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Diese 10 Batteriesysteme solltest du kennen

10_Batteriesysteme
Die Notwendigkeit der Energiespeicherung ist heutzutage bedeutender denn je. Dabei spielt es keine Rolle, ob für kleine Systeme wie, das Radio in der Gartenlaube mit einer Autobatterie betreiben, oder größere Projekte, wie das speisen eines Elektrofahrzeugs mittels einer Photovoltaikanlage.

Im folgenden Artikel möchte ich dich ganze einfach in das Thema einsteigen. Da Solarspeicher immer bedeutender werden möchte ich mit den Grundlagen der Batteriesysteme beginnen und in weiteren Artikeln genauer auf die relevanten Systeme für deine Photovoltaikanlage eingehen.

Kurzzeitspeicher

Kurzzeitspeicher dienen eher zur kurzfristigen Unterstützung des Stromnetzes. Sie können unter anderem zum Ausbalancieren der Leistungskurven deiner Photovoltaikanlage dienen. Ihr Wirkungsgrad liegt im Vergleich zu Langzeitspeicher sehr hoch. Nachteil sind die energieaufwändigen Bestandteile z. B. die Kühlung der Supra-Spule und die kurze Speicherdauer.

Supraleitende Spulen

SMES sind supraleitende magnetische Energiespeicher. In einer supraleitenden Spule wird ein Magnetfeld erzeugt in welchen Energie gespeichert werden kann. Sie speichern die Energie sehr schnell, jedoch können sie diese auch nur kurz speichern.

Das Besondere an supraleitenden Spulen ist, dass der elektrische Widerstand nahezu null ist. Die Spule wird dabei auf unter -250° C herunter gekühlt. Der Strom kann aber nur für ca. 20 Sekunden gespeichert werden.

Supracaps – Kondensatoren

Doppelschichtkondensatoren speichern die Energie direkt ohne Umwandlungsprozesse. Wie die Spulen, speichern sie die Energie super schnell und können sie in ebenso kurzer Zeit wieder abgeben.

Sie zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad (bis zu 95%) einer hohen Lebensdauer (bis zu ein Million Mal ge- und entladen, sowie einer großen Energiedichte aus.

Schwungmassespeicher

Schwungradspeicher funktionieren über die Trägheit von Masse. Durch einen Elektromotor wird Bewegung initiiert und ein „Rad“ in Bewegung gesetzt. Moderne Schwungräder erreichen bis zu 100.000 Umdrehungen pro Minute. Leider sind mit diesen mechanischen Energiespeichern nur kurze Speicherzeiten möglich. Dabei können sie bis zu sieben Minuten Energie zur Verfügung stellen.

Langezeitspeicher

Um ein Stromnetz auch mit Erneuerbaren Energien betreiben zu können sind Langzeitspeicher unbedingt nötig. Längerfristige Schwankungen durch schwankende Sonnen- und Windenergie können über längere Zeiträume ausgeglichen und Energien gespeichert werden.

Pumpspeicher

Pumpspeicherkraftwerke sind weltweit am häufigsten im Einsatz. In Staudämmen wird potentielle Energie gespeichert. Durch das Ablassen von Wasser wird eine Turbine angetrieben, welche wiederum Strom erzeugt. Diese Art von Kraftwerken wird benutzt um in Spitzenbedarfszeiten Energie zur Verfügung zu stellen. Der große Vorteil gegenüber anderen Speicherformen ist die nahezu unbegrenzte Speicherkapazität. Nachteilig ist aber, dass sie nur in bestimmten Regionen gebaut werden können, da ein Ober- und Unterbecken zur Funktion benötigt wird.

Pumpspeicherkraftwerke können durchaus die Leistung eines Atomkraftwerkes erreichen bzw. übertreffen, jedoch sind die meisten Kraftwerke in Deutschland für die tägliche Nutzung von vier bis acht Stunden ausgelegt.

Hinzu kommt der vermehrte Widerstand der Bevölkerung, welche eine Zerstörung der Natur in den Pumpspeicherkraftwerken sieht.

Druckluftspeicher

Nach einem ähnlichen Prinzip, wie die Pumpspeicher, funktionieren die Druckluftspeicher. Statt Wasser arbeiten sie aber mit expandierter Luft. In unterirdischen Hohlräumen wird bei überschüssiger Energie Luft verdichtet und in Kavernen gepresst. Bei Energiebedarf wird die komprimierte Luft zum Antrieb einer Gasturbine verwendet.

Der Vorteil von Druckluftspeichern liegt in ihrer Flexibilität, innerhalb von wenigen Minuten erreichen sie ihre volle Leistungsfähigkeit. Demgegenüber stehen aber die aufwendige und teure Technik. Außerdem erreichen diese Kraftwerke nur einen Wirkungsgrad von 55 Prozent.

