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Produkte

Produkte (8)

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Eine Übersicht der von New Energy Light Solutions angebotenen Solar-Komponenten erhalten Sie als angemeldeter Benutzer!

 

Aus unserem Sortiment an Kabel, Stecker und Buchsen bieten wir Produkte der folgenden Hersteller zu TOP-Preisen an.

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Preise Solarmodule, Wechselrichter, Batteriespeicher, Unterkonstruktion

Preise Solarmodule, Wechselrichter, Batteriespeicher, Unterkonstruktion (2)

NELS

Alle mit  Preisen versehenen Photovoltaik-Artikel die von  New Energy Light Solutions angeboten werden

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Donnerstag, 23 April 2020 07:01

Photovoltaik Endkundenpreise inkl. 16% MwSt.

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Endkundenpreise inkl. 16%MwSt. (für den Zeitrum von 01.07.2020 - 31.12.2020) für angebotene PV-Komponenten.

 TOP-Aktuell24.07.2020 (gilt bis Ende August)

Amerisolar AS-6P30 poly 280Wp Ab Lager; 1Palette ist 66Stk. 65,89 €/Stk.
Amerisolar AS-6P30 poly 285Wp Ab Lager; 1Palette ist 66Stk. 67,07 €/Stk.
Amerisolar AS-6M30  mono 310Wp Ab Lager; 1Palette ist 66Stk. 76,74 €/Stk.
Amerisolar AS-6M30  mono 320Wp Ab Lager; 1Palette ist 66Stk. 79,21 €/Stk.

Unsere wöchentliche Preisübersicht /Our weekly Price overview

Solar/PV Module kommissioniert / Solar PV panels commissioned

Wechselrichter_Inverter

Solarspeicher, Energiespeicher, KFZ-Ladestationen / Solar storage, energy storage, car charging stations

Komplett PV-Anlagen mit und ohne Energiespeicher

Irrtum und Zwischenverkauf bleibt vorbehalten. Angebot gilt nur solange Vorrat reicht. Es gelten immer die Preise welche in der aktuellen Übersicht veröffentlicht werden. Die Preise vorhergehender Übersichten verlieren mit der Folgenden Preisübersicht die Geltung.

Alle Preise verstehen sich inkl. MwSt. zzgl. Fracht (außer wenn expliziet "DDP = Frachtfrei" angeboten wird).

Mittwoch, 06 Dezember 2017 10:27

angeboten Photovoltaikmodule

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Hier eine Übersicht der von New Energy Light Solutions angebotenen Photovoltaik-Modulen

Sie bekommen bei uns Module aller TIER1 Hersteller sowie alle gängigen, nicht von Strafzoll betroffenen Module und "non EU-Module".

AEG Candian Solar JA Solar REC  SUNTECH
ALEO Conergy Jinko Recom Tratek
Amerisolar CSUN Kioto S-Energy TRINA
Astronergy Ecodelta KDM (Kingdom Solar) Shinetime  WINAICO
AUO/BenQ Firstsolar LG Solarfabrik 2.0  Wotech
Autarco GCL München Solar Solarpeace
AXSUN HAT-SAAE NSP Solarworld
BAUER Solar Heckert Panasonic Solarworld Industries
BISOL Hisunage Perlight Sonnenstrom
Boviet Hyundai Powitt SpectraVolt
Bruk-Bet Solar IBC Q.Cells SunnClass

Wenn die von Ihnen gesuchten PV-Modulmarken hier nicht aufgeführt sind, fragen Sie uns, auch für NON-EU Module.

Anfragen unter info@nels24.de

Mittwoch, 06 Dezember 2017 10:24

angebotenen Solarspeicher

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NELS

Hier eine Übersicht der von New Energy Light Solutions angebotenen Solarspeicher

Sie bekommen bei uns fast alle Solarspeicher der gängigen Hersteller.

