Salzwasserspeicher – es geht auch umweltfreundlich

Besitzer einer Photovoltaikanlage, die den Solarstrom so gut es geht selbst nutzen möchten, sind auf einen oder mehrere Photovoltaik Speicher angewiesen. Bislang handelt es sich bei den meisten Akkumulatoren für Solaranlagen entweder um Bleiakkumulatoren oder Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Als zukunftsträchtige Alternative sind Salzwasserspeicher zu betrachten, da sie nicht nur umweltfreundlich, sondern auch kostengünstig sind.

Welche GrĂĽnde gibt es fĂĽr die Speicherung von Solarenergie?

Während es sich nach wie vor fĂĽr alle Betreiber älterer Photovoltaikanlagen lohnt, Strom einzuspeisen, empfiehlt sich fĂĽr Besitzer neuerer Anlagen der Eigenverbrauch. In Deutschland liegt der durchschnittliche Strompreis bei 30,22 Cent/kWh (Quelle: Bafa, Stand 2019). Eine Einspeisung des mithilfe der Solaranlage produzierten Stroms rentiert sich nur noch fĂĽr diejenigen, die eine ĂĽber diesen Betrag liegende EinspeisevergĂĽtung erhalten. In den Genuss einer derart hohen EinspeisevergĂĽtung kommen nur noch Betreiber von Anlagen, die mindestens seit 2010 in Betrieb sind. Die EinspeisevergĂĽtung fĂĽr Eigenverbrauch, die im Lauf der Jahre von 25,01 auf 8 – 12 Cent/kWh sank, gibt es seit dem 01.04.2012 nicht mehr. Festhalten lässt sich: je jĂĽnger die Anlage ist, umso eher lohnen sich der eigene Verbrauch der Solarenergie und ein Photovoltaik Speicher.

Verschiedene Akkuarten fĂĽr Solaranlagen

Auf die jeweilige Photovoltaikanlage abgestimmte Akkus ermöglichen es, überschüssig produzierten Strom für eine spätere Verwendung zu speichern. Das heißt, Sie haben die Chance, Solarstrom zu nutzen, obwohl die Module Ihrer Anlage gerade keinen Strom erzeugen können. Anlagenbetreiber, die über keinen Photovoltaik Speicher verfügen, können durchschnittlich lediglich 25-30 Prozent des erzeugten Solarstroms selbst verbrauchen. Der weitaus größere Teil muss – möglicherweise zu ungünstigen Konditionen – eingespeist werden. Die Kombination von laufendem und zeitversetztem Verbrauch des Stroms erhöht den prozentualen Anteil auf mehr als 50 Prozent. Sie haben die Wahl zwischen folgenden unterschiedlichen Akkus für Ihre Solaranlage:

Bleiakkumulatoren
Lithium-Ionen-Akkumulatoren
– Salzwasserspeicher

Bleiakkumulatoren gibt es bereits seit Mitte des 19. Jahrhunderts. Prinzipiell setzt sich jeder Bleiakku aus Bleiplatten und einem Elektrolyt zusammen, die sich in einem absolut säurefesten Gehäuse befinden. Wesentliche Nachteile von Bleiakkumulatoren sind ihre kurze Lebensdauer (5-10 Jahre), ihr hohes Gewicht und mögliches Ausgasen. Lithium-Ionen-Batterien finden seit Anfang der 1990er Jahre Verwendung. Sie zeichnen sich durch ihre Lebensdauer von 15-20 Jahren, ein wesentlich geringeres Gewicht und ihre Entladetiefe aus, die teilweise bis zu 100 Prozent betragen kann. Nachteilig sind die unweltschädigende Gewinnung und Entsorgung von Lithium, Nickel und Kobalt. Salzwasserspeicher oder Natrium-Ionen-Akkumulatoren nutzen nicht Lithium, sondern Natrium als Quelle für Ionen. Ein wesentliches Merkmal der Salzwasserbatterien ist eine mögliche Entladeschlussspannung von 0 V. Eine Tiefentladung beschädigt Akkumulatoren dieses Typs also nicht. Der Salzwasserspeicher besteht aus günstigen, gut verfügbaren Rohstoffen. Mit 12-24 kWh/l liegt dessen Energiedichte jedoch deutlich unter der der anderen beiden Akkuarten.

Batterie, Akkumulator und Speicher

Umgangssprachlich wird häufig nicht zwischen Batterie (Primärbatterie) und Akkumulator (Sekundärbatterie) differenziert. Dabei gibt es einen gravierenden Unterschied zwischen den beiden Energiespeichertypen: Sobald eine Primärbatterie einmal entladen ist, ist sie unbrauchbar, da Sie sie nicht wieder aufladen können. Eine Sekundärbatterie hingegen lässt zumeist mehrere Tausend Ladevorgänge zu. Das heißt: Sie können einen Akku immer wieder aufladen, nachdem Sie die Entladung festgestellt haben. Das Grundprinzip jeglicher Batterien beruht auf einer elektrochemischen Reaktion. Damit diese elektrochemische Reaktion wunschgemäß funktioniert, ist jede Batterie mit einem Pluspol (Kathode) und einem Minuspol (Anode) ausgestattet. Zwischen den beiden unterschiedlich gepolten Elektroden befinden sich eine separierende Schicht und eine ionenleitende Flüssigkeit, der Elektrolyt. Das Ganze ist von einem Behälter aus Metall umgeben. Wenn Sie beispielsweise eine Glühbirne an die Batterie anschließen, läuft die Elektrolyse ab, und es kommt zur Übertragung elektrischer Ladungen zwischen Kathode und Anode. Die am Minuspol verfügbaren negativ geladenen Elektronen bewirken den eigentlichen Stromfluss, der die Glühbirne zum Leuchten bringt. Die Strommenge ist abhängig von der Menge der Elektronen und der Geschwindigkeit, in der diese bereitstehen.

Jeder Akkumulator setzt sich aus einer Vielzahl wiederaufladbarer Zellen zusammen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien lassen Akkumulatoren eine Umkehr der elektrochemischen Reaktion zu: Während des Entladens verwandelt sich die chemische Energie in elektrische Energie, während des Aufladens verwandelt sich die elektrische Energie in chemische Energie zurück. Die drei wichtigsten Größen elektrochemischer Zellen sind Nennspannung, Wirkungsgrad und Energiedichte. Die jeweiligen Werte hängen nicht zuletzt mit den Eigenschaften der eingesetzten Materialien zusammen. Mittlerweile ist es durchaus üblich, nicht nur einzelne Sekundärzellen als Akku oder Akkumulator zu bezeichnen, sondern auch mehrere zusammengeschaltete Sekundärzellen: wiederaufladbare Speicher – unter anderem Photovoltaik Speicher.

Salzwasserspeicher von Innen. Quelle: Wikipedia

Wer erfand den Salzwasserspeicher?

Als Erfinder der Salzwasserbatterie gilt Jay Whitacre, der im Jahr 2007 an der Carnegie-Mellon-Universität in Pittsburgh damit begann, ein zukunftsträchtiges Batteriesystem zu entwickeln. Nach vielen Experimenten mit recht unterschiedlichen Materialien verwendete Whitacre 2008 ein Teil eines Baumwoll-T-Shirts und Salzwasserlösung, um eine Art „Aqueous Hybrid Ion“ Batterie (AHI-Batterie) herzustellen. Die Idee, eine mit Salzlake getränkte Textilie für eine Batterie zu nutzen, hatte vor mehr als 200 Jahren auch schon ein italienischer Physiker. Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta entwarf 1799-1800 die Voltasche Säule. Dieser weltweit erste Energiespeicher mit der auch heute noch ablaufenden elektrochemischen Reaktion setzte sich aus mehreren Schichten Kupfer- und Zinkplättchen zusammen. Zwischen den Metallplättchen lagen mit Elektrolyt getränkte Stücke aus Leder oder aus Pappe.