Wasserstoff

Wasserstoffspeicher gewinnt zunehmend an Bedeutung. Es wird an diesen Langzeitspeichern viel geforscht, den vielen Vorteil des Wasserstoffs stehen die Sicherheitsaspekte gegenüber. Denn der Stoff reagiert stark mit Sauerstoff und bilden ein leicht entzündbares Knallgasgemisch.

Vorteile von Wasserstoff sind die hohe Energiedichte und die verschiedenen Lagermöglichkeiten. Durch Komprimierung, Verflüssigung durch Kühlung oder in Form von Metallhybridspeichern kann Wasserstoff gelagert und transportiert werden.

Elektro-Chemische Speicher

Hast du dir schon mal deine Batterien daheim genau angeschaut? Das sind elektrochemische Speichersysteme. Und sie kommen in unserem Alltag häufig zum Einsatz. Batterien bestehen wie alle elektrochemischen Speichersysteme aus einer positiven Elektrode, einer negativen Elektrode und dem Elektrolyt.

Nickel-Cadmium

Nickel-Cadmium-Zellen wurden über ein ganzes Jahrhundert weiterentwickelt, bis sie nach und nach per Gesetz aus dem Verkehr gezogen wurden, da sie das giftige Element Cadmium enthalten. Nickel-Cadmium-Akkus sind besonders robuste Batterien mit hohen Entladeströmen. Außerdem geben sie bei Überladung die Energie in Form von Wärme ab, statt thermisch durchzugehen.

Bekannt sind sie vor allem durch den „Memory-Effekt“: Durch häufiges Teilentladen und Wiederaufladen reduziert sich die Batteriekapazität deutlich.

Anwendung finden sie durch Ausnahmeregelungen noch in Notleuchten und in medizinischen Geräten.

Natrium-Schwefel

Natrium-Schwefel-Zellen weisen statt einem flüssigen, einen festen Elektrolyten und eine flüssige Elektrode auf. Sie werden vor allem für den Betrieb bei hohen Betriebstemperaturen von 270 bis 350°C eingesetzt. Durch das aufwendige Temperaturmanagement erlangten die Natrium-Schwefel-Akkus keine weitreichende wirtschaftliche Bedeutung.

So langsam rücken sie aber wieder in den Fokus, da sie günstiger zu produzieren sind und mehrere tausend Ladezyklen absolvieren können. Jedoch sind hohe Temperaturen für den Betrieb nötig und für den Gebrauch bei heimischen Photovoltaik-System einfach noch zu groß.

Redox-Flow-Batterie

Bei diesem Speichermedium handelt es sich um zwei energiespeichernde Elektrolyte. Sie zirkulieren in zwei voneinander getrennten Systemen. Die Elektrolyte fließen aus dem jeweiligen Tank an einer Membran entlang, diese verhindert zwar das Mischen der Flüssigkeiten, ermöglicht aber einen Ionenaustausch. Von den elektrochemischen Speichern ist die Redox-Flow-Batterie die einzige Speichermöglichkeit bei der Energiemenge und Leistung unabhängig voneinander skaliert werden können. Diese einzigartige Fähigkeit macht es möglich Leistung von einem Kilowatt bis zu mehreren Megawatt zu speichern.

Redox-Flow-Batterien eignen sich hervorragend als Pufferspeicher. In Japan ist die größte Batterie dieser Art in einer Windkraftanlage verbaut und kann über einem Zeitraum von zehn Stunden eine elektrische Leistung von sechs Megawatt liefern.

Blei-Bleioxid

Diese Batterien sind in unserem Alltag ständig präsent, ob als Starterbatterie im Auto, als Notstromreserve oder in Elektrofahrzeugen. Durch zwei Elektroden unterschiedlicher Metalle und deren Materialeigenschaften und der Elektrolytlösung werden elektrochemische Reaktionen hervorgerufen. Die Energie wird da gespeichert, wo sie auch umgewandelt wurde.

Dabei können sie einen Wirkungsgrad von 90 Prozent erreichen, jedoch reicht dieser häufig nicht über die 65 Prozent hinaus. Ihre Lebensdauer kann bis zu 12 Jahren betragen. Leider gelten Blei-Säure-Akkus aufgrund des hohen Blei-Gehalts als umweltschädlich und ihre Entsorgung ist aufwendig und teuer.

Dem gegenüber steht aber die verhältnismäßig geringen Anschaffungskosten. Damit sind sie ideal gerade für Photovoltaikanlagen als Inselsysteme.

Lithium-Ionen, Lithium-Polymer

Am geläufigsten sind uns die Lithium-Ionen oder Polymer-Akkus. Gerade bei den mobilen Geräten sind sie unverzichtbar geworden. Zu finden sind sie vor allem bei Notebooks, Videokameras, Handys, MP3-Player, Tablets,…

Lithium-Ionen-Zellen bestehen aus einer negativen Grafit-Elektrode und einer positiven Lithium-Metalloxyd-Elektrode.