Alpha; LG; LG-Chem; BYD; SMA/BYD; Benning; BMZ; SOLAX;

SolarEdge; Solutronic; Fronius; GCL; SONY; GOODWE; MCE;

SuperB; Hoppecke; Samsung; Tesvolt, VARTA; IBC; Kostal und andere

Learn more about solar batteries

Wenn die von Ihnen gesuchten Speicher hier nicht aufgeführt sind, fragen Sie uns.

Anfragen unter info@nels24.de

Mittwoch, 06 Dezember 2017 09:52

angebotene Wechselrichter

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NELS

Hier eine Übersicht der von New Energy Light Solutions angebotenen Wechselrichter

Sie bekommen bei uns Wechselrichter aller gängigen Hersteller.

ABB/PowerOn  Autarco AECO
Chint DELTA Energy ENPHASE
Fronius Ginlong - Solis
GOODWE
GROWATT HUAWEI KACO
KOSTAL KOSTAL Omniksol
AE / REFUsol Samil SMA
SOLAREDGE SolarMax SolaX Power
Solutronic SUNGROW Tigo
Zeversolar

Wenn die von Ihnen gesuchten Wechselrichter hier nicht aufgeführt sind, fragen Sie uns.

Anfragen unter info@nels24.de

Mittwoch, 06 Dezember 2017 09:50

angebotene Kabel - Stecker und Buchsen

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NELS

Hier eine Übersicht der von New Energy Light Solutions angebotenen Kabel, Stecker und Buchsen.

Huber&Suhner

LappKabel

HeluKabel

HIS

KBE

  TopKabel

EUPEN

LEONI

Amphenol

Multicontact

Sie erhalten bei uns auch Kabel jeden Querschnitts und Material für Zuleitungen, Erdverlegung und diversen Anwendungen.

Bei Anfragen senden Sie diese bitte an info@nels24.de

Dienstag, 26 Mai 2015 15:22

Energiespeicher

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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.
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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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Montag, 30 November -0001 00:00

Photovoltaik Technik und Funktionsweise

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die 3 typen von zellen 

Eine Solarzelle oder photovoltaische Zelle ist ein elektrisches Bauelement, das kurzwellige Strahlungsenergie, in der Regel Sonnenlicht, direkt in elektrische Energie umwandelt. Die Anwendung der Solarzelle ist die Photovoltaik. Die physikalische Grundlage der Umwandlung ist der photovoltaische Effekt, der ein Sonderfall des inneren photoelektrischen Effekts ist.

Durch Reihenschaltung von einzelnen Solarzellen und abschließende Kapselung entstehen die zur Energieerzeugung verwendeten Solarmodule. Die Reihenschaltung ist bei Dünnschichtmodulen in den Prozess der Zellfertigung integriert, bei den weit verbreiteten kristallinen Modulen durch Auflöten von Verbindern auf fertige Solarzellen realisiert.

Manchmal werden auch Elemente eines Sonnenkollektors als Solarzelle bezeichnet. Sie erzeugen aber keinen elektrischen Strom, sondern Prozesswärme und ersetzen beispielsweise Warmwasser-Boiler.

 

Photovoltaik:

Unter Photovoltaik versteht man die direkte Umwandlung von Lichtenergie, meist aus Sonnenlicht, in elektrische Energie mittels Solarzellen. Seit 1958 wird sie in der Raumfahrt genutzt („Sonnensegel“). Inzwischen wird sie überwiegend auf der Erde zur Stromerzeugung eingesetzt und findet unter anderem Anwendung auf Dachflächen, bei Parkscheinautomaten, in Taschenrechnern, an Schallschutzwänden und auf Freiflächen.

Der Begriff leitet sich aus dem griechischen Wort für „Licht“ (φῶς, phos, im Genitiv: φωτός, photos) sowie aus der Einheit für die elektrische Spannung, dem Volt (nach Alessandro Volta) ab. Die Photovoltaik ist ein Teilbereich der Solartechnik, die weitere technische Nutzungen der Sonnenenergie einschließt.

