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Stromspeicher

So funktioniert der Stromspeicher einer Photovoltaikanlage

Bereits 80.000 Photovoltaik-Speicher sind in Deutschland in Betrieb. Sie speichern überschüssig erzeugten Solarstrom zwischen und stellen Ihn dann zur Verfügung, wenn er gebraucht wird. Wie das genau funktioniert, erklären wir hier.

Photovoltaik_Speicher

Die Rolle des Stromspeichers in der Photovoltaikanlage

Eine Photovoltaikanlage erzeugt nur dann Strom, wenn die Sonne scheint. Ist es bewölkt, kommt nur wenig Sonnenstrahlung auf der Erde an. Folglich wird weniger Strom generiert. Nachts kann kein Strom aus einer Photovoltaikanlage gewonnen werden. Wir brauchen aber nicht nur Strom, wenn die Sonne scheint, sondern ebenso in den Abend- und Nachtstunden. Daher macht es Sinn überschüssigen, am Mittag erzeugten Solarstrom zwischenzuspeichern. Je teurer der ansonsten nötige Strombezug aus dem Netz ist, desto mehr lohnt sich diese Zwischenspeicherung.

Üblicherweise werden für die Speicherung des Solarstroms stationäre Speicher in Form von Akkumulatoren verwendet. Eine in den Speichern integrierte Steuerungseinheit regelt wie viel Strom, in Abhängigkeit von momentanem Verbrauch und Erzeugung, eingespeichert werden soll. Die Steuerungseinheit prüft bei ankommendem erzeugten Solarstrom zunächst immer, ob der Strom aktuell im Haus gebraucht werden kann. Ist dies nicht der Fall, wird der Solarstrom eingespeichert. Ist der Speicher voll, wird überschüssig erzeugter Strom ins Netz geleitet. Meistens werden Stromspeicher so dimensioniert, dass Sie bei voller Ladung einem Haushalt den nötigen Abend- und Nachtstrom liefern können. 

Das steckt hinter der Technik eines Stromspeichers

Doch wie funktioniert die Einspeicherung des Solarstroms im Detail? Stromspeicher für Photovoltaikanlagen sind Akkumulatoren (Akkus). Ein Akku ist ein chemischer Energiespeicher, der elektrische Energie in chemische Energie umwandeln kann (Ladeprozess) und umgekehrt (Entladung). Die Ladung und Entladung von Akkumulatoren beruht auf einer kontrolliert ablaufenden chemischen Reaktion.

Im Inneren eines Akkus befinden sich ein Elektrolyt und zwei unterschiedliche Arten von Metall. Ein Elektrolyt ist eine Flüssigkeit, die elektrischen Strom leitet. Durch Einsatz eines Elektrolyten wird ein Ionenaustausch zwischen den Metallen und somit eine chemische Reaktion, die Energie freisetzt, erst möglich. Die Metalle im Akku werden auch Elektroden genannt und weisen unterschiedliche Ladungen auf. Eine Elektrode, die Elektronen abgibt, bezeichnet man als Kathode. Wenn Elektroden Elektronen aufnehmen, sind sie Anoden.

                                                                         Funktion eines Akkus, Von Tkarcher, CC BY-SA 3.0,

Laden

Beim Laden eines Akkus wandern Ionen von der Kathode zur Anode und reagieren dort mit Elektronen zu Atomen. Dieser Prozess läuft nur unter Zugabe von Strom ab.

Entladen

Der Entladevorgang benötigt keine Energiezufuhr und läuft umgekehrt ab. Die Atome geben ihre Elektronen wieder ab und wandern durch die Elektrolytlösung zur positiven Kathode zurück. Gleichzeitig fließen auch Elektronen über einen externen Stromkreis zurück zur positiven Elektrode. Da elektrischer Strom nichts anderes ist als die Bewegung von Elektronen, kann dieser Elektronenfluss dann als Strom am Akku abgegriffen werden.  

