energie ohne exotherme Verbrennung und zusätzliche Umwandlungen. Zu beachten ist dabei, dass die Energieabgabe der Brennstoffzelle kaum variiert werden kann. In Systemen mit schwankendem Leistungsbedarf (Bsp.: Hybridelektrokraftfahrzeug) müssen deshalb immer zusätzlich auch Akkumulatoren verwendet werden, die aber in Vergleichen oft unberücksichtigt bleiben.

Bei Vergleichen mit ausschließlichem Akkumulatorbetrieb muss also korrekterweise neben der eigentlichen Brennstoffzelle auch der Raumbedarf und das Gewicht des Treibstoffbehälters (Wasserstoff-Flaschen, Methanol-Tank) sowie der notwendigen Puffer-Akkus berücksichtigt werden.

Konkurrierende Energiespeicher sind auch Hydraulikspeicher sowie elektrochemische Zellen wie die Redox-Flow-Zelle.

Batteriespeichersysteme für PV-Strom befinden sich aktuell noch an der Schwelle zur Wirtschaftlichkeit, spielen für die intelligente Selbstversorgung und die Steigerung der energetischen Unabhängigkeit aber eine zentrale Rolle. SMA bietet hier zwei unterschiedliche Systemlösungen, die alle wesentlichen Anwendungsfelder abdecken.

Das Flexible Storage System (FSS)

Bestehend aus den Kernelementen Sunny Island Batterie-Wechselrichter und Sunny Home Manager umfasst das SMA Flexible Storage System darüber hinaus das Sunny Remote Control, einen der bewährten SMA Solar-Wechselrichter sowie eine Speichereinheit. Das FSS ist also ein AC-gekoppeltes System und sein wichtigstes Merkmal ist die weitreichende Flexibilität: Speicherkapazität, Speicherleistung, Phasenmodell und räumliche Anordnung lassen sich mehr oder weniger frei bestimmen, aufgrund der universellen Batteriespannung von 48 Volt stehen zudem Blei- und Li-Ion-Batterien diverser Hersteller für den Betrieb mit dem Sunny Island-Wechselrichter zur Verfügung. Somit lassen sich die Systeme exakt an den jeweiligen Anwendungsfall (jährlicher Stromverbrauch, individuelles Lastprofil, Erzeugung der PV-Anlage, gewünschter Autarkiegrad) anpassen. Darüber hinaus kann das System in nahezu jeder PV-Anlage nachgerüstet werden und enthält auf Wunsch auch die Funktion einer ausfallsicheren Stromversorgung (die realisierbare Überbrückungszeit ist natürlich ebenfalls flexibel).
So ist es mit dem FSS möglich, eine dreiphasige Speicheranlage mit einer 20 kWh Bleibatterie und einer 30min-Leistung von 24 kW aufzubauen – ein einphasiges Li-Ion-System mit 4 kWh Kapazität und 2,1 kW Nennleistung zur Nachrüstung ist aber ebenso gut realisierbar. Auch nachträgliche Umbauten oder Erweiterungen sind unproblematisch, lediglich die Erweiterung bestehender Batterieverbände an einem Sunny Island bzw. Sunny Island-Cluster[1] ist wegen des jeweils einheitlichen Batteriemanagements nicht möglich.Das FSS bietet aber nicht nur höchste Flexibilität, sondern auch Vorteile in puncto Kosteneffizienz. So ermöglicht es gerade auch durch die Kompatibilität mit vergleichsweise preiswerte Blei-Batterien die Realisierung besonders günstiger Speicherlösungen. Eine automatisch im Jahresverlauf variierte Entladegrenze[2] sorgt zudem für eine optimale und möglichst schonende Nutzung der gegebenen Batteriekapazität. Gut zu wissen: Die typischen Vorurteile zum angeblich generell schlechteren Wirkungsgrad AC-gekoppelter Speichersysteme sind nicht haltbar[3], ganz im Gegenteil: Fakt ist, dass gute AC-gekoppelte Systeme durchaus bessere Wirkungsgrade erzielen als suboptimal konzipierte Speicher mit DC-Kopplung. Auch die Investitionskosten liegen deutlich niedriger als bei vielen der marktgängigen Komplettsysteme.
Aus technischer Sicht interessant sind die ausgeprägte Überlastfähigkeit der Sunny Island Batterie-Wechselrichter, die einfache Phasenkopplung (Überbrückung der drei hausinternen Phasen bei Netzausfall, so dass sie alle über ein Gerät versorgt werden) sowie die Möglichkeit, „echte“[4] dreiphasige Systeme mit 100 Prozent Schieflastfähigkeit zu realisieren. Für die Ersatzstrom-Funktion und den normalen Betrieb zur Eigenverbrauchssteigerung lassen sich zudem unterschiedliche Entladegrenzen der Batterie einstellen.

