Photovoltaik mit Speicher zu ergänzen ist seit 2010 ein neuer und sinnvoller Trend: Moderne PV Batteriespeicher bestehen jedoch nicht aus Batterie-Zellen alleine, sondern aus mehreren Komponenten, die einerseits für die intelligente Steuerung bzw. leichte Bedienbarkeit und andererseits für eine lange Haltbarkeit der Batterie-Zellen sorgen. Diese Batterie-Zellen sind die Basis, um Strom, beispielsweise aus Photovoltaik (PV) Anlagen zu speichern. Das Hirn dieser Batteriespeicher ist jedoch das Batterie-Management-System (BMS). Je nach Entwicklungsstand einer Photovoltaik Batterie, verfügt ein Batterie-Management-System (BMS) über Extra-Funktionen, wie Internetanbindung, Wetterprognosen, etc. Die Basisfunktionen umfassen das intelligente Laden und Entladen der Batterie-Zellen, ein Zellenbalancing, das darauf achtet, dass in allen Zellen gleich viel Energie gespeichert ist und der intelligente Überladeschutz.

Einfache Systeme findet man in Camping- oder Almhüttenanlagen, die meistens bloß aus den PV Modulen, einem simplen PV Batterie-Laderegler und Bleibatterien bestehen, wie wir sie aus dem Auto kennen. Innovativere und umfangreichere Batteriespeicher hingegen warten mit weitaus umfangreicheren Features auf. So gibt es bereits Batteriespeicher, die über eine Visualisierung, Internetanbindung und z.T. Smart-Home Funktionen verfügen. Dabei werden bei hochwertigen Batteriespeichern zunehmen Lithium-Ionen Batterie-Zellen eingesetzt und verdrängen im Indoor Bereich Bleibatterien.

Photovoltaik mit Speicher auf Basis von Blei- und Lithiumzellen

In Deutschland sind bereits mehr als 20.000 Batteriespeicher verkauft worden. Fast 100% der Systeme basieren entweder auf Blei- oder auf Lithiumzellen. In beiden Kategorien gibt es mehrere Untertypen. Bei Bleibatterien gibt es:

  1. Blei-Säure-Akku (offen)
  2. Blei-Gel-Akku (geschlossen)

Die offenen Bleisysteme kennt man von den Autobatterien. “Offen” sind sie deswegen, weil der Elektrolyt (destilliertes Wasser) wieder nachgefüllt werden kann. Doch warum nachfüllen? Beim Lade- und Entladevorgang kommt es z.T. zur Entgasung, bei der Wasserstoff und Sauerstoff entweichen können. Deshalb gibt es für diesen Zelltypen spezielle Aufstellungs- und Belüftungsvorschriften, wenn sie stationär eingesetzt werden.

Geschlossene Systeme bedienen sich meistens eines Gels oder eines Vlies, in dem der Elektrolyt physisch gebunden ist. Diese Blei-Gel Zellen kommen beispielsweise in Hubwagen oder Gabelstapler zum Einsatz.

Bleibasierte Batterien sind bereits jahrzehntelang erprobt und vielfach im Einsatz. So genannte Blei-Säure Batterien finden vor allem in Kraftfahrzeugen als Starterbatterien Anwendung. Bei ihnen bestehen die Elektroden aus Blei bzw. Bleidioxid, der Elektrolyt aus Schwefelsäure.

Offene Akkumulatoren (weniger geeignet für Photovoltaik mit Speicher)

Offene Batterien können kurzfristig sehr hohe Entladeströme liefern, darum sind sie sehr gut als Starterbatterien für Autos oder Lastfahrzeuge geeignet. Da Kraftfahrzeuge meistens im Freien oder in großräumigen Garagen untergebracht werden, ist bei dieser Anwendung die so genannte „Ausgasung“ kein allzu großes Problem. Durch Überladung können nämlich bei Bleibatterien Wasserstoff und Sauerstoff aus den Überdruckventilen ausgasen und hochexplosives Knallgas bilden. Deshalb ist von einer Nutzung von Blei-Säure Batterien in Verbindung mit einer PV-Anlage, von einer Aufstellung im Wohnbereich abzuraten und ein eigener Schutzraum für die Akkus vorzusehen.

Blei-Säure Batterien sind günstig im Einkauf, müssen jedoch alle paar Jahre ausgewechselt werden. Durch starke Temperaturschwankungen verlieren Sie besonders schnell an Leistung, weshalb KFZ-Starterbatterien vor allem im Winter tiefentladen. Ebenso, wie bei allen anderen Akkutypen, führt eine Tiefentladung von Blei-Säurebatterien zu dauerhaften Schäden.

Geschlossene Akkumulatoren (z.T. in Photovoltaikspeichern eingesetzt)

Bleiakkus, bei denen der Elektrolyt nicht flüssig, sondern „eingedickt“ ist, werden Blei-Gel Batterien genannt. Sie sind verschweißt, somit rundum verschlossen. Um bei Überladung ausgasen zu können, sind bei verschlossenen Akkumulatoren unidirektionale Einwegventile vorgesehen. Im Gegensatz zu den offenen Blei-Säure Batterien (oben) sind diese Batterien wartungsfrei und können auch dauerhaft in Seitenlage betrieben werden. Daher können sie  besonders in mobilen Elektroanwendungen, wie Gabelstaplern, eingesetzt werden.

Aufgrund der hochwertigeren Verarbeitung, der Vermeidung von Säureschichtung und der verschlossenen Bauweise gibt es auch Blei-Gel-Akkus, die als PV Batteriespeicher eingesetzt werden. Sie weisen ein Haltbarkeit von 5-7 Jahren auf, sind bis jetzt noch deutlich günstiger als Lithium-Ionen-Akkus und lange erprobt. Da diese Akkus jedoch ebenfalls thermisch durchgehen und ausgasen können, sind besondere Sicherheitsaspekte bei der Aufstellung zu beachten und sie sollten nicht unbedingt im Wohnbereich installiert werden. Deswegen sind sie als Batteriespeicher für PV Anlagen weniger geeignet.

Photovoltaik mit Speicher – vor allem die Energiedichte macht es aus

Je kompakter eine Speicher-Zelle ist und je mehr Energie man bei wenig Volumen speichern kann, desto eher findet eine Zelle in der Elektromobilität Anwendung. Und genau diese Branche ist der Hauptkostensenker für Lithium-Ionen Zellen. Unterhalb finden Sie einen Ausschnitt aus der Infobroschüre des BSW (Bundesverband Deutscher Solarwirtschaft), in der die Energiedichten unterschiedlicher Zelltypen einander gegenüber gestellt werden.

Auf die unterschiedlichen Lithium-Ionen Zellen gehen wir nachfolgend noch ein, hervorheben möchte ich aber den Unterschied in der Dichte von Blei (Pb) zu Lithium-Eisenphosphat (Li-FePO4), der fast 1:3 beträgt. Obwohl Lithium-Eisenphosphat Batterien noch zu den “schweren” Lithium-Ionen Zellen zählen und vorrangig in der schweren Elektromobilität (Citybusse, Untertagebau, Tunnelbau) eingesetzt werden, eignen sie sich hervorragend für Batteriespeicher, da sie bei gleichem Gewicht und deutlich kleinerem Volumen, die dreifache Energiemenge im Vergleich zu Bleizellen fassen.

Hier geht es weiter zum zweiten Teil der Speicherübersicht.