Akkutypen von Photovoltaikspeichern

  • Blei-Akkumulatoren (seltener)
  • Lithium-Ion-Akkus

Blei-Akkus

Ein Blei-Akku funktioniert im Prinzip wie ein normaler Akku, nur dass seine Elektroden aus Blei oder Bleiverbindungen bestehen. Der Elektrolyt eines Blei-Akkus ist Schwefelsäure. Ein Vorteil der Akkuvariante ist, dass praktisch kein Wartungsaufwand anfällt. Insgesamt sind auch die Investitionskosten im Vergleich zu Lithium-Ion-Akkus geringer. Problematisch ist, dass Blei-Akkus eine geringere Energiedichte haben als Lithium-Ion-Akkus. Da das Elektrolyt beim Be- und Entladen langsam aufgebraucht wird, nutzt sich der Akku außerdem schneller ab. Die bekannteste Anwendung für einen Blei-Akku ist die Autobatterie.

Lithium-Ion-Akkus

Lithium-Ion-Akkus sind deutlich leistungsstärker und bei vermehrter Produktion auch immer günstiger. Daher verdrängen sie den Blei-Akku mehr und mehr aus dem Markt für Photovoltaik-Speicher. Das erste Patent für einen Lithium-Ion-Akku wurde 1989 angemeldet. Seitdem hat sich die relativ junge Akkutechnologie stark verbreitet. Ursprünglich waren Lithium-Ion-Akkus durch ihr geringes Gewicht für die Anwendung in mobilen Geräten, wie Taschenlampen, prädestiniert. Heute werden Sie, aufgrund ihrer hohen Leistungsfähigkeit, auch immer häufiger ortsfest eingesetzt. Besonders bei der Speicherung fluktuierender erneuerbarer Energien wird der Lithium-Speichertechnologie eine Schlüsselrolle zugemessen. Der Ladungsaustausch in Lithium-Akkus erfolgt über Lithium-Ionen. Die Elektrolytlösung ist im Gegensatz zu Blei-Säure-Akkus nicht wässrig. Am negativen Elektrolyt kann sich zum Beispiel Graphit befinden. An der positiven Kathode wird am häufigsten Lithium-Cobalt-Oxid (LiCoO2) oder  Lithium-Eisen-Phosphat (Li-FePO4) eingesetzt.

2008 waren 90% aller Lithium-Akkus aus Lithium-Cobalt-Oxid. Ein Nachteil von Akkus mit Lithium-Cobald-Oxid ist jedoch, dass Gefahr besteht, dass der Akku brennen oder unter extremen Bedingungen sogar explodieren kann. Lithium-Eisen-Phosphat-Akkus umgehen diese Gefahren durch die Vermeidung von Sauerstoff. Weitere Vorteile von Lithium-Eisen-Phosphat-Akkus sind, dass sie einen wesentlich höheren Entladestrom und eine wesentlich höhere Lebensdauer haben als andere Lithium-Ion-Akkus. Außerdem ist Lithium-Eisen-Phosphat nicht toxisch und daher umweltfreundlicher. Für die Anwendung in Photovoltaikanlagen ist Lithium-Eisen-Phosphat die derzeit beliebteste Akkuvariante. Empfehlen können wir hier die Stromspeicher der Firma Sonnen und Fronius.

Blei-Säure Akkus vs. Lithium-Ionen Akkus

Blei-AkkuLithium-Ion-Akku
Wirkungsgrad65-85%85-98%
Energiedichte0,11 MJ /kg0,65 MJ/kg
AbnutzungElektrolyt wird beim Be- und Entladen langsam aufgebrauchtSehr geringe Abnutzung bei Lade- und Entladezyklen
Lebensdauerca. 5-7 Jahrebis zu 20 Jahre
Empfindlichkeitunempfindlicherempfindlich bei Über- und Tiefenentladung darum nur mit Batteriemanagementsystem zu verwenden
weitere EinsatzbereicheAutobatterieHandyakku

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