2008 gründete Jay Whitacre gemeinsam mit Ted Wiley das Unternehmen Aquion mit dem Ziel, kostengünstige und umweltfreundliche Batterien herzustellen. Bereits ein Jahr später war die Technologie so weit entwickelt, dass mit der Produktion der Salzwasserbatterien begonnen werden konnte. 2011 waren es noch kleinere Mengen an Salzwasserbatterien, 2012 bereits größere Mengen, die Aquion vertreiben konnte. Damals wie heute überzeugt die AHI-Batterie vor allem durch ihre saubere Technik. Unter anderem empfiehlt das Unternehmen SMA Solar Technology AG seit 2015 die Aqueous Hybrid Ionen Batterien als Photovoltaik Speicher: Die Integration der AHI-Batterien mit SMA-Wechselrichtern kann problemlos erfolgen.

Wie funktioniert ein Salzwasserspeicher?

Funktion Salzwasserspeicher
Funktion Salzwasserspeicher Quelle: Wikipedia

Generell ist jeder Photovoltaik Speicher mit intelligenter Ladetechnik ausgerüstet, deren Aufgabe es ist, den Stromfluss zwischen Solaranlage, Speicher, Haushalt und öffentlichem Netz zu steuern. Sofern ein Photovoltaik Speicher angeschlossen ist, kommt der produzierte Solarstrom zunächst dem aktuellen Stromverbrauch des Haushalts zugute. Sollte die Stromproduktion über diesem Bedarf liegen, wird der Photovoltaik Speicher aufgeladen. Erst nach kompletter Ladung des Speichers erfolgt die Einspeisung von überschüssigem Strom in das öffentliche Netz – vorausgesetzt, der Stromverbrauch in dem Haus ist abgedeckt. Die Speicherkapazität sollte ausreichen, den Haushalt bis zur nächsten Akku-Aufladung mit dem gespeicherten Strom zu versorgen. Bei zwischenzeitlichem Anschluss von Geräten, die viel Strom verbrauchen, muss möglicherweise dem Netz Strom entnommen werden.

Ein Salzwasserspeicher besteht aus Mangan-Oxid, Aktivkohle, Baumwolle und Salzwasser. Das Manganoxid befindet sich an der Kathode, die Aktivkohle an der Anode. Als textiler Separator dient zumeist Zellulose auf Basis von Baumwolle, und das Salzwasser steht als Elektrolyt zur Verfügung. Dank ihres modularen Aufbaus lässt diese Art Photovoltaik Speicher einen Ausbau zu, der mehrere MWh Kapazität bieten kann. Die Funktion einer Salzwasserbatterie beziehungsweise eines Salzwasserspeichers gründet sich auf sogenannten Interkalationsreaktionen, die an Anode und Kathode stattfinden. Bei einer Interkalationsreaktion handelt es sich um die (auch umkehrbare) Einlagerung von Teilchen in eine als Wirt fungierende Matrix. Voraussetzung für diese spezielle Reaktion sind zu besetzende Leerstellen, die obendrein miteinander verbunden sind. Nach einer geringen Zufuhr von Energie sollen die „Gäste“ (Ionen, Moleküle oder Atome) in der Lage sein, ihren Platz zu wechseln und passende Leerstellen zu belegen. Aufgrund der moderaten Voraussetzungen für den Ablauf einer Interkalationsreaktion gelten Reaktionen dieser Art als „soft chemistry“. Dem wässrigen Elektrolyt ist es zu verdanken, dass diese speziellen Photovoltaik Speicher auf natürliche Weise gegen Überlastungen und Überentladungen geschützt sind.

Die Vorteile moderner Photovoltaik Speicher

Abgesehen von dem Aspekt der Umweltfreundlichkeit können Photovoltaik Speicher, die die Salzwassertechologie nutzen, mit weiteren Vorteilen zu überzeugen. Da Salzwasserbatterien vollständig abgedichtet sind, ist eine regelmäßige Wartung nicht erforderlich. Die selbstausgleichende Funktionsweise macht zudem eine Ausgleichsladung und ein Batteriemanagementsystem entbehrlich. Vorausgesetzt, der Salzwasserspeicher wird keinen extremen Außenbedingungen ausgesetzt, müssen Sie mit keinerlei Gefahr rechnen, die von der Batterie ausgeht. Die Hersteller setzen eine Verwendung der Photovoltaik Speicher innerhalb des Temperaturbereichs von -5 bis 40°C oder 50°C voraus. Der wasserbasierte Elektrolyt ist weder brennbar wie die organischen Lösungsmittel, die Lithium-Ionen-Batterien aufweisen, noch ätzend wie die Schwefelsäure, die sich in Bleibatterien befindet. Tatsächlich enthalten Salzwasserspeicher keine umweltschädlichen Materialien wie giftige Chemikalien, Schwermetalle oder anorganische Lösungsmittel. Vielmehr haben Sie die Möglichkeit, diesen Photovoltaik Speicher nach Nutzungsende als haushaltsüblichen Abfall zu entsorgen. Prinzipiell sind die Lademechanismen der Salzwasserspeicher so beschaffen, dass es zu keinen irreversiblen Kapazitätsverlusten kommen kann. Während Batterien anderer Art zumeist eine 100-prozentige Tiefentladung nicht vertragen, nehmen Salzwasserbatterien hierbei keinen Schaden. Die nutzbare Speicherkapazität beträgt folglich 100 Prozent.

Als einziger Photovoltaik Speicher ist die von Aquion entwickelte Salzwasserbatterie Cradle to Cradle zertifiziert. Der Produkt-Zertifizierung liegt das Cradle to Cradle-Prinzip zugrunde, das eine schlüssige Kreislaufwirtschaft formuliert. Der Ansatz geht auf Michael Braungart und William McDonough zurück, die Ende des 20. Jahrhunderts die Maßstäbe für Cradle to Cradle Produkte festlegten. Demnach muss es sich entweder um biologische Nährstoffe innerhalb biologischer Kreisläufe oder um technische Nährstoffe innerhalb technischer Kreisläufe handeln. Seit dem Jahr 2010 nimmt das Cradle To Cradle Products Innovation Institute (San Francisco) Produktzertifizierungen vor, die folgenden Kriterien entsprechen müssen:

• Materialgesundheit
• Fähigkeit, dem Kreislauf erhalten zu bleiben
• Verwendung erneuerbarer Energien
• verantwortungsbewusster Einsatz von natürlichen Ressourcen
• soziale Gerechtigkeit

Die richtige Größe des Photovoltaik Speichers

Was muss ein Photovoltaik Speicher bieten und können, um als optimal passender Stromspeicher in Zusammenhang mit einer Solaranlage dienen zu können? Nicht zuletzt aus finanziellen Gründen ist jedem, der sich heute für eine Photovoltaikanlage entscheidet, der Erwerb eines Photovoltaik Speichers zu empfehlen. De facto bieten immer mehr Hersteller von Solaranlagen diese bereits mit einem integrierten Speicher an. Sollten Sie indes beabsichtigen, Ihre schon vorhandene Photovoltaikanlage nachzurüsten, gibt es mehrere Punkte zu beachten. Zunächst einmal gilt es, die passende Speicherkapazität zu ermitteln. Die erforderliche Speicherkapazität hängt von der benötigten Strommenge, vom Tag-Nacht-Verhältnis und von der Leistung Ihrer Photovoltaikanlage ab. Indem Sie Ihren Jahresstromverbrauch durch 365 Tage teilen, erhalten Sie den durchschnittlichen Strombedarf pro Tag. Üblich ist die Verwendung des Faktors 1/3, wenn tagsüber mehr Strom als nachts benötigt wird. Liegt der Nachtverbrauch höher, können Sie den Faktor 1/2 einsetzen. Genauere Werte können Sie verwenden, nachdem Sie die prozentuale Verteilung des Strombedarfs tagsüber und nachts ermittelt haben: Lesen Sie an mehreren Tagen jeweils um 6.00 Uhr morgens und um 18 Uhr abends den Stromzähler ab, um die Aufteilung des Strombedarfs festlegen zu können. Liegt der Gesamtstromverbrauch bei etwa 6.000 kWh und der Nachtverbrauch ist erhöht, ist folgendermaßen zu rechnen: 6.000 kWh / 365 x 1/2 = 8,22 kWh. Die Speicherkapazität sollte bei aufgerundet 8,5-9 kWh liegen. Eine optimale Aufladung ist gewährleistet, wenn die Photovoltaikanlage ca. 8 kWp groß ist.