Beide Elektroden werden durch einen Seperator getrennt um einen Kurzschluss zu verhindern. Der Separator wirkt wie ein Schwann und ist für die Lithium-Ionen durchlässig. Es entsteht eine hohe Energiedichte von bis zu 180Wh/kg.

Je nach Hersteller oder Variante sind die Eigenschaften und Güteklassen des Akkus unterschiedlich.

Lithium reagiert sehr stark mit Wasser. Bei Beschädigungen kann es zu heftigen Reaktionen wie Verpuffung oder sogar Brand kommen.

Häufig überstehen die Akkus nur ein- bis zweitausend Ladezyklen, bevor sie unbrauchbar werden.

Durch ihre hohe Energiedichte mit geringen Konstruktionsmaßen sind sie nicht nur für mobile Geräte ideal, sondern auch bei Elektroautos, Segways oder Pedelecs einsetzbar.

Außerdem eigenen sie sich hervorragend den selbsterzeugten Strom der eigenen Photovoltaikanlage zu speichern, statt ihn ins Netz einzuspeisen.

Fazit

Du siehst an Speichermöglichkeiten mangelt es nicht. Jedoch spielen Preis, Lebensdauer und Kapazität eine große Rolle. Jedes System bietet in alle Richtungen Vorteile, hat aber oft auch entscheidende Nachteile wie z. B. Umweltverträglichkeit.

Wenn du einen Lithium-Ionen-Speicher für den selbsterzeugten Strom ins Auge gefasst hast, dann liegst du damit gar nicht so falsch. Und ist auf den Weg in die Stromunabhängigkeit ein erster Schritt.

Auf welche Batteriesysteme soll ich genauer eingehen, was interessiert dich? Und was nutzt du im Alltag für Batterien?

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Ich stehe mit meinem Blog noch ganz am Anfang und muss noch viel lernen. Deshalb freue ich mich über jedes Feedback. Jeder Kommentar und jede E-Mail wird von mir beantwortet. Fragen, Anregungen, Verbesserungen oder ein nettes Lob, sind bei mir immer sehr willkommen.

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Bild: ©pixelio.de / knipseline

Autor: Lydia

Leidenschaftliche Solartechnikerin, die helfen möchte Photovoltaik einfach zu verstehen. Denn energiewenden ist auch auf dem eigenen Hausdach möglich.

2 Kommentare

  1. Nichts für ungut – bitte den Link so einrichten :

    http://mein-sonnenkraftwerk.com/blog/batteriesysteme/

    Der große Nachteil aller „Batterien“ ist der vergleichsweise geringe „Energieinhalt“. Allenfalls PtG kann das ausgleichen und mit viel Glück und beträchtlichem Aufwand kann damit ein Teil des bisherigen Verkehrs, Heizung, Industrie (um die größten Verschwender zu nennen) aufrechterhalten werden.

    Das nachfossile Zeitalter wird mit so um die 30% des heutigen „Energiebedarfs“ auskommen müssen. Seit ~1800 scheint Mensch im Wettbewerb, wie schnell kann man die Welt von fossiler Energie befreien….

    Zum Nachdenken : Diesel = 9800 kWh/m³, S- Benzin 8760 kWh/m³, flüssiges Autogas 6966 kWh/m³, Wasserstoff flüssig 2360 kWh/m³ um nur einige der wichtigsten zu nennen.

    Akkumulatoren – liegen leider um einiges darunter. Zu bedenken ist, für jede Form „Grüner Energie“ muss zunächst eine Menge „Grauer Energie“ investiert werden. Geschieht das nicht massiv und möglichst bevor jemand entscheiden muss – weiter so – oder ein beträchtlicher Teil der jetzt noch „anderwärts benötigten“ fossilen Energie „umlenken“ in die energieintensive Herstellung von PV, WKA, PtG und Speichersysteme, wird das alles kein gutes Ende nehmen.

    Um das zu verstehen, darf man kein Optimist sein – Pessimisten sind gewöhnlich Menschen die mehr wissen (wollen) und bei dem Personal (Homo Sapiens) nur das allerschlimmste erwarten…..

  2. Hallo Rainer,

    vielen Dank für deinen Beitrag. Sicher sind die Systeme noch nicht 100%-ig ausgereift und die Kosten sind noch enorm hoch im Vergleich zum Nutzen. Dennoch muss jemand den Anfang machen. Und die Entwicklung bleibt nicht stehen. In wenigen Jahren wird die Batterietechnik ausgereift und bezahlbar sein. Dann werden nicht wenige Haushalte ihren selbstproduzierten Strom speichern und so unabhängig vom Energieversorger machen.

    Liebe Grüße
    Lydia

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