Ende 2014 waren weltweit mehr als 177 GWp Nennleistung installiert, die mit rund 200TWh jährlicher Produktion etwa 1 % des weltweiten Strombedarfs decken könnten. In Europa deckte die Photovoltaik 3,5 % des gesamten Strombedarfes bzw. 6 % des Spitzenlastbedarfes. Spitzenreiter war Italien mit einem Anteil von etwa 8 % am Stromverbrauch. In Deutschland trägt Photovoltaik mit etwa 7 % zum Stromverbrauch bei.

Seit Beginn des Photovoltaikausbaus sind die Kosten der Photovoltaik stark gesunken. Mittlerweile liegen die Stromgestehungskosten der Photovoltaik in bestimmten Regionen der Erde auf gleichem Niveau oder sogar niedriger als bei fossilen Konkurrenten (Stand 2014). Inklusive Speicher, die bei hohem Anteil der Photovoltaik am Strommix notwendig werden, liegen die Kosten höher als bei fossilen Kraftwerken.

 

Photoelektrischer Effekt:

Unter dem Begriff photoelektrischer Effekt (auch lichtelektrischer Effekt oder kurz Photoeffekt) werden drei nah verwandte, aber unterschiedliche Prozesse der Wechselwirkung von Photonen mit Materie zusammengefasst. In allen drei Fällen wird ein Elektron aus einer Bindung – z. B. in einem Atom oder im Valenzband oder im Leitungsband eines Festkörpers – gelöst, indem es ein Photon absorbiert. Die Energie des Photons muss dazu mindestens so groß wie die Bindungsenergie des Elektrons sein.

Man unterscheidet drei Arten des photoelektrischen Effekts:

  • Als äußeren photoelektrischen Effekt (auch Photoemission oder Hallwachs-Effekt) bezeichnet man das Herauslösen von Elektronen aus einer Halbleiter- oder Metalloberfläche (siehe Photokathode) durch Bestrahlung. Dieser Effekt wurde bereits im 19. Jahrhundert entdeckt und 1905 von Albert Einstein erstmals gedeutet, wobei er den Begriff des Lichtquants einführte.
  • Der innere photoelektrische Effekt tritt in Halbleitern auf. Man unterscheidet zwei Fälle:Unter Photoionisation (auch atomarer Photoeffekt) schließlich versteht man die Ionisation von Atomen oder Molekülen durch Bestrahlung mit Licht genügend hoher Frequenz.
    1. Als Photoleitung bezeichnet man die Zunahme der Leitfähigkeit von Halbleitern durch Bildung von nicht aneinander gebundenen Elektron-Loch-Paaren.
    2. Darauf aufbauend ermöglicht der photovoltaische Effekt die Umwandlung von Licht- in elektrische Energie.

 

Photovoltaische Zellarten

- Monokristalline Zellen

- Polikristalline Zellen

- Dünnschichtzellen

- Andere Solarzellentypen

 

Monokritalline Zellen:

monokristalline Solarzelle

Ein Einkristall oder Monokristall ist ein makroskopischer Kristall, dessen Bausteine (Atome, Ionen oder Moleküle) ein durchgehendes einheitliches, homogenes Kristallgitter bilden. Dies unterscheidet Einkristalle von polykristallinen Aggregaten, verzwillingten Kristallen oder amorphen Substanzen.

Chemische Einteilung

Man kann Einkristalle nach ihrem chemischen Aufbau in drei Gruppen einteilen:

Chemische Elemente
Einkristalle werden in der Halbleiterindustrie zur Herstellung von Wafern benötigt, beispielsweise aus Silicium. Große Einkristalle werden durch Animpfen von geschmolzenem Ausgangsmaterial mit einem kleinen Einkristall (Impfkristall) im Czochralski-Verfahren (Tiegelziehen) hergestellt. Eine andere Möglichkeit stellt das Zonenschmelzverfahren dar.
Chemische Verbindungen
Neben den Einkristallen aus einem chemischen Element werden in der Elektronik auch Einkristalle aus mehr oder weniger komplexen Verbindungen wie Galliumarsenid oder Lithiumniobat verwendet.
Zur Strukturaufklärung von chemischen Verbindungen unter Anwendung von Röntgenstrahlen, Neutronenstrahlen oder Synchrotronstrahlen werden Einkristalle benötigt, um unter anderem die genauen Bindungslängen und die Anordnung der Atome in einem Molekül zu ermitteln. Die dafür verwendeten Kristalle sind dabei meistens kleiner als ein Millimeter.
(Biologische) Makromoleküle
Mit Hilfe der Einkristall-Röntgenstrukturanalyse werden die dreidimensionalen Strukturen von makrocyclischen Verbindungen, Naturstoffen, Proteinen, DNA und RNA bei hoher Auflösung bestimmt.