Solaranlage mit Salzwasserspeicher. Quelle: e-gabi_Pixabay

Anschluss auf der Gleichstrom- oder auf der Wechselstromseite?

Prinzipiell haben Sie im Rahmen einer Nachrüstung die Möglichkeit, den Photovoltaik Speicher entweder auf der Gleichstromseite oder auf der Wechselstromseite anzuschließen. Wenn Sie die Gleichstromseite bevorzugen, muss vermieden werden, dem Wechselrichter eine zu niedrige Batteriespannung zur Verfügung zu stellen. Andernfalls würde die Effizienz des Wechselrichters womöglich stark beeinträchtigt werden. Sie ziehen den Anschluss auf der Wechselstromseite vor? Nachteilig an dieser Variante sind die Leistungsverluste durch die Umwandlung des Wechselstroms in Gleichstrom zum Zwecke der Speicherung. Von Vorteil ist indes, dass an den Photovoltaik Speicher der Wechselstrom weitergegeben wird, den der Wechselrichter erzeugt. Deshalb sind Sie weitestgehend frei in der Wahl des Photovoltaik Speichers, sodass das Nachrüsten vergleichsweise unkompliziert ist.

Salzwasserspeicher als Photovoltaik Speicher – Entwicklungsstand

Da sich immer mehr Betreiber einer Photovoltaikanlage für Photovoltaik Speicher entscheiden, werden zunehmend Akkumulatoren auf Basis von Bleisäure und Lithium-Ionen als auch auf Salzwasserbasis produziert. Noch ist der Anteil der Salzwasserspeicher allerdings vergleichsweise sehr niedrig. Dabei eignen sich Salzwasserbatterien sehr gut, um Solar- oder Windenergie stationär zu speichern. Nachteilig ist das hohe Gewicht der umweltfreundlichen Energiespeicher, deshalb ist eine geeignete feste Unterbringung angezeigt. Grundsätzlich gestattet die physikalische Aufteilung des Elektrolyts in Wasser und Salz eine fast verlustfreie Wärmespeicherung – sogar über längere Zeiträume. Ein Manko ist die geringe Spannung: Die Spannungsdifferenz von Wasser liegt bei lediglich 1,23 V, eine Lithium-Ionen-Zelle hingegen hat mit 3,7 V den dreifachen Wert zu bieten. Je höher die Leistungsdichte eines Speichers ist, umso geringer fallen das Gewicht und der Materialverbrauch aus. Dies wiederum senkt die Produktionskosten und macht den Stromspeicher wettbewerbsfähiger. Hersteller von Akkumulatoren und Speichersystemen streben Preise an, die bei maximal 200 Dollar (177 Euro) pro kWh liegen. Die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) erforscht derzeit ein Salz-Wasser-System, das bis zu 2,6 V zur Verfügung stellt. Die Zahl der Ladezyklen soll bei jeweils vollständiger Entladung mindestens 3.000 erreichen.

Welche Anbieter fĂĽr Salzwasserspeicher gibt es und was kosten diese?

