Stromspeicher für Photovoltaik-Anlagen enthalten Batteriezellen, die beim Laden Elektronen aufnehmen und beim Entladen diese wieder abgeben können. Es gibt unterschiedliche Typen von Batteriezellen, die sich in der Zusammensetzung unterscheiden. Das hat Auswirkungen auf die Sicherheit, aber auch auf die Speicherdichten und Kosten.
Das grundlegende Funktionsprinzip einer Batterie besteht in der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie. Diese Umwandlung erreicht man, indem man zwei Elektroden zusammenbringt, zwischen denen eine Potenzialdifferenz besteht. Das hat zur Folge dass sich an der negativen Elektrode (Anode) Elektronen freisetzen, die zur positiven Elektrode (Kathode) fließen. Um einen Stromfluss in einem geschlossenen Kreis zu erreichen, müssen zugleich geladene Teilchen, sogenannte Ionen, zwischen den Elektroden wandern können. Dazu befinden sich die Elektroden in einer Flüssigkeit, die geladene Teilchen enthält, der sogenannten Elektrolytlösung. Ein für Ionen durchlässiger Separator trennt die Elektroden und verhindert einen Kurzschluss. Der Stromfluss kann solange erfolgen, wie das Material an der negativen Elektrode Elektronen freisetzen kann.
Zum Laden des Stromspeichers muss man den Prozess umkehren. Dann sorgt der von der Photovoltaik-Anlage produzierte Strom, dass Elektronen zur negativen Elektrode im Stromspeicher strömen und dort das Material wieder mit Elektronen anreichern.
Ein einer Lithiumionen-Batterie ist es, vereinfacht betrachtet, Lithiummetall, das die negativ geladenen Elektronen abgibt und dadurch zu positiv geladenen Lithiumionen wird. Um den Prozess reversibel also umkehrbar zu gestalten, ist das Lithium an den Elektroden in andere Materialien eingebettet. An der negativen Elektrode handelt es sich um eine Verbindung aus Graphit und Lithium. An der positiven Elektrode befindet sich Lithium in Strukturen aus Metalloxiden. Dabei können Metalle wie Kobalt, Nickel, Mangan, Aluminium oder Eisen oