Qualitätsunterschiede bei Solarspeichern: Darauf kommt es an

Im Bereich der Stromspeicher für Solaranlagen sind Lithium-Ionen-Batterien mittlerweile standard. Gegenüber den vorher häufig verwendeten Blei-Säure-Akkus haben Li-Ion-Speicher einige wichtige Vorteile. Vor allem die Anzahl der möglichen Ladezyklen und damit auch die Lebensdauer qualifiziert sie als stationäre Solarspeicher für daheim. Wenn von Lithium-Ionen-Speichern die Rede ist, denkt man deshalb an Qualität. Dabei macht die Speichertechnologie allein noch keinen guten Akku. Tatsächlich sind die Qualitätsunterscheide zwischen Batterien mit identischer Lithium-Ionen-Technologie frappierend. Wie kommt das?

Transportwiderstände innerhalb der Zelle beschleunigen die Alterung

Das Prinzip elektrochemischer Speicher ist bei allen Technologien identisch: In zwei abgetrennten Bereichen werden Ladungsträger konzentriert. Sie streben nach Ausgleich, also nach gleichmäßiger Verteilung zwischen den beiden abgetrennten Bereichen. So lässt sich Energie speichern. Wird nun ein elektrischer Verbraucher angeschlossen, fangen die Ladungsträger an zu fließen – chemisch gespeicherte Energie wird in elektrische Energie umgewandelt.

Bei Lithium-Ionen-Speichern sind die Ladungsträger Lithium-Ionen. Die beiden abgetrennten Bereiche sind die beiden Pole der Batterie, die Anode und die Kathode. Dazwischen befindet sich das Elektrolyt, das die Lithium-Ionen quasi „beinhaltet“. Hier können sie sich frei bewegen und zwischen den beiden Polen wandern. Damit sich die beiden abgetrennten Bereiche nicht berühren, befindet sich zwischen ihnen ein Separator. Er ist für die Lithium-Ionen durchlässig.

Bei jedem Laden und Entladen der Batterie wandern die Lithium-Ionen zwischen der Anode und der Kathode hin und her. Einmal Entladen und Laden ist ein Ladezyklus. Hier fangen die Probleme an: Beim Laden und Entladen der Zelle entstehen Transportwiderstände, die die in der Zelle enthaltenen Elemente Stress aussetzen. Hierdurch nimmt die Kapazität der Zelle ab. Wenn von der ursprünglichen Kapazität einer Zelle noch 80% zur Verfügung stehen, sagt man, die Zelle ist defekt. Dies gilt allerdings nicht für alle Anwendungen. Manche Hersteller von stationären Speichern nutzen aufbereitete Zellen aus E-Autos, weil es hier auf jedes Gramm ankommt. Verringert sich die ursprüngliche Kapazität, verändert sich das Kapazitäts-Gewichts-Verhältnis zum Negativen. Der Speicher eignet sich dann aber weiterhin für stationäre Anwendungen, bei denen es weder auf die Größe noch auf das Gewicht ankommt.

Die Zyklenfestigkeit verschiedener Lithium-Ionen-Zellen unterscheidet sich um das Fünffache

Lithium-Ionen-Speicher altern also bei der Nutzung. Hinzu kommt Stress durch chemische Degradation. Hierfür sind vor allem ungünstige Temperaturen verantwortlich. Durch den Aufstellort des Speichers lassen sich Kapazitätsverluste durch ungünstige Temperaturen allerdings gut vermeiden. Dies ist kein Qualitätsmerkmal von Lithium-Ionen-Akkus. Temperaturempfindlich sind sie alle.

