Stromspeicher Arten: Welche gibt es? Vor- und Nachteile, die Du unbedingt kennen solltest!
Möchten Sie den mit Ihrer Photovoltaikanlage erzeugten Strom auch nutzen, wenn die Sonne nicht scheint, können Sie einen Stromspeicher verwenden. Es gibt verschiedene Arten von Stromspeichern, bei denen es sich um Akkumulatoren handelt. Blei-Akkumulatoren geraten immer weiter in den Hintergrund. Auf dem Vormarsch sind die verschiedenen Arten der Lithium-Akkumulatoren.
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Blei-Akkumulatoren - hohe Masse als Nachteil
Blei-Akkumulatoren waren früher in der Speichertechnik gebräuchlich. Die Blei-Akkumulatoren oder Blei-Gel-Batterien bestehen aus einem säurefesten Gehäuse, in dem sich zwei Bleiplatten oder Plattengruppen befinden. Eine Platte ist positiv, die andere negativ.
Diese Akkumulatoren sind mit Schwefelsäure als Elektrolyt gefüllt. Bei den modernen Blei-Gel-Batterien ist die Schwefelsäure durch einen Zusatz von Kieselsäure als Gel vorhanden. Diese Batterien sind auslaufsicher.
Blei-Akkumulatoren haben eine Lebensdauer von mehreren Jahren und sind daher zuverlässig. Im Verhältnis zum geringen Volumen ist die Masse hoch. Die Energiedichte ist eher gering.
Verschiedene Arten von Lithium-Ionen-Akkumulatoren
Lithium-Ionen-Akkumulatoren sind als Speicher auf dem Vormarsch und werden ständig weiterentwickelt. Sie zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte aus und benötigen meistens elektronische Schutzschaltungen. Die Lithium-Ionen-Akkumulatoren funktionieren alle auf ähnliche Weise. An der negativen Elektrode befinden sich Lithium-Atome, während sich an der positiven Elektrode Übergangsmetall-Ionen befinden.
In einem chemischen Prozess wird die elektrische Energie gespeichert. Zwischen den Elektroden befindet sich ein Elektrolyt, durch den Lithium in ionisierter Form zwischen den beiden Elektroden hin- und herwandert. Der Lithium-Ionen-Fluss gleicht den externen Stromfluss beim Laden und Entladen aus. Die Elektroden selbst bleiben dabei weitgehend elektrisch neutral.
Lithium-Atome geben beim Entladen an der negativen Elektrode jeweils ein Elektron ab, das zur positiven Elektrode fließt. Durch den Elektrolyten wandern gleichzeitig viele Lithium-Ionen von der negativen zur positiven Elektrode. Dort nehmen die Lithium-Ionen die stark ionisierten Übergangsmetall-Ionen auf. Als Übergangsmetall werden je nach Akkutyp verschiedene Materialien verwendet.
Verschiedene Materialkombinationen bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren
Als Lithium-Ionen-Akkumulatoren werden zahlreiche Materialkombinationen bezeichnet, die für Anode, Kathode und Separator verwendet werden. Die Eigenschaften unterscheiden sich abhängig von der Materialkombination mitunter deutlich.
Die Hersteller der Batterien haben in den letzten Jahren viele Verbesserungen vorgenommen, wenn es um Haltbarkeit oder Sicherheit geht. Da es zahlreiche Materialkombinationen gibt, ist es kaum möglich, jede einzelne zu beschreiben. Daher finden Sie nachfolgend nur eine Auswahl der wichtigsten Materialkombinationen.
Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan Akku - ausgelegt auf hohe Kapazitäten
Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan wird mit NMC oder NCM abgekürzt. Die chemische Formel lautet Li(NiCoMn)O2. Solche Systeme sind auf hohe Kapazitäten ausgelegt. Die Zellen sind für moderate Ladebedingungen geschaffen und können Kapazitäten von 2.800 mAh aufweisen. Die Ströme liegen bei 4 bis 5 Ampere.
Kathoden aus Nickel-Kobalt-Mangan eignen sich als Kompromiss aus hohen Energiedichten, guter allgemeiner Leistungsfähigkeit und vergleichsweise günstigen Kosten.