Anwendung zur Analyse

Die Kristallstrukturanalyse zur Aufklärung von Molekülstrukturen ist heute eine Standardmethode der Chemie und der Biochemie. Hierfür ist jedoch die Kristallisation der Moleküle Voraussetzung, was insbesondere bei biologischen Molekülen sehr schwierig sein kann. Idealerweise wird die Untersuchung an einem Einkristall durchgeführt. Manchmal ist dies unmöglich, da nicht genügend große Einkristalle einer Substanz zur Verfügung stehen. Heutzutage ist es zwar möglich, selbst das Beugungsmuster von Kristallpulvern im Rahmen einer Kristallstrukturanalyse auszuwerten, allerdings geht hierbei durch Überlagerung von Beugungsmaxima Information verloren, sodass die Ergebnisse von geringerer Qualität sind. Doch selbst aufwendig gezüchtete Einkristalle besitzen noch Gitterfehler.

Mechanisch-technische Anwendung

In der Technik werden Einkristalle wegen ihrer reproduzierbaren Eigenschaften eingesetzt. Da sie nahezu keine Korngrenzen oder andere Strukturfehler besitzen, erhöht sich beispielsweise die mechanische Belastbarkeit des Materials. So werden z. B. Turbinenschaufeln aus einer einkristallinen Nickelbasis-Legierung gefertigt. Dabei haben diese Einkristalle eine einheitliche Ausrichtung der Gitterstruktur, können aber durchaus mehrere Phasen besitzen.

Einkristalline Oberflächen und zweidimensionale Kristalle

Auch die Oberflächen von anorganischen Einkristallen sind einkristallin. Sie können als zweidimensionaler Einkristall verstanden werden, wenn man nur die oberste Schicht betrachtet, und sind Gegenstand der Forschung im Bereich der Oberflächenchemie und -physik. Niedrig indizierte Einkristalloberflächen sind z. B. Si(111), Ag(100) oder Au(110). Auf diesen Oberflächen sind die Atome auf ebenen Terrassen angeordnet, die durch meist monoatomare Stufen unterbrochen sind. An diesen Stufen zeigen Adsorbate ein anderes Verhalten als auf atomar glatten Bereichen. Bringt man eine einzelne Schicht organischer Moleküle auf einkristalline Oberflächen auf, erhält man bei niedriger Bedeckung meist Selbstorganisierende Monoschichten. Diese nur eine Moleküllage hohen organischen Schichten können analog zu anorganischen einkristallinen Oberflächen als zweidimensionale Einkristalle bezeichnet werden. Wie bei aus Atomen aufgebauten Einkristallen sind die Moleküle auch hier hochgeordnet. Graphen, eine freistehende Schicht aus Kohlenstoffatomen, ist ebenfalls ein zweidimensionaler Einkristall.

 

Polykritalline Zellen:

polykristaline Zelle

Polykristall

Ein Polykristall (auch Multikristall oder seltener Vielkristall) ist ein kristalliner Festkörper, der aus vielen kleinen Einzelkristallen (Kristalliten) besteht, die durch Korngrenzen voneinander getrennt werden. Die einzelnen Kristallite können sehr unterschiedliche Größen haben. Im Allgemeinen werden Kristalle mit Kristallitgrößen im Größenbereich Mikrometer bis Zentimeter als polykristallin bezeichnet.