Entscheidender für die Qualität sind andere Faktoren, die sich beim Kauf einer Batterie auf den ersten Blick nicht erkennen lassen. Dass die Unterschiede teils enorm sind, zeigt eine Untersuchung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), das die Zyklenfestigkeit verschiedener Lithium-Ionen-Zellen verglichen hat. Das Ergebnis: Manche Zellen haben schon nach 1.000 Zyklen 30% ihrer ursprünglichen Kapazität verloren, während andere 5.000 Zyklen aushielten. Funfact: Besonders schlecht schnitt eine Zelle von Tesla ab. Sie hielt nur 400 Zyklen durch. Der Experte gibt allerdings zu bedenken, dass dies genau ihrer Funktion entspricht. Mit einer Ladung schafft das Auto 500 Kilometer. Mit einer Batterie liegt die Reichweite also bei 200.000 km. Als stationärer Speicher eignet sich diese Zelle hingegen nicht.

Ungünstige Produktionsbedingungen verkürzen die Lebensdauer

Die Bestandteile von Lithium-Ionen-Zellen können entweder gestapelt oder gewickelt werden. Einige Bauformen geben schon von außen Aufschluss darüber: Runde Akkus sind mit großer Sicherheit gewickelt, flacke Akkus gestapelt. Auf die Qualität hat dies großen Einfluss. So sind gewickelte Zellen hohem Stress ausgesetzt. Die E-Felder sind inhomogen, was die Alterung erhöht. Gestapelte Akkuzellen haben dieses Problem nicht, weshalb sie langsamer altern als gewickelte. Bereits hier gibt es also deutliche Qualitätsunterschiede zwischen Solarspeichern auf Basis der Lithium-Ionen-Technologie.

Die vom KIT beobachteten großen Unterschiede bei der Zyklenfestigkeit lassen sich allein mit der Bauart – gewickelt oder gestapelt – aber nicht erklären. Es müssen weitere Faktoren am Werk sein, wenn einige Zellen über 5.000 Zyklen halten, während andere schon bei unter 1.000 Zyklen unter die Schwelle von 80% Restkapazität sinken.

Tatsächlich sind es die Produktionsbedingungen, die einen großen Einfluss darauf haben, ob eine Batteriezelle später eine lange Lebensdauer hat oder nicht. So entstehen die Unterschiede der Zyklenfestigkeit, die oben in der Grafik abgebildet werden. Verunreinigungen oder ungünstige Temperaturen bei der Produktion und Lagerung können sich negativ auf die Qualität der fertigen Zellen auswirken. Wie man das erkennt? Von außen leider gar nicht. Daher sind Erfahrungsberichte beim Kauf eines Solarspeichers so wichtig, denn aus schlechten Zellen lässt sich keine gute Batterie bauen. Aus guten Zellen aber eine schlechte. Auch dies sollte man beim Kauf beachten. Woran liegt das?

Gute Zellen können zu schlechten Batterien zusammengesetzt werden

Jeder Solarspeicher hat eine Ladeelektronik. Sie sorgt unter anderem dafür, dass es nicht zu einer schädlichen Tiefenentladung kommt. Bei Solarspeichern steuert sie darüber hinaus, wann die Zellen geladen werden. Bei vielen Solarspeichern geschieht dies, sobald Strom aus der PV-Anlage zur Verfügung steht und noch Kapazität in der Batterie übrig ist. Hier ist die Elektronik vergleichsweise dumm. Sie sagt dem Solarspeicher: „Aufladen, wenn Strom zur Verfügung steht und du noch Platz hast.“ Der Nachteil dieser Betriebsstrategie ist, dass ein über längere Zeit hoher Ladestand für Lithium-Ionen-Akkus schädlich ist. Ein guter Solarspeicher berücksichtigt dies und richtet sich nach dem typischen Verbrauchsverhalten. Er plant das Laden der Zellen so, dass zwischen dem erneuten Entladen nicht viel Zeit vergeht. Dies ist eine beispielhafte Maßnahme, die die Lebensdauer von Stromspeichern verlängert und die Qualität erhöht. Auch hier können Kunden sich letztlich nur auf ehrliche Erfahrungsberichte von anderen Kunden oder Testinstituten verlassen. Es lohnt sich also, mit der Entscheidung ein wenig zu warten und die verfügbaren Modelle gut zu sondieren.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.