Batterietechnologie

Bild-Nutzung-der-PV

Zur elektrochemischen Speicherung von Solarstrom in Wohngebäuden stehen verschiedene Batteriespeicher-Technologien zur Verfügung. Weit verbreitet sind neben Blei-Batterien auch Batterien auf Lithium-Ionen-Basis. Bei der Blei-Batterietechnologie unterscheidet man zwischen Blei-Säure- und Blei-Gel-Batterien, je nachdem ob der Elektrolyt flüssig oder gelförmig ist. Der Betrieb von Blei-Säure-Batterien erfordert eine regelmäßige Wartung und Nachfüllung des Elektrolyts. Da bei der Ladung von Blei-Säure-Batterien Wasserstoff entstehen kann, ist ein ausreichend belüfteter Aufstellraum erforderlich. Wird der Elektrolyt jedoch gelförmig gebunden, lässt sich die sogenannte Gasung in der Regel vermeiden. Blei-Gel-Batterien sind daher für den Einsatz in Wohngebäuden eher geeignet. Blei-Batterien spielen für die Zukunft der Entwicklung der Stromspeicher keine bedeutende Rolle mehr.

Neben Blei-Batterien findet die Lithium-Batterietechnologie in Hausbatteriespeichersystemen zunehmend Anwendung. Im Gegensatz zu Blei-Batterien haben Lithium-Ionen-Batterien oftmals eine höhere kalendarische und Zyklenlebensdauer. Grundsätzlich gibt es eine Vielzahl von unterschiedlichen Elektrodenkombinationen. Neben Lithium-Eisen-Phosphat (LFP) zählen hierzu Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid (NCA), Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Oxid (NMC), Lithium-Mangan-Oxid (LMO) und Lithium-Titanat (LTO). Je nach Lithiumtechnologie sind besondere Sicherheitsanforderungen einzuhalten. Beim Aufstellort von Lithium-Ionen-Batterien ist darauf zu achten, dass der Temperaturbereich den Gefrierpunkt nicht unterschreitet, da dies die Batterie irreversibel schädigen könnte. Mehr zu den Lithium-Ionen-Batterien siehe Wikipedia.

Glossar zur Systemtechnik von Solarstromspeichern  

  • Nominale Speicherkapazität 

Die nominale oder Nennkapazität entspricht der Energiemenge, die dem Batteriespeicher unter definierten Nennbedingungen entnommen werden kann.

  • Nutzbare Speicherkapazität 

In der Praxis wird der nutzbare Anteil der Nennkapazität zur Erhöhung der Batterielebensdauer auf einen festgelegten Ladezustandsbereich beschränkt. Daher ist die nutzbare Speicherkapazität meist geringer als die nominale Kapazität.

  • Ladezustand

Der Ladezustand gibt das Verhältnis von aktuell verfügbarer Speicherkapazität zur Nennkapazität wieder.

  • Entladetiefe 

Die Entladetiefe entspricht der Differenz zwischen dem minimal und maximal zulässigen Ladezustand des Batteriespeichers.

  • Zyklenlebensdauer

Die Zyklenlebensdauer gibt die Anzahl der Zyklen an, nach der die Speicherkapazität durch die Zyklenbelastung auf 80% der Anfangskapazität gesunken ist. In der Regel steigt die Zyklenlebensdauer je geringer die Entladetiefe ist.

  • Kalendarische Lebensdauer 

In Kalenderjahren angegebene Lebensdauer, nachdem die Speicherkapazität ohne Zyklisierung aufgrund von chemischen Zerfallsprozessen auf 80% der Anfangskapazität gesunken ist. In der Praxis überlagern sich die zyklische und kalendarische Alterung.

  • Energiewirkungsgrad

Der Energiewirkungsgrad entspricht dem Verhältnis aus entladener Energiemenge zur zugeführten Energiemenge während der Batterieladung.

Bild-AC-System

Batteriekopplung

Neben der Batterietechnologie ist die Art der Einbindung des Batteriespeichers in das PV-Speichersystem ein weiteres Unterscheidungskriterium. Dabei wird zwischen der Batteriekopplung auf der Wechselstrom- (engl. alternating current, AC) und Gleich-strom-Seite (engl. direct current, DC) unterschieden.

Bei der AC-Kopplung ist der Batteriespeicher mit dem PV-System über das Wechselstromnetz des Hauses verbunden. Die Be- und Entladung des Batteriespeichers erfolgt daher über einen separaten Batteriewechselrichter. Bei der Batterieladung wird somit die generatorseitige Gleichspannung zunächst durch den PV-Wechselrichter in Wechselspannung und anschließend durch den Batteriewechselrichter wieder in Gleichspannung gewandelt. Zur Versorgung der Verbraucher wird der zwischen-gespeicherte Solarstrom anschließend wieder wechselgerichtet. Da das PV-System und der Batteriespeicher AC-seitig miteinander gekoppelt sind, können beide Komponenten weitgehend unabhängig voneinander errichtet und dimensioniert werden. Daher sind AC-gekoppelte Batteriespeicher besonders für die Nachrüstung von bestehenden PV-Systemen geeignet. Darüber hinaus kann durch diese Systemkonfiguration der Aufstellort des PV-Wechselrichters und AC-seitig eingebundenen Batteriespeichers unabhängig voneinander gewählt werden.

Bild-DC-System

Im Gegensatz zu AC-gekoppelten Systemen können PV-Systeme und Batteriespeicher auch DC-seitig verbunden werden. Bei dieser als DC-Kopplung bezeichneten Konfiguration wird der Batteriespeicher in den DC-Zwischenkreis des PV-Wechsel-richters eingebunden.

Der Anschluss des Batteriespeichers ist daher über einen Batterieladeregler (DC/DC-Steller) meist ohne DC-AC-Wandlung direkt in den PV-Wechselrichter integriert. Liegen die Spannungsniveaus des Batteriespeichers und Wechselrichter-Zwischenkreises jedoch weit auseinander, kann ein zusätzlicher DC-AC-DC-Wandler mit Transformator erforderlich sein. Die Effizienz von DC-gekoppelten Systemen wird daher auch von den jeweiligen Spannungsverhältnissen beeinflusst.

Diese DC-seitige Einbindung des Batteriespeichers kann prinzipiell effizient und kostensparend erfolgen, ist jedoch mit einer geringeren Flexibilität bei der Systemauslegung und Wahl des Aufstellungsorts verbunden. Darüber hinaus lässt sich der Batteriespeicher auch auf der Gleichspannungsseite des PV-Wechselrichters einbinden.

Bei dieser Generatorkopplung ist der Batteriespeicher über einen DC/DC-Steller seriell oder parallel zum PV-Generator am Gleich-strom-Eingang des Wechselrichters angeschlossen. Grundsätzlich ist diese Art der Batteriekopplung regelungstechnisch anspruchsvoll, da es zur Beeinflussung des Arbeitspunkts des PV-Generators durch den Batteriespeicher kommen kann. Daher wird diese Art der Batteriekopplung bisher nur selten eingesetzt. Des Weiteren besteht sowohl bei der Generator- als auch bei der DC-Kopplung nicht die Möglichkeit, elektrische Energie von anderen Erzeugungseinheiten oder aus dem öffentlichen Netz zwischen zu speichern.

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