Batteriesysteme

In den letzten Jahren sind die Preise für Speichersysteme für erneuerbare Energien (ESS) deutlich gesunken. Die Speicherung der in Photovoltaik-Kraftwerken (PV) erzeugten Energie erfolgt hauptsächlich in Batterien, die besondere Eigenschaften aufweisen müssen. Dazu gehören eine hohe Zyklenfestigkeit, eine außergewöhnliche Leistungsdichte, die Fähigkeit zur Regeneration nach einer Tiefentladung usw.

Während in der Vergangenheit Traktionsbatterien aus Blei für die Energiespeicherung bevorzugt wurden, sind heute die meisten PV-Anlagen mit lithiumbasierten SSE- oder Flow-Redox-Batterien ausgestattet.

Vergleich der am häufigsten verwendeten Batterietypen:

Quelle: https://www.fg-forte.cz/cz/kategorie/lithiove--lithium-ion-baterie.aspx

Energiespeichersysteme auf Basis von Blei(gel)-Traktionsbatterien (SSE)

Dies ist eine bewährte Energiespeichertechnologie. Die Blei-Säure-Batterie hat einen hohen Energiewirkungsgrad (ca. 85 %), was bedeutet, dass sie einen großen Teil der gelieferten "Amperestunden" abgibt. Blei-Säure-Batterien können in vielen Betriebsarten betrieben werden, und auch ihre Lade- und Entladeeigenschaften sind recht günstig. Empfehlenswert sind moderne Batterien mit AGM-Technologie (nicht abbaubar - die Säure ist in die Glasfasern eingedrungen) oder Gel-Batterien - sehr haltbar mit langer Lebensdauer (der Elektrolyt - die Säure - ist in Form eines Gels verfestigt). AGM- und GEL-Modelle sind völlig wartungsfrei, nicht brüchig und sehr stoßfest.

Die Hauptnachteile von SSEs aus Blei sind ihre begrenzte Lebensdauer und ihr hohes Gewicht.

Energiespeichersysteme auf Li-Ionen-Basis (SSEs)

Der größte Vorteil von Lithium-SSEs ist die höhere Energiedichte dieser Batterien, sowohl in Bezug auf das Volumen als auch die Masse. Ein weiterer Vorteil dieser Batterien ist die geringere Selbstentladung als bei den meisten anderen Batterien, das Ladeprinzip ist einfach, und das Aufladen kann jederzeit erfolgen (Entladezustand), ohne die Leistung der Batterien zu beeinträchtigen.

Es gibt derzeit mehrere Varianten von Lithium SSE im Handel. Die gängigste Art von Lithiumbatterien sind Lithium-Ionen-Zellen (Li-Ion) mit flüssigem Elektrolyt. Diese Batterien sind daher relativ sicher und mechanisch robust. Die Ladespannung beträgt 4,2 V pro Zelle, nominal 3,6 V. Die Energiedichte liegt zwischen etwa 150-200 Wh/kg.

Die größte Stärke von Lithium-Ionen-Batterien ist, dass sie sehr häufig wieder aufgeladen werden können - ohne den Memory-Effekt, der den Ladevorgang verlangsamt und erschwert. Ein weiterer Vorteil: die hohe Energiedichte. Entladetiefe (DOD): Batterien können tief entladen werden (100% DOD) und sind im Vergleich zu Blei-Säure-Batterien leistungsfähiger, denn wenn eine Blei-Säure-Batterie eine Entladetiefe von 80% überschreitet, wird sie beschädigt.

LiFe/LiFePO4-basierte Energiespeichersysteme (SSE)

Ein weiterer weit verbreiteter Typ ist die Lithium-Eisenphosphat-Zelle, abgekürzt LiFe/LiFePO4. Die Ladespannung der Zellen beträgt 3,6 V, nominal 3,2 V. LiFePO4-Zellen haben eine geringere Energiedichte (etwa 90-120 Wh/kg). Ihr Vorteil gegenüber Li-Ionen-Zellen ist eine höhere Strombelastbarkeit und eine gewisse Widerstandsfähigkeit gegen Tiefentladung.

Lithium-Titan-Oxid (LTO)

Der dritte Typ von SSE auf Lithiumbasis sind Lithium-Titan (LTO oder Li4Ti5O12 = Lithium-Titan-Oxid) Batterien. Die Kathode ist die gleiche wie bei Li-Ion/Li-Pol-Batterien. Das LTO-Material hat eine große spezifische Oberfläche im Verhältnis zum Gewicht, so dass ein schnelles Laden und Entladen möglich ist.

Ein weiterer Vorteil ist der mögliche Betrieb bei niedrigen Temperaturen und die sehr lange Lebensdauer (Tausende von Zyklen). Nachteilig ist dagegen die geringere Nennspannung von 2,4 V. Die Energiedichte ist damit geringer als bei bisherigen Typen.

Energiespeichersysteme (ESS) auf der Basis von Durchflussbatterien

Die Durchflussbatterien könnten nach Ansicht vieler Experten die künftige "Säule" vieler ESS sein, sowohl auf der Netzebene als auch in Haushalten.