Abgrenzung

Stoffe mit kleinen Kristalliten werden häufig als mikrokristallin oder (selten) als nanokristallin bezeichnet. Ein Kristall, dessen Bausteine ein durchgehendes einheitliches, homogenes Kristallgitter bilden, wird Einkristall oder Monokristall genannt.

Die meisten kristallinen Festkörper in der Natur sind polykristallin. Die polykristalline Struktur wird daher oft nicht erwähnt, sondern als Normalfall angenommen. Es gibt aber auch Stoffe, die als Einkristalle entstehen: Beispielsweise haben Diamanten eine fast perfekt monokristalline Form.

Verwendung

Da Metalle in der Regel zu Polykristallen erstarren, haben – von wenigen Ausnahmen abgesehen (Turbinenschaufeln werden teilweise aus Einkristallen hergestellt) – Strukturwerkstoffe wie Stahl, Aluminium und Titan eine polykristalline Struktur. Aus diesem Grund haben metallische Werkstoffe mit zufälliger Textur trotz der Kristallanisotropie, isotrope Eigenschaften. In der Technik werden Polykristalle des Weiteren für Solarzellen verwendet (polykristallines Silicium). Sie sind in der Regel kostengünstiger herzustellen als Solarzellen aus monokristallinem Silicium, das auch zur Herstellung von Microchips eingesetzt wird. Polykristalline Solarzellen zeigen jedoch einen geringeren Wirkungsgrad.

Künstliche polykristalline Diamanten werden in der Holz-, Kunststoff- und Nichteisenmetall-Bearbeitung als Schneidwerkzeuge

 

Dünnschicht Zellen:

amorphe Zellstruktur

Dünnschichtzellen gibt es in verschiedenen Ausführungen, je nach Substrat und aufgedampften Materialien. Die Spannbreite der physikalischen Eigenschaften und der Wirkungsgrade ist entsprechend groß. Dünnschichtzellen unterscheiden sich von den traditionellen Solarzellen (kristallinen Solarzellen basierend auf Siliciumwafern) vor allem in ihren Produktionsverfahren und durch die Schichtdicken der eingesetzten Materialien. Die physikalischen Eigenschaften amorphen Siliciums, die von kristallinem Silicium verschieden sind, beeinflussen die Solarzelleneigenschaften. Manche Eigenschaften sind auch noch nicht vollständig verstanden.

Auch bei kristallinen Solarzellen wird das Licht bereits in einer dünnen Oberflächenschicht (ca. 10 µm) absorbiert. Es liegt daher nahe, Solarzellen sehr dünn zu fertigen. Verglichen mit kristallinen Solarzellen aus Siliciumwafern sind Dünnschichtzellen etwa 100-mal dünner. Diese Dünnschichtzellen werden meist durch Abscheiden aus der Gasphase direkt auf einem Trägermaterial aufgebracht. Das kann Glas, Metallblech, Kunststoff oder auch ein anderes Material sein. Der aufwändige, im vorigen Kapitel beschriebene Prozess des Zerschneidens von Siliciumblöcken kann also umgangen werden.

Das bisher gängigste Material für Dünnschichtzellen ist amorphes Silicium (a-Si:H). Solche Dünnschichtmodule sind langlebige Produkte. Freiluft-Tests zeigen stabile Wirkungsgrade über mehr als zehn Jahre. Mögliche weitere Materialien sind mikrokristallines Silicium (µc-Si:H), Gallium-Arsenid (GaAs), Cadmiumtellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-(Gallium)-Schwefel-Selen-Verbindungen, die so genannten CIGS-Solarzelle bzw. CIS-Zellen, wobei hier je nach Zelltyp S für Schwefel oder Selen stehen kann. Ein neues Material, das neu in der Dünnschichttechnologie Anwendung findet, ist CZTS.