Diese Kathoden haben eine höhere spezifische Energiedichte als Lithium-Eisen-Phosphat-Kathoden, Lithium-Mangan-Oxid-Spinell-Kathoden oder Lithium-Cobalt-Oxid-Kathoden. Im Vergleich zu Lithium-Cobalt-Oxid-Kathoden ist die Entladungsrate besser. Sie ist jedoch schlechter als bei Lithium-Eisen-Phosphat-Kathoden.
Lithium-Eisen-Phosphat Akku mit guter thermischer und chemischer Stabilität
Die Abkürzung für Lithium-Eisen-Phosphat ist LFP. Die chemische Formel lautet LiFePO4. Kathoden-Materialien mit Phosphat zeichnen sich durch eine bessere thermische und chemische Stabilität als andere Materialien für Lithium-Kathoden aus. Solche Batterien gelten als äußerst sicher, da sie feuerfest und bei Kurzschlüssen widerstandsfähiger sind.
Dieses Material gibt bei einer missbräuchlichen Anwendung keinen Sauerstoff ab. Da es unempfindlich gegen Hitze ist, verbrennt es nicht. Die Lebensdauer von Lithium-Eisen-Phosphat-Zellen liegt bei mehr als 5.000 Zyklen. Solche Zellen können mit Ladeströmen bis zu 3C geladen werden.
Die Energiedichte ist aufgrund der niedrigen Nennspannung von 3,2 Volt niedriger als bei anderen Kathodenmaterialien wie Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan. Lithium-Eisen-Phosphat-Kathoden eignen sich für schnellladefähige Lithium-Ionen-Akkus, da sie höhere Spannungen und höhere Ströme unterstützen.
Lithium-Mangan-Oxid-Spinell Akku - widerstandsfähiger gegen Hitze
Lithium-Mangan-Oxid-Spinell wird LMS oder LMO abgekürzt. Die chemische Formel lautet LiMn2O4. Die Zellspannung ist höher als bei Materialien, die auf Kobalt basieren. Ein Vorteil von Lithium-Mangan-Oxid-Spinell besteht in der höheren Widerstandsfähigkeit gegen Hitze.
Für ein thermisches Durchgehen liegt die Grenztemperatur bei 210 Grad Celsius. Die mittlere Zyklenzahl erstreckt sich von 1.500 bis 2.000. Anders als Kobalt-Verbindungen gelten Manganverbindungen als sicherer und umweltfreundlicher. Auch die Leistungen bei hohen Außentemperaturen sind besser und die Preise günstiger.
Lithium-Cobalt-Oxid Akku - kurze Lebensdauer als Nachteil
Die Abkürzung von Lithium-Cobalt-Oxid ist LCO, die chemische Formel LiCoO2. Die Lebensdauer dieser Akkumulatoren ist mit 500 bis 1.000 Zyklen verhältnismäßig kurz. Da die Energiedichte hoch ist, werden solche Akkumulatoren typischerweise für Handys verwendet. Solche Kathoden sind jedoch weniger widerstandsfähig gegen hohe Temperaturen. Bei missbräuchlichem Umgang besteht eine höhere Brandgefahr.
Vor- und Nachteile von Batterien auf Lithium-Basis
Vorteile
Akkumulatoren auf Lithium-Basis gelten als Speicher der Zukunft. Sie haben eine Reihe von Vorteilen:
- hohe Energiedichte, die ungefähr viermal höher als bei Blei-Akkumulatoren ist Möglichkeit der schnellen Ladung
- geringe Selbstentladungsrate, die nur bei drei bis fünf Prozent im Monat liegt
- hohe Zellspannungen mit bis zu 3,7 Volt Nennleistung, weshalb eine Lithium-Ionen-Zelle drei NiCd- oder NiMH-Zellen mit nur 1,2 Volt ersetzen kann
- fast komplette Entleerung möglich, ohne dass die Zyklusdauer, Hochstromabgabe und Lebensdauer beeinflusst werden
- hohe Entladeströme möglich, da sie mit einer Rate bis zu 40C entladen werden können. So können Automobilanwendungen wie Antriebe für Hybridfahrzeuge oder Kaltwasser mit niedrigen Batteriekapazitäten versehen werden.
