Batterien für die Energiewende

Batteriespeicher sind wichtig für die Energiewende, denn Sie ermöglichen die Nutzung von selbst erzeugtem Solarstrom auch dann, wenn die Sonne nicht scheint. Doch was unterscheidet einen guten Speicher von einem schlechten?

Die Energiewende ist nicht aufzuhalten: Mittlerweile sind laut dem BSW – Bundesverband Solarwirtschaft weltweit schon Photovoltaik-Anlagen mit einer Gesamtkapazität von über 300 GW installiert. Allein die 2016 neu installierten Anlagen generieren bis zu 90 TWh saubere Energie – das würde rein rechnerisch pro Jahr für die Versorgung von etwa 25 Millionen Haushalten mit einem Jahresverbrauch von 3.500 kWh reichen. Der Photovoltaik (PV) kommt in puncto Energiewende eine besondere Rolle zu. Denn anders als die Energiegewinnung aus Wind oder Biomasse ist Solarstrom einfach zu dezentralisieren. Und so wird auch das Netz generell entlastet. Strom, der beispielsweise in einem Offshore-Windpark gewonnen wird, muss erst unter einem großen ökonomischen und ökologischen Aufwand in Stromtrassen weiterverteilt werden – dies fällt bei Photovoltaik komplett weg. Effiziente Batteriespeicher sorgen dafür, dass die Energie dann zur Verfügung steht, wenn sie gebraucht wird. Dies ist bei einem durchschnittlichen Haushalt vor allem abends und am Wochenende der Fall.

Lithium-Ionen-Technologie als neuer Standard

Wurden in den vergangenen Jahren noch häufig Heimspeicher entwickelt, die auf der Blei-Gel- oder der Blei-Säure-Tech­nologie basieren, haben sich mittlerweile Lithium-Ionen-Batterien am Markt durch­gesetzt. Die aktuelle Akku-Generation ist der alten Gilde in allen Punkten überlegen: Lithium-Ionen-Speicher sind platzsparender, leistungsstärker, langlebiger und vor allen Dingen wirtschaftlicher als Blei-Batterien. Besonders wirtschaftlich sind Stromspeicher, die auf die DC-Technologie setzen. Bei dieser Technik wird der per PV-Anlage erzeugte Gleichstrom direkt in die Batterie geladen. Dies ist die effizienteste Möglichkeit Energie zu speichern, weil keine Umwandlungsverluste entstehen. Erst wenn zusätzlicher Batteriestrom benötigt wird, wandelt der Wechselrichter den Gleich- in Wechselstrom um. AC-gekoppelte Heimspeicher werden dagegen erst nach dem Wechselrichter in das Energiesystem eingebunden. Diese Systeme können niemals sicherstellen, dass nicht auch mal grauer Netzstrom in den Speicher geladen wird, was die Wirtschaftlichkeit des gesamten Energiesystems mindert. In DC-gekoppelten Heimspeichern ist dagegen tatsächlich nur sauberer Ökostrom enthalten. Aufgrund der höheren Kompatibilität lassen sie sich häufig auch leichter in bereits bestehende Solaranlagen integrieren.

250 Vollzyklen im Jahr

Im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit, spielt die verwendete Lithium-Ionen-Zelle eine entscheidende Rolle. Denn aus einer schlechten Batteriezelle wird man niemals einen guten Speicher bauen können. Am Karlsruher Institut für Technologie wird die Zyklenfestigkeit in sogenannten 1C/1C-Tests untersucht. Bei dieser Untersuchung wird die Zelle jeweils innerhalb einer Stunde vollständig entladen und wieder voll aufgeladen. Die Batteriezelle gilt als "end-of-life", wenn sie nur noch eine Restkapazität von 80 Prozent hat. Denn ab dieser Grenze verläuft der Alterungsprozess nicht mehr linear, sondern deutlich beschleunigt ab. Doch wie viele Zyklen muss die Batteriezelle eines modernen Lithium-Ionen-Systems schaffen, bevor sie diesen Betriebszustand erreicht?

