Batteriespeicher
Solarstrom speichern: Welche Speicherarten gibt es?
Wer selbst erzeugten Strom vom Dach zu jeder Tages- und Nachtzeit nutzen möchte, benötigt einen Stromspeicher. Die hierfür zur Verfügung stehenden Technologien haben sich in den letzten Jahren deutlich weiterentwickelt und sind um einiges günstiger geworden. Ein Überblick.
PV-Stromspeicher werden wirtschaftlich immer attraktiver.
Photovoltaikanlagen produzieren ohne Tageslicht keinen Strom. Um trotzdem eine gleichmäßige Energieversorgung sicherzustellen, hat man zwei Möglichkeiten: Entweder man speist überschüssig produzierten Strom ausschließlich ins Netz ein und bezieht umgekehrt sämtlichen Strom aus dem Netz, wenn die Sonne nicht scheint. Oder man speichert Stromüberschüsse zumindest größtenteils in einem Batteriespeicher. Weil sich die Lücke zwischen der Einspeisevergütung und dem Strompreis in den letzten Jahren vergrößert hat, entscheiden sich immer mehr Betreiber einer Photovoltaikanlage für die zweite Option: das Speichern. Hierfür können unterschiedliche Technologien verwendet werden.
Blei-Akkumulatoren: früher Standard, heute nicht mehr.
Die ersten Batterien, die zur Speicherung von Photovoltaikstrom eingesetzt wurden, waren klassische Blei-Akkumulatoren. Im Prinzip handelt es sich dabei um mehrere zusammengeschalteten Blöcke dessen, was man als Auto-Starterbatterie kennt. In den säurefesten Gehäusen befinden sich jeweils eine positive und eine negative Bleielektrode und verdünnte Schwefelsäure bzw. ein Gel aus Schwefelsäure und Kieselsäure als Elektrolyt. Bis Mitte des vergangenen Jahrzehnts waren Blei-Akkus im Bereich der Solarstromspeicherung marktführend, denn sie waren günstig, leicht verfügbar und sind zudem sehr zuverlässig. Aufgrund ihrer geringen Energiedichte benötigen sie jedoch relativ viel Platz. Da Lithium-Ionen-Akkus in den letzten Jahren immer leistungsfähiger und auch günstiger geworden sind, werden heute so gut wie keine Blei-Akkus mehr neu installiert. Die Technologie hat, zumindest in der Solarstromspeicherung, keine Zukunft mehr.
Lithium-Ionen-Akkus: heute klar marktführend.
Im Bereich der stationären Stromspeicher sind heute Lithium-Ionen-Akkumulatoren mit großem Abstand marktführend. Ihre Funktionsweise beruht auf einer konstanten Bewegung von ionisiertem Lithium zwischen zwei Elektroden. Die Zellen, in denen dieser Prozess stattfindet, bestehen jeweils aus vier Basiskomponenten:
- Eine Positive Elektrode – aus Lithium-Metalloxid, das Nickel, Mangan, Kobalt, Aluminium oder andere Metalle enthalten kann. Die ergänzenden Metalloxide bezeichnet man auch als Übergangsmetalle.
- Eine negative Elektrode – üblicherweise aus Grafit.
- Ein Elektrolyt – bestehend aus einem Lösungsmittel (z.B. Diethylcarbonat) und gelösten Salzen wie Lithiumhexafluorophosphat.
- Der Separator – zwischen den Elektroden, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Er besteht i.d.R. aus Vliesstoffen oder polymeren Folien.
Abhängig von den eingesetzten Elektrodenmaterialien werden Lithium-Ionen-Akkus in verschiedene Typen untergliedert, die sich hinsichtlich der Zellenspannung, der Temperaturempfindlichkeit, der Kapazität, des zugelassenen Lade- und Entladestroms und letztlich der Kosten unterscheiden. Für die Speicherung von Solarenergie werden vor allem zwei Akku-Typen eingesetzt:
- Lithium-Nickel-Cobalt-Akkus: Der positive Pol des Akkus besteht aus Lithium, Nickel-, Cobalt- sowie einem weiteren Metalloxid: entweder Mangan (NMC-Akkus) oder Aluminium (NCA-Akkus), Ein Vorteil von Lithium-Nickel-Cobalt-Speichern ist ihre hohe Energiedichte; d.h. sie sind leichter und benötigen weniger Platz. Zudem können sie sehr schnell geladen werden. Die Lebensdauer ist dagegen vergleichsweise gering: Nach 2.000 Ladezyklen sinkt die Leistung von NMC-Akkus auf 60%. NCA-Akkus kommen immerhin auf 70% nach 3.000 Ladezyklen.