- Außerordentlich hoher coulombscher Wirkungsgrad bei einer Entlade- und Ladekapazität von fast 100 Prozent. Nahezu der gesamte Strom, der mit einer Lithium-Ionen-Batterie geladen wurde, kann wieder entnommen werden.
- Lithium-Ionen-Batterien haben nahezu keinen Memory-Effekt. Um den Lebenszyklus beizubehalten, sind keine vollständige Be- und Entladung sowie keine Aufarbeitung erforderlich.
- Ermöglichen sehr kleine Bauweisen
- Grundlegende Zellenchemie kann variiert werden, da beispielsweise verschiedene Anoden- und Kathodenmaterialien verwendet werden können. Die Leistungseigenschaften lassen sich verfeinern, um gezielt für bestimmte Anwendungen ausgelegt zu werden.
Nachteile
Lithium-Ionen-Akkus haben allerdings nicht nur Vorteile. Nachteilig ist die Empfindlichkeit gegenüber Überladung, Tiefentladung und zu hohen Temperaturen. Dieses Manko lässt sich mit einer Steuerelektronik ausgleichen. Auch die relativ hohe Empfindlichkeit gegenüber hohen und niedrigen Temperaturen ist ein Nachteil.
Eine Betriebstemperatur von 10 bis 25 Grad Celsius ist ideal. Die Leistung lässt bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt stark nach. Inzwischen wurden jedoch auch Lithium-Ionen-Akkus entwickelt, die für niedrige Temperaturen bis minus 40 Grad Celsius ausgelegt sind. Der Betrieb bei solchen niedrigen Temperaturen ist jedoch nur mit eingeschränkten Entladeströmen möglich.
Alternative Stromspeicher
Salzwasserspeicher
Hier finden sie weitere Informationen zum Salzwasserspeicher.
Wasserstoffspeicher - relativ unbekannt
Möchten Sie Ihre Photovoltaikanlage mit einem Speicher ausrüsten, um auch dann den Strom zu verwenden, wenn die Sonne nicht scheint, kommen Sie kaum um einen Lithium-Ionen-Akku herum. Es gibt jedoch auch eine Alternative, die noch relativ unbekannt ist. Wasserstoffspeicher basieren auf der Elektrolyse und sind chemische Stromspeicher.
Mit der Elektrolyse wird Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff umgewandelt. Wasser wird mit zwei Elektroden positiv und negativ geladen. Durch diese Elektroden fließt Solarstrom. Durch eine Redoxreaktion wird das Wasser in seine beiden Elemente gespalten. Wasserstoff, der vom Sauerstoff getrennt ist, gelangt in einen separaten Speicher.
Durch eine Brennzelle wird der Wasserstoff bei Strombedarf wieder mit Sauerstoff zu Wasser verbunden. Dabei wird viel Energie freigesetzt. Wasserstoffspeicher sind in Produktion und Entsorgung deutlich umweltfreundlicher als Batterien. Sie sind lange haltbar und haben eine hohe Speicherkapazität.
Kapazität und Funktion sind gleichbleibend. Allerdings haben diese Wasserstoffspeicher auch einige Nachteile. Sie haben mit 70 bis 80 Prozent nur einen vergleichsweise geringen Wirkungsgrad. Da Wasserstoff hochexplosiv ist, stellt er bei unsachgemäßem Umgang eine nicht zu unterschätzende Gefahr dar. Die Effizienz von Wasserstoffspeichern ist nur gering.
Nicht zu vergessen ist der hohe Preis, weshalb Wasserstoffspeicher für die private Anwendung in Kombination mit der Photovoltaikanlage kaum infrage kommen. Aufgrund der Forschung und Entwicklung ist jedoch denkbar, dass irgendwann verstärkt Wasserstoffspeicher für die Speicherung des Solarstroms eingesetzt werden.