Wirkungsgrade im Bereich von 20 % (21,7 % mit CIGS-Solarzellen, siehe) für kleine CIGS-Laborzellen (≈ 0,5 cm²) sind durchaus möglich. CIGS-Dünnschichtmodule erreichen inzwischen ähnliche Wirkungsgrade wie Module aus polykristallinem Silicium (1112 %)
Für Cadmiumtellurid-Zellen lag der Wirkungsgrad bei Laborzellen im August 2014 bei 21 %.
Wichtiger sind oft die Kosten, zu denen Strom aus den Solarzellen produziert werden kann, dazu kommen wichtige Kriterien wie die Emission von Schadstoffen. Aktuelle Studien belegen, dass Cadmiumtellurid-Dünnschicht-Solarzellen hier eine bessere Bilanz als konventionelle Siliciumzellen aufweisen.

Eine weitere Stärke von Dünnschichtmodulen ist, dass sie einfacher und großflächiger produziert werden können, insbesondere die Dünnschichtzellen aus amorphem Silicium. Dünnschichtmodule sind nicht auf ein rigides Substrat wie Glas oder Aluminium angewiesen; bei aufrollbaren Solarzellen für den Wanderrucksack oder eingenäht in Kleider wird ein geringerer Wirkungsgrad in Kauf genommen; der Gewichtsfaktor ist wichtiger als die optimale Lichtumwandlung.

Zur Herstellung eignen sich Maschinen, welche auch zur Herstellung von Flachbildschirmen eingesetzt werden. Dabei werden Beschichtungsflächen von über 5 m² erreicht. Mit den Verfahren zur Herstellung von amorphem Silicium lässt sich auch kristallines Silicium in dünnen Schichten herstellen, sogenanntes mikrokristallines Silicium. Es vereint Eigenschaften von kristallinem Silicium als Zellenmaterial mit den Methoden der Dünnschichttechnik. In der Kombination aus amorphem und mikrokristallinem Silicium wurden in den letzten Jahren beachtliche Wirkungsgradsteigerungen erzielt.

Ein Verfahren für die Fertigung kristalliner Dünnschichtzellen aus Silicium ist CSG, (Crystalline Silicon on Glass); dabei wird eine weniger als zwei Mikrometer dünne Siliciumschicht direkt auf einen Glasträger aufgebracht; die kristalline Struktur wird nach einer Wärmebehandlung erreicht. Das Aufbringen der Stromführung erfolgt mittels Laser- und Tintenstrahldrucktechnik. Dafür wurde 2005 von der Firma CSG Solar eine Fabrikationsanlage in Deutschland gebaut. Weil das Verfahren nicht wirtschaftlich zu betreiben war, musste das Unternehmen nach kurzer Zeit seine Produktion einstellen. Der chinesische Solarkonzern Suntech erwarb das Unternehmen und seine Technologie, hat aber 2011 die Aktivitäten in diesem Bereich aufgegeben und das Unternehmen geschlossen.

Es werden derzeit Dünnschichtsolarzellen aus schwarzem Silicium entwickelt, die einen etwa doppelten Wirkungsgrad erreichen sollen.

 

Andere Solarzellentypen:

Konzentratorzellen

Bei Konzentratorzellen (auch Konzentrator-Photovoltaik, engl: Concentrated PV, CPV) wird Halbleiterfläche eingespart, indem das einfallende Sonnenlicht zunächst auf einen kleineren Bereich konzentriert wird. Das erreicht man durch Konzentratoren, wie z. B. Linsen, zumeist Fresnel-Linsen, oder auch Lichtleitkörper, die die Totalreflexion nutzen. Diese sind im Vergleich zu Halbleitern bezogen auf die Fläche preiswerter. Es kann somit zu geringeren Kosten die Sonneneinstrahlung einer größeren Fläche ausgenutzt werden. Häufig verwendete Materialien für Konzentratorsolarzellen sind III-V-Halbleiter. Zumeist werden Mehrfachsolarzellen (siehe nächster Abschnitt) verwendet, die für vollflächige Solarzellen unwirtschaftlich wären. Sie arbeiten noch zuverlässig bei mehr als dem 500-fachen der Sonnenintensität. Konzentratorsolarzellen müssen dem Sonnenstand nachgeführt werden, damit ihre Optik die Sonnenstrahlung auf die Zellen bündeln kann. Zusätzlicher Effekt der Lichtkonzentration ist außerdem eine Erhöhung des Wirkungsgrades, da die Leerlaufspannung ansteigt. Die US-Energiebehörde hat mit dieser Technik Wirkungsgrade von über 40 % erreicht.