- Lithium-Eisenphosphat-Akkus: Die positive Elektrode besteht aus Lithium und Eisenphosphat (Ferrophosphat). Im Vergleich zu NMC-Akkus haben Lithium-Eisenphosphat-Speicher (LFP) eine niedrigere Energiedichte; d.h. sie sind schwerer und etwas größer. Dafür gelten sie als robuster und sicherer in Bezug auf Entzündungsgefahr bei Kurzschlüssen. Ihr größter Vorteil ist jedoch, dass sie deutlich langlebiger sind. Nach 3.000 Ladezyklen bieten sie noch 80% ihrer ursprünglichen Leistung und selbst nach 10.000 Zyklen sind über 70% möglich.
NMC/NCA oder LFP – welcher Lithium-Ionen-Akku ist der bessere Solarstromspeicher?
Im direkten Vergleich liegen Lithium-Eisenphosphat-Akkus klar vorne. Die Tatsache, dass sie etwas mehr Platz benötigen, ist nicht wirklich relevant, denn 2 bis 3 Quadratmeter Kellerraum reichen in jedem Fall aus. Auch die längere Ladedauer, die bei Fahrzeugbatterien eindeutig ein Nachteil ist, macht für einen Solarstromspeicher keinen großen Unterschied. Die längere Lebensdauer der Lithium-Eisenphosphat-Akkus ist dagegen ein starkes Argument. Hinzu kommt, dass Nickel und Cobalt giftige Stoffe sind, die teils unter fragwürdigen Bedingungen abgebaut werden. LFP-Speicher sind also auch unter ökologischen und ethischen Gesichtspunkten die bessere Wahl.
Salzwasserspeicher: eine umweltverträgliche Alternative.
Da die Massenproduktion von Lithium-Ionen-Akkus aus ökologischer Sicht problematisch ist, werden nachhaltige Speicher-Alternativen immer wichtiger. Eine bereits verfügbare Technologie sind zum Beispiel Salzwasser-Akkumulatoren. Diese innovativen Speicher funktionieren im Prinzip wie herkömmliche Batterien, jedoch kommen ausschließlich ökologisch unbedenkliche Materialien zum Einsatz. Die Kathode besteht aus Mangan-Oxid, die Anode aus Aktivkohle, der Separator aus einem baumwollbasierten Vlies, und als Elektrolyt dient eine Natriumsalz-Lösung. Ein weiterer Vorteil: Da Salzwasser-Akkus vollständig abgedichtet sind, benötigen sie keine regelmäßigen Wartungen. Leider sind die Anschaffungskosten etwas höher als die von Lithium-Ionen-Speichern.
Vanadium-Redox-Flow-Akkus: die zweite nachhaltige Option.
Bei der Vanadium-Redox-Flow-Technologie (VRF) wird elektrische Energie in einem Elektrolyt gespeichert, das auf dem Metall Vanadium basiert. Das Funktionsprinzip wurde bereits in den 1970er Jahren von Ingenieuren der NASA entdeckt und in den letzten Jahren auf ein neues Leistungslevel gehoben. Ein großer Vorteil der Technologie ist neben ihrer hohen Betriebssicherheit und Langlebigkeit, dass sie ebenfalls deutlich umweltfreundlicher ist als lithiumbasierte Speichermethoden. VRF-Speicher benötigen keine seltenen oder konfliktbehafteten Rohstoffe und können vollständig recycelt werden. Auch hierfür sind die Anschaffungskosten zurzeit leider noch etwas höher als die von Lithium-Ionen-Akkus.
Welcher PV-Speicher ist der richtige für mich?
Die Anschaffung eines Stromspeichers ist wirtschaftlich nur dann sinnvoll, wenn die perspektivisch eingesparten Netzstromkosten die Gesamtkosten der Investition übersteigen. Das Freiburger Öko-Institut e.V. stellt über folgenden Link kostenfrei ein Tool zur Verfügung, mit dem sich die Rentabilität eines Angebots unter Berücksichtigung aller relevanten Parameter berechnen lässt: Generell sollten Sie sich bei der Auswahl eines PV-Stromspeichers von einem Fachbetrieb beraten lassen. Neben den spezifischen Leistungsdaten, der Umweltverträglichkeit und dem Preis des Speichers kommt es auch auf die Kompatibilität mit allen anderen Komponenten Ihrer PV-Anlage an.
Fazit
Die Neuinstallation von Blei-Akkumulatoren ist weder aus wirtschaftlicher noch aus ökologischer Sicht zu empfehlen. Lithium-Ionen-Akkus sind heute die Standardtechnologie zur Speicherung von Solarstrom, wobei Lithium-Eisenphosphat-Akkus unter vielen Gesichtspunkten besser geeignet sind als Lithium-Nickel-Cobalt-Akkus.
Wer eine nachhaltigere Alternative wünscht, sollte Salzwasserspeicher oder Vanadium-Redox-Flow-Akkus in Betracht ziehen. Die beiden umweltverträglichen Technologien sind noch etwas teurer, aber wegweisend für die Zukunft. Unter welchen Voraussetzungen sich ein Solarspeicher wirtschaftlich lohnt, hängt von vielen individuellen Faktoren ab. Sie haben Fragen dazu? Unsere Photovoltaik-Experten beraten Sie gerne zu Ihrem Vorhaben.