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Batteriespeichersysteme für PV-Strom befinden sich aktuell noch an der Schwelle zur Wirtschaftlichkeit, spielen für die intelligente Selbstversorgung und die Steigerung der energetischen Unabhängigkeit aber eine zentrale Rolle. SMA bietet hier zwei unterschiedliche Systemlösungen, die alle wesentlichen Anwendungsfelder abdecken.

Das Flexible Storage System (FSS)

Bestehend aus den Kernelementen Sunny Island Batterie-Wechselrichter und Sunny Home Manager umfasst das SMA Flexible Storage System darüber hinaus das Sunny Remote Control, einen der bewährten SMA Solar-Wechselrichter sowie eine Speichereinheit. Das FSS ist also ein AC-gekoppeltes System und sein wichtigstes Merkmal ist die weitreichende Flexibilität: Speicherkapazität, Speicherleistung, Phasenmodell und räumliche Anordnung lassen sich mehr oder weniger frei bestimmen, aufgrund der universellen Batteriespannung von 48 Volt stehen zudem Blei- und Li-Ion-Batterien diverser Hersteller für den Betrieb mit dem Sunny Island-Wechselrichter zur Verfügung. Somit lassen sich die Systeme exakt an den jeweiligen Anwendungsfall (jährlicher Stromverbrauch, individuelles Lastprofil, Erzeugung der PV-Anlage, gewünschter Autarkiegrad) anpassen. Darüber hinaus kann das System in nahezu jeder PV-Anlage nachgerüstet werden und enthält auf Wunsch auch die Funktion einer ausfallsicheren Stromversorgung (die realisierbare Überbrückungszeit ist natürlich ebenfalls flexibel).
So ist es mit dem FSS möglich, eine dreiphasige Speicheranlage mit einer 20 kWh Bleibatterie und einer 30min-Leistung von 24 kW aufzubauen – ein einphasiges Li-Ion-System mit 4 kWh Kapazität und 2,1 kW Nennleistung zur Nachrüstung ist aber ebenso gut realisierbar. Auch nachträgliche Umbauten oder Erweiterungen sind unproblematisch, lediglich die Erweiterung bestehender Batterieverbände an einem Sunny Island bzw. Sunny Island-Cluster[1] ist wegen des jeweils einheitlichen Batteriemanagements nicht möglich.Das FSS bietet aber nicht nur höchste Flexibilität, sondern auch Vorteile in puncto Kosteneffizienz. So ermöglicht es gerade auch durch die Kompatibilität mit vergleichsweise preiswerte Blei-Batterien die Realisierung besonders günstiger Speicherlösungen. Eine automatisch im Jahresverlauf variierte Entladegrenze[2] sorgt zudem für eine optimale und möglichst schonende Nutzung der gegebenen Batteriekapazität. Gut zu wissen: Die typischen Vorurteile zum angeblich generell schlechteren Wirkungsgrad AC-gekoppelter Speichersysteme sind nicht haltbar[3], ganz im Gegenteil: Fakt ist, dass gute AC-gekoppelte Systeme durchaus bessere Wirkungsgrade erzielen als suboptimal konzipierte Speicher mit DC-Kopplung. Auch die Investitionskosten liegen deutlich niedriger als bei vielen der marktgängigen Komplettsysteme.
Aus technischer Sicht interessant sind die ausgeprägte Überlastfähigkeit der Sunny Island Batterie-Wechselrichter, die einfache Phasenkopplung (Überbrückung der drei hausinternen Phasen bei Netzausfall, so dass sie alle über ein Gerät versorgt werden) sowie die Möglichkeit, „echte“[4] dreiphasige Systeme mit 100 Prozent Schieflastfähigkeit zu realisieren. Für die Ersatzstrom-Funktion und den normalen Betrieb zur Eigenverbrauchssteigerung lassen sich zudem unterschiedliche Entladegrenzen der Batterie einstellen.