Mehrfachsolarzellen

Mehrfachsolarzellen bestehen aus zwei oder mehr Solarzellen mit verschiedenem Material, die monolithisch übereinander geschichtet sind. Zweck dieser Anordnung ist es, den Wirkungsgrad der gesamten Anordnung zu erhöhen. Die Wirkungsgrade bei Labormustern von Tandem-Konzentratorsolarzellen erreichten 2008 und 2009 über 40 %. So wurde am Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE mit einer Mehrfachsolarzelle und 454-facher Konzentration ein Wirkungsgrad von 41,1 % erzielt.

Elektrochemische Farbstoff-Solarzelle

Bei Farbstoffsolarzellen, auch bekannt als Grätzel-Zellen, wird der Strom anders als bei den bisher aufgeführten Zellen über die Lichtabsorption eines Farbstoffes gewonnen; als Halbleiter kommt Titandioxid zum Einsatz. Als Farbstoffe werden hauptsächlich Komplexe des seltenen Metalls Ruthenium verwendet, zu Demonstrationszwecken können aber selbst organische Farbstoffe, zum Beispiel der Blattfarbstoff Chlorophyll oder Anthocyane (aus Brombeeren), als Lichtakzeptor verwendet werden (diese besitzen jedoch nur eine geringe Lebensdauer). Die Funktionsweise der Zelle ist noch nicht im Detail geklärt; die kommerzielle Anwendung gilt als recht sicher, ist aber produktionstechnisch noch nicht in Sicht.

Konventionelle n-Typ-Farbstoffsolarzellen arbeiten mit einer Photoanode, einer positiven Elektrode, die mit einem n-Halbleiter, z.B. Titandioxid, und einem Farbstoff beschichtet ist. Trifft Licht darauf, werden die Farbstoffmoleküle angeregt und setzen Elektronen frei. Ein Redoxmediator, der als Bestandteil des Elektrolyten zwischen den Elektroden frei beweglich ist, regeneriert den Farbstoff. Beim p-Typ (p-DSC, p-dye-sensitized solar cell) läuft der Prozess genau entgegengesetzt. Ein spezieller Farbstoff und ein p-Halbleiter befinden sich auf einer Photokathode. Der durch Licht angeregte Farbstoff saugt Elektronen aus dem Valenzband des p-Halbleiters, z.B. Nickeloxid, heraus. Das üblicherweise eingesetzte System aus Iodid und Tri-Iodid ersetzten Wissenschaftler der Monash University, der Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (Australien) und der Universität Ulm durch den Kobalt-Komplex Tris(1,2-diaminoethan)cobalt(II/III), bei dem das Kobalt zwischen den Oxidationsstufen +2 und +3 wechseln kann. Zellen auf dieser Basis erreichen dabei eine höhere Energieumwandlungseffizienz. Ein weiterer Ansatz, um die Leistung von photovoltaischen Zellen zu steigern, ist die Kombination einer n- und einer p-Typ-Farbstoffsolarzelle zu einer Tandem-Solarzelle.

Organische Solarzellen

Eine organische Solarzelle ist eine Solarzelle, die aus Werkstoffen der organischen Chemie besteht, d. h. aus Kohlenwasserstoff-Verbindungen (Kunststoffen). Diese Verbindungen haben elektrisch halbleitende Eigenschaften. Der Wirkungsgrad, mit dem Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt wird, liegt mit 12,0 % (Stand Januar 2013) noch unterhalb von dem von Solarzellen aus anorganischem Halbleitermaterial. Organische Solarzellen bzw. Plastiksolarzellen, wie sie auch genannt werden, sind aufgrund der Möglichkeiten hinsichtlich günstiger und vielseitiger Herstellungsverfahren ein aktuelles Forschungsthema. Die von den Herstellern dieser Zellen auf Kunststoffbasis genannten Vorteile gegenüber herkömmlichen Siliciumsolarzellen sind:

  • Geringe Herstellungskosten aufgrund billiger Produktionstechnologien
  • Hohe Stromausbeuten durch Dünnschicht-Großflächentechnologien für Kunststoffe
  • Flexibilität, Transparenz und einfache Handhabung (mechanische Eigenschaften von Kunststoffen)
  • Hohe Umweltverträglichkeit (Kunststoffe auf Kohlenstoffbasis)
  • Anpassung an das Sonnenspektrum durch gezielte Polymersynthese
  • „Bunte“ Solarzellen für architektonische Stilelemente

Im Vergleich zu den ersten organischen Solarzellen wurden inzwischen viele Fortschritte erzielt.

Das Material für diesen Solarzellentyp basiert auf organischen Kohlenwasserstoffverbindungen mit spezifischer elektronischer Struktur, dem konjugierten π-Elektronensystem, welches den betreffenden Materialien die wesentlichen Eigenschaften amorpher Halbleiter verleihen. Typische Vertreter organischer Halbleiter sind konjugierte Polymere und Moleküle, wobei auch speziell synthetisierte Hybridstrukturen verwendet werden. Die ersten Kunststoffsolarzellen, die aus konjugierten Polymeren (Elektronendonatoren) und Fullerenen (Elektronenakzeptoren) hergestellt wurden, waren Zwei-Schicht-Solarzellen. Diese Zellen bestehen aus einer dünnen Schicht des konjugierten Polymers, auf die eine weitere dünne Schicht von Fullerenen aufgebracht wird. Aus technologischer Sicht stellen konjugierte Polymere und funktionalisierte Moleküle auf Grund ihrer Prozessierbarkeit aus der Flüssigphase attraktive Basismaterialien für die kostengünstige Massenproduktion flexibler PV-Elemente mit vergleichsweise einfacher Struktur dar. Molekulare Halbleiter hingegen werden üblicherweise in vakuumgestützten Aufdampfprozessen zu wohldefinierten Mehrschichtsystemen verarbeitet und lassen die Herstellung sequentiell abgeschiedener Halbleiterschichten und somit komplexere Zelltypen (z. B. Tandemzellen) zu.

Die organische Photovoltaik (OPV) hat das technologische Potenzial, als sogenannte „Low-cost Energy Source“ Einzug in die mobile Stromversorgung zu halten. Dies auch aufgrund der kostengünstigen Massenfertigung auf Basis etablierter Druckverfahren. Damit könnte mit der organischen Photovoltaik ein neuer Anwendungsbereich erschlossen werden bei gleichzeitig niedrigen Investitionskosten. Die Firma Konarka Technologies GmbH in Nürnberg hatte 2009 erste organische Kollektoren für Mobilgeräte auf den Markt gebracht.

Hybrid-Solarzelle

Eine Hybridsolarzelle ist eine Solarzelle, die organische und anorganische Bestandteile enthält.

Fluoreszenz-Zelle

Fluoreszenz-Zellen sind Solarzellen, die zunächst in einer Platte durch Fluoreszenz Licht größerer Wellenlänge erzeugen, um dieses an den Plattenkanten zu wandeln.

Thermische Photovoltaik-Zellen (TPV)

Unter dem Namen Thermische Photovoltaik-Zellen (TPV) werden Zellen auf Basis von InP (früher GaSb) verstanden, die nicht Sonnenlicht verwerten, sondern Wärmestrahlung, also Licht wesentlich höherer Wellenlänge. Der Wirkungsgrad wurde dabei durch neuere Arbeiten bis auf 12 % gesteigert (vorher maximal 9 %). Eine potentielle Anwendung solcher Zellen wäre die Verwertung von Wärme, wie sie bei großtechnischen Anwendungen in großen Mengen entsteht und die bisher mit zusätzlichem Aufwand entsorgt werden muss.