Einsatzbereiche für Batteriespeicher
Batteriespeicher ermöglichen in Kombination mit einer Photovoltaikanlage eine Stromversorgung abfern des Stromnetzes.
Im häuslichen Bereich werden Batteriespeicher oft im Zusammenspiel mit einer Photovoltaikanlage betrieben (Hauspeicher). Somit können Ertragsüberschüsse während des Tages in ertragsarmen bzw. ertragslosen Abend- und Nachtstunden genutzt werden und Eigenverbrauch, Autarkie und Versorgungssicherheit erhöht werden.[1]
Im gewerblichen Bereich werden Batteriespeicher mit größerer Speicherkapazität eingesetzt. Mehrere Batteriespeicher können zu einem Batterie-Speicherkraftwerk mit Speicherkapazitäten bis in den dreistelligen Megawatt-Bereich (MW) verbunden werden.
Verwendete Akkumulatoren für Solaranlagen
Es werden folgende Batteriesystem verwendet: Blei-Batteriesysteme, NiCd-Batterien, NiMH-Batterien, Li-Ion-Batterien, NaNiCl2-Batterie, Ultracaps (Superkondensatoren) die in nachfolgender Tabelle mit ihren charakteristischen Daten verglichen sind:
| Batteriesystem[2] | Pb/PbO2 | NiCd | NiMH | Li-Ion | NaNiCl2 | UCap |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Energiedichte (bei 2h entl.) [Wh/kg] | 35 | 50 | 66 (HE) | 149 | 94 | 3,4 |
| Leistungsdichte [W/kg] | 100 | 180 | 150 | 664 | 169 | 2700 |
| Zellennennspannung [V] | 2,00 | 1,2 | 1,2 | 3,6 | 2,58 | 2,5 |
| Ladeschlussspannung [V] | 2,05 | 1,65 | 1,55 | 4,0 | 2,85 | 2,8 |
| Entladeschlussspannung [V] | 1,7 | 1,0 | 1,0 | 2,7 | 1,72 | 1,4 |
Bleiakkumulatoren
Der in der Vergangenheit am häufigsten für Batteriespeicher verwendete Akkutyp war der Bleiakkumulator. Für seinen Einsatz sprach der geringe Preis pro speicherbarer Energiemenge, die erreichbare Wartungsfreiheit, die geringe Selbstentladung und der vergleichsweise hohe Wirkungsgrad von etwa 80 %. Die Verluste bei Bleiakkus sind zum Teil durch das Ausgasen von Knallgas bei der Ladung zu erklären. Bei wartungsfreien Blei-Gel-Akkus sind die Ausgasungen reduziert.
Solar-Bleiakkumulatoren unterscheiden sich in ihrem inneren mechanischen Aufbau von anderen Bleiakkumulatoren: Sie sind optimiert auf eine besonders hohe Lebensdauer, Zyklenfestigkeit und das Verhalten bei tiefer Entladung. Typisch sind Zyklenzahlen von 1200 (mit einer Entladetiefe von ca. 80 %) bis zu einer Restkapazität von 80 %. Wartungsfreie Blei-Gel-Akkus haben den Vorteil, dass sich keine oder nur eine minimale Säureschichtung ausbildet, sie dafür aber nur eine wesentlich geringere Zyklenzahl von 400 bis 600 erlauben. Eine zusätzliche Umwälzung der Säure verhindert bei Blei-Akkus komplett die Säureschichtung. Dies ist vor allem im stationären Betrieb von Bedeutung.