Grundsätzlich bestehen Durchflussbatterien aus zwei Tanks, die mit Elektrolyt gefüllt sind, der durch eine elektrochemische Zelle fließt. Die kritischen Prozesse finden mit dem Elektrolyt statt, der in zwei große Tanks aufgeteilt ist. Jeder Tank verfügt über eine eigene Pumpe, die die Elektrolyte in die regenerative Brennstoffzelle einspeist, wo eine chemische Reaktion durch eine Ionenaustauschmembran stattfindet. Die Energie wird durch die Membran übertragen und in den Elektrolyttanks gespeichert.

Vor- und Nachteile der VRB-Technologie

Es gibt einige Vorteile bei der Trennung des Elektrolyten. Im Falle der VRB hat der Elektrolyt keine Abbauprozesse, so dass es möglich ist, die Batterie für eine fast unbegrenzte Anzahl von Lade- und Entladezyklen zu betreiben. Die VRB kann über längere Zeiträume in entladenem Zustand belassen werden, ohne dass die Lebensdauer der Batterie beeinträchtigt wird. Experten zufolge wird die Lebensdauer der Batterie auf 30 bis 50 Jahre geschätzt, bei einer Zyklenzahl in der Größenordnung von Zehntausenden.
Der Elektrolyt baut nicht ab, was in der Praxis bedeutet, dass sich die Kapazität der Batterie im Laufe der Zeit nicht ändert. Die Lade- und Entladetiefe beträgt 0% bis 100%. Die VRB-Technologie zeichnet sich durch eine minimale Selbstentladung aus: VRB-Flow-Batterien sind äußerst stabil. Der Wirkungsgrad dieser Batterien liegt zwischen 75 % und 85 %, die Zellenspannung hängt vom verwendeten Elektrolyten ab und liegt zwischen 1,4 V und 1,8 V. Der einzige Nachteil von VRB-Batterien ist die geringe Energiedichte im Bereich von 15 bis 25 kWh/m3 (zum Vergleich: Li-Ionen-Batterien haben eine Energiedichte von etwa 300 kWh/m3). Daher sind VRBs recht sperrig und auch relativ schwer. Die Energiedichte dieser Batterien wird durch die Menge des Elektrolyts in den Behältern bestimmt, während die Leistungsdichte durch die an den Elektroden stattfindenden chemischen Reaktionen beeinflusst wird.

Woran erkennt man eine Qualitätsbatterie?

Eine Qualitätsbatterie sollte über ein BMS, ein "Batteriemanagementsystem", verfügen, das für ihre Sicherheit sorgt, die Zellen aktiv ausgleicht und die gesamte SSE in bestmöglichem Zustand hält.
Das BMS gleicht die Energieflüsse zwischen den Zellen aus und hält sie alle in Bezug auf Spannung und Kapazität auf dem gleichen Stand. Dadurch werden auch die schwächeren Zellen dank der stärkeren Zellen vor Schäden geschützt. Mit anderen Worten: Durch den Einsatz des BMS werden die negativen Auswirkungen einer Fehlanpassung einzelner Zellen während der Nutzungszeit eliminiert, so dass die gesamte Batterie eine konstante, stabile Leistung bietet.
Das BMS garantiert somit einen absolut sicheren Langzeitbetrieb mit 100%iger Ausnutzung der Leistungsfähigkeit der eingesetzten Batteriezellen. Die Elektronik überwacht für jede Zelle präzise die aktuelle Spannung, den Strom und die Temperatur und korrigiert den Lade- und Entladevorgang entsprechend den gemessenen Werten.

Hauptfunktionen des BMS:
- präzise Messung von Spannung, Strom und Temperatur jeder Zelle
- Schutz vor Tiefentladung und Überladung jeder Zelle
- Begrenzung von zu hohen Lade- und Entladeströmen.

Leitprinzipien für die Auswahl von Qualitäts-SSE

Es wird dringend davon abgeraten, billige Traktionsbatterien aus Blei zu wählen. Beim Vergleich des Preises pro gespeicherter kWh (aber auch beim Vergleich von Abmessungen oder Gewicht) schneiden Lithium-Batteriespeicher eindeutig besser ab. Darüber hinaus ist eine Qualitätsbatterie auf Lithiumbasis (oder eine Durchflussbatterie) eine wartungsfreie, saubere und sichere Lösung, die im Vergleich zu Bleiakkus in jeder Hinsicht überlegen und kostengünstiger ist.
Bei der Auswahl von Batterien gilt der Grundsatz: höherer Preis = höherer Mehrwert. Eine Qualitätsbatterie erkennt man daran, dass sie ein BMS enthält - also ein Kontrollsystem, das die Zellen aktiv ausbalanciert und die gesamte SSE in bestmöglichem Zustand hält.

TIP: Achten Sie bei der Auswahl einer Batterie auf folgende Parameter:
- Lebensdauer
- Kapazität (nutzbar)
- Anzahl der Lade-/Entladezyklen
- Tiefentladefähigkeit.