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Batteriespeichersysteme für PV-Strom befinden sich aktuell noch an der Schwelle zur Wirtschaftlichkeit, spielen für die intelligente Selbstversorgung und die Steigerung der energetischen Unabhängigkeit aber eine zentrale Rolle. SMA bietet hier zwei unterschiedliche Systemlösungen, die alle wesentlichen Anwendungsfelder abdecken.

Das Flexible Storage System (FSS)

Bestehend aus den Kernelementen Sunny Island Batterie-Wechselrichter und Sunny Home Manager umfasst das SMA Flexible Storage System darüber hinaus das Sunny Remote Control, einen der bewährten SMA Solar-Wechselrichter sowie eine Speichereinheit. Das FSS ist also ein AC-gekoppeltes System und sein wichtigstes Merkmal ist die weitreichende Flexibilität: Speicherkapazität, Speicherleistung, Phasenmodell und räumliche Anordnung lassen sich mehr oder weniger frei bestimmen, aufgrund der universellen Batteriespannung von 48 Volt stehen zudem Blei- und Li-Ion-Batterien diverser Hersteller für den Betrieb mit dem Sunny Island-Wechselrichter zur Verfügung. Somit lassen sich die Systeme exakt an den jeweiligen Anwendungsfall (jährlicher Stromverbrauch, individuelles Lastprofil, Erzeugung der PV-Anlage, gewünschter Autarkiegrad) anpassen. Darüber hinaus kann das System in nahezu jeder PV-Anlage nachgerüstet werden und enthält auf Wunsch auch die Funktion einer ausfallsicheren Stromversorgung (die realisierbare Überbrückungszeit ist natürlich ebenfalls flexibel).
So ist es mit dem FSS möglich, eine dreiphasige Speicheranlage mit einer 20 kWh Bleibatterie und einer 30min-Leistung von 24 kW aufzubauen – ein einphasiges Li-Ion-System mit 4 kWh Kapazität und 2,1 kW Nennleistung zur Nachrüstung ist aber ebenso gut realisierbar. Auch nachträgliche Umbauten oder Erweiterungen sind unproblematisch, lediglich die Erweiterung bestehender Batterieverbände an einem Sunny Island bzw. Sunny Island-Cluster[1] ist wegen des jeweils einheitlichen Batteriemanagements nicht möglich.Das FSS bietet aber nicht nur höchste Flexibilität, sondern auch Vorteile in puncto Kosteneffizienz. So ermöglicht es gerade auch durch die Kompatibilität mit vergleichsweise preiswerte Blei-Batterien die Realisierung besonders günstiger Speicherlösungen. Eine automatisch im Jahresverlauf variierte Entladegrenze[2] sorgt zudem für eine optimale und möglichst schonende Nutzung der gegebenen Batteriekapazität. Gut zu wissen: Die typischen Vorurteile zum angeblich generell schlechteren Wirkungsgrad AC-gekoppelter Speichersysteme sind nicht haltbar[3], ganz im Gegenteil: Fakt ist, dass gute AC-gekoppelte Systeme durchaus bessere Wirkungsgrade erzielen als suboptimal konzipierte Speicher mit DC-Kopplung. Auch die Investitionskosten liegen deutlich niedriger als bei vielen der marktgängigen Komplettsysteme.
Aus technischer Sicht interessant sind die ausgeprägte Überlastfähigkeit der Sunny Island Batterie-Wechselrichter, die einfache Phasenkopplung (Überbrückung der drei hausinternen Phasen bei Netzausfall, so dass sie alle über ein Gerät versorgt werden) sowie die Möglichkeit, „echte“[4] dreiphasige Systeme mit 100 Prozent Schieflastfähigkeit zu realisieren. Für die Ersatzstrom-Funktion und den normalen Betrieb zur Eigenverbrauchssteigerung lassen sich zudem unterschiedliche Entladegrenzen der Batterie einstellen.

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