Zum Teil wurden auch sogenannte Staplerbatterien eingesetzt; das sind Akkus, die üblicherweise bei Gabelstaplern als Antriebsbatterie zum Einsatz kommen. Dabei handelt es sich ebenfalls um Bleiakkumulatoren, jedoch mit 1500 Ladezyklen.[3]
Lithium-Ionen-Akkumulatoren
In jüngerer Zeit haben sich Lithium-Ionen-Akkumulatoren als meist verwendeter Batteriespeicher durchgesetzt: Im vierten Quartal 2015 waren in Deutschland 90 Prozent aller geförderten Speichersysteme Lithiumbatterien.[4] Insbesondere werden auch Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren eingesetzt, welche sich durch eine hohe Zyklenfestigkeit, hohe Sicherheit und kleinen Preis auszeichnen und auch als Antriebsbatterien zum Einsatz kommen.[5][6][7][8] Der Wirkungsgrad liegt Stand 2012 in der Größenordnung 90 % bis 95 %.[9]
Grund für die zunehmende Verbreitung sind stark gefallene Preise (siehe auch Akku-Preise)[10][6] und eine höhere Zyklenfestigkeit als bei Bleiakkus. Einige Hersteller geben aufgrund von Simulationen an, mehr als 10.000 Lade- und Entladezyklen erreichen zu können.[11][12][13] Unabhängige wissenschaftliche Publikationen verweisen auf geringe Erfahrungswerte im Praxiseinsatz;[14] die Verbraucherzentrale NRW nimmt eine Lebensdauer von 10 bis 15 Jahren an.[15]
Redox-Flow-Batterie
Eine Redox-Flow-Batterie speichert elektrische Energie in chemischen Verbindungen, wobei die Reaktionspartner in einem Lösungsmittel in gelöster Form vorliegen. Die Energiedichte ist niedriger als bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren, aber die Redox-Flow-Batterie bietet einige Vorteile: Die Zyklenfestigkeit mit bis zu 20.000 Ladevorgängen ist höher und das Risiko für einen Brand ist geringer.
Weitere Konzepte
Als Batteriespeicher können ebenfalls gebrauchte Akkus von Elektroautos genutzt werden, die für ihren ursprünglichen Einsatzzweck nicht mehr genug Kapazität haben, als Batteriespeicher jedoch noch ausreichen. Derartige Akkus haben oft noch 70 bis 80 % ihrer ursprünglichen Kapazität, sind aber deutlich günstiger als fabrikneue Batteriespeicher.[16]
In Deutschland sind auch Lösungen realisiert, bei denen Hausbesitzer mit Solaranlagen den Akku des eigenen Elektroautos als Stromspeicher nutzen („bidirektionales Laden“).[17] Derzeit fehlen aber noch die technischen und regulatorischen Voraussetzungen für einen Masseneinsatz.
Der Ökostromversorger Lichtblick schaltet die Batteriespeicher seiner Kunden zu einer Schwarmbatterie zusammen, die dann zentral gesteuert wird. Die Kunden erhalten Geld für die Bereitstellung ihrer Speicher.[18]
Eine Marktübersicht der erhältlichen Batteriespeichersysteme hat das PV Magazin[19] und C.A.R.M.E.N. e.V.[20] jeweils erstellt.
Wirtschaftlichkeit
Für die Berechnung der Wirtschaftlichkeit eines Batteriespeichers sind zahlreiche Parameter zu berücksichtigen, die häufig mit Unsicherheit behaftet sind:[14]
- Anschaffungs- und Installationskosten des Speichers und seines Zubehörs (abzgl. eventueller Förderbeträge)
- die Lebensdauer des Speichers und der Verlauf der Degradation
- die Höhe der Einspeisevergütung
- die zukünftige Strompreisentwicklung
- Wartungs- und Reparaturkosten
- das Lastprofil (zeitlicher Verlauf des Eigenverbrauchs über den Tagesverlauf und die Jahreszeiten hinweg)
- das Erzeugungsprofil (zeitlicher Verlauf der Stromerzeugung über den Tagesverlauf und die Jahreszeiten hinweg)
- der Wirkungsgrad des Wechselrichters und Verluste beim Laden und Entladen der Akkus[21][22]
- eventuelle Finanzierungskosten
Eine Studie der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin von 2019 im Auftrag der Verbraucherzentrale NRW stellte für verschiedene Szenarien privater PV-Anlagen einen durchgängig negativen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit von PV-Anlagen fest und kam zu dem Schluss, „dass der Speicherkauf unter den getroffenen Annahmen und Rahmenbedingungen heute praktisch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht begründet werden kann.“[14] Zu einem ähnlichen Ergebnis gelangte auch eine Studie der RWTH Aachen von 2015. Sie prognostizierte zwar eine sich verbessernde Wirtschaftlichkeit aufgrund fallender Speicherpreise und Einspeisevergütungen, rechnet jedoch erst für ab 2030 installierte Anlagen mit einer ungefährdet positiven Wirtschaftlichkeit.[23]