Solarwatt hat sich beim "MyReserve"-Speicher bewusst für eine Zelle entschieden, die zwischen 4.000 und 5.000 solcher Zyklen schafft, weil dies aus wirtschaftlichen Gründen besonders effektiv ist. Bei etwa 250 Vollzyklen pro Jahr halten die Zellen also rund 15 Jahre. Der Alterungsprozess der Batterie wird dabei extrem von den Umgebungsbe­dingungen beeinflusst. Besonders hohe Temperaturen führen beispielsweise zu einer beschleunigten Alterung des Speichers. Ein Batterie-Management-System (BMS) sollte also dafür sorgen, dass die Batterie erst kurz vor Sonnenuntergang auch tatsächlich vollgeladen ist.

Geschwindigkeit bringt Effizienz

Neben der Qualität der Zelle trägt die Geschwindigkeit des Batterie-Systems erheblich zur Effizienz des Speichers bei. Denn nur ein schnelles System kann auch einen möglichst hohen Eigenverbrauchsanteil des selbst erzeugten PV-Stroms gewährleisten. Besonders bei taktenden Verbrauchern, wie einer Kaffeemaschine oder einem Induktionsherd, spielt dies eine große Rolle, da diese im Millisekunden-Bereich schalten. Reagiert das Batterie-Management-System eines Speichers aufgrund zu langsamer Prozessoren nicht zügig genug auf eine solche Stromanforderung, bezieht das Gerät die benötigte Energie aus dem Netz. Sollte der Speicher zu lange brauchen, um zu bemerken, dass die Stromanforderung dieser taktenden Verbraucher schon wieder vorüber ist, wird mitunter selbst erzeugter Sonnenstrom ungewollt ins Netz eingespeist. Diese beiden beschriebenen Szenarien mindern den Eigenverbrauch.

Sicherheit muss oberste Priorität haben

Wie beispielsweise eine Öl- oder Gasheizung ist auch ein Batteriespeicher ein potentieller Gefahrenherd in einem Gebäude. Die Sicherheit muss von Seiten der Hersteller deshalb in jeder Entwicklungsphase oberste Priorität haben. Vor dem Einschalten des Speichers sollte das Batterie-Management-System die Temperatur, die Spannung und die Stromanforderung überprüfen. Nur wenn diese Tests positiv ausfallen, darf der Speicher überhaupt erst zugeschaltet werden.

Während des Betriebs ist ein zuverlässiges Monitoring essentiell: Solarwatt misst beispielsweise bei jeder einzelnen Zelle die Temperatur und verfolgt die Wärmeentwicklung. Wenn das BMS bemerkt, dass die Temperatur in den Batteriezellen zu sehr steigt, erfolgt eine softwareunabhängige Abschaltung der Hardware. Dafür sorgen insgesamt mehrere voneinander unabhängig agierende Mechanismen. Darüber hinaus wirken keramische Se­parator-Membranen in den Zellen als zusätzliche Sicherheitsbarriere, sodass es nicht zu Ablagerungen, sogenannten Dendriten, kommen kann. Diese könnten im Fall eines Kurzschlusses sogar einen Brand auslösen.

Weg zum weltweiten Massenmarkt ist geebnet

Neben der intrinsischen Sicherheit des Batteriesystems wird in Zukunft auch der Schutz vor externen Zugriffen immer mehr an Bedeutung gewinnen. Dies kann etwa dadurch gewährleistet werden, dass der Speicher extern nicht erreichbar ist. Die Umgebungstemperatur und Informationen zur Wetterkonstellation können auch ohne Weiteres über das angeschlossene PV-Modul bezogen werden. Das ist übrigens ein weiterer wesentlicher Vorteil der DC-Kopplung, weil dies mit AC gekoppelten Systemen grundsätzlich nicht möglich ist. Und über die Spannung des Moduls erkennt das System sogar, um welche Tageszeit es sich gerade handelt.

Fakt ist, dass in allen Teilen der Erde Batteriespeicher vermehrt eine wichtige Rolle zur Erhöhung des Eigenverbrauchs spielen werden. Die Kosten der Systeme werden weiter fallen, dadurch wird die Wirtschaftlichkeit weiter zunehmen – der Weg zum weltweiten Massenmarkt ist also geebnet.

Und wer weiß: In zehn Jahren werden Batteriespeicher möglicherweise ebenso standardisiert in Wohneinheiten integriert wie heute eine Heizung oder ein Warmwasserspeicher.