Die Firma BlueSky Energy bietet ihre Salzwasserspeicher unter der Bezeichnung GREENROCK an. Die Kapazitäten reichen von 4-24 kWh bis hin zu 1MWh. Das Gewicht des Speichers resultiert aus dem Gewicht pro kWh: 60 kg + 30 kg (für die Anschlussbox). BlueSky Energy gibt 10 Jahre Garantie auf ihre Produkte. Sie müssen mit Kosten ab 652 € pro kWh rechnen, wenn Sie sich für einen Speicher der Marke GREENROCK entscheiden. Ein einphasiges Greenrock Gesamtsystem (24 V) mit 4 kWh nutzbarer Kapazität kostet 4.931 €.

Ein weiterer Hersteller von Salzwasserspeichern ist AEI Winddown, das zum chinesischen Konsortium Juline-Titans LLC gehört. AEI Winddown übernahm im September 2017 das US-amerikanische Unternehmen Aquion Energy. Nach wie vor tragen die Produkte den Namen Aquion. Ein Beispiel für einen Aquion Salzwasserspeicher ist die Aquion AHI S30-0080 Salzwasserbatterie (48 V) mit einer Kapazität von 48,3 Ah bei 20 Stunden und einer entnehmbaren Energie von maximal 2,6 kWh. Der Produktpreis beträgt 1.550 €.

Sind Photovoltaik Speicher förderbar?

Es gibt Förderkredite der KFW. Des Weiteren gibt es Bundesland-Förderungen in Baden-Württemberg, Bayern, Brandenburg, Nordrhein-Westfalen, Saarland, Sachsen und Thüringen. Wie die Förderung im Einzelnen aussieht, erfahren Sie entweder im Internet oder beim jeweiligen Verkäufer. Ob es von Ihrer Stadt oder Region einen Zuschuss bei Kauf eines Solarstromspeichers gibt, klären Sie am besten vor Ort. Selbst für den Fall, dass Sie im Internet keinen Hinweis auf Förderung in Ihrem Heimatort finden, ist die gezielte Nachfrage beim Landkreis oder der Stadtverwaltung oder Ihrem Solateur vor Ort sinnvoll.

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Fazit:

Wenn Sie jetzt oder in naher Zukunft einen Photovoltaik Speicher erwerben möchten, sollten Sie auf jeden Fall auch das Angebot an Salzwasserspeichern berücksichtigen. Die jüngste Generation an Solarstromspeichern ist zwar durchaus noch zu optimieren, übertrifft aber in vielen Punkten die Eigenschaften der bislang genutzten Photovoltaik Speicher auf Basis von Bleisäure oder Lithium-Ionen. Sie erweisen sich und der Umwelt einen großen gefallen, wenn Sie sich für einen Akku entscheiden, der aus umweltfreundlichen Materialien besteht. Besonders hervorzuheben ist, dass ein Salzwasserspeicher keinerlei Risiken für Gesundheit und Umgebung birgt. Der von den Herstellern angegebene Temperaturbereich zwischen -5°C und mindestens 40°C lässt Ihnen die Wahl zwischen diversen Standorten. Wartungsfreiheit, 100-prozentige Tiefentladungsfähigkeit und eine geringe Selbstentladung sind die technischen Vorteile. Bislang nachteilig sind die relativ niedrige Energiedichte und die bei 0,5 limitierte C-Rate. Diese beiden Aspekte sind momentan Forschungsgegenstand mehrerer Institute, die sich mit der Weiterentwicklung der Salzwasser-Technologie befassen.

Zu erwarten sind in naher Zukunft Photovoltaik Speicher, die nicht nur hinsichtlich der Umweltfreundlichkeit punkten, sondern auch einem guten Preis-Leistungs-Verhältnis entsprechen. Das heißt, künftige Salzwasserspeicher werden höhere Energiedichten und höhere C-Raten aufweisen. Sobald die Leistungsfähigkeit und der Preis von Salzwasserbatterien mit konkurrierenden Batterietypen mithalten können oder diese sogar übertreffen, gehört diesen zeitgemäßen Akkus die Zukunft.

Bildquelle: dcannon23_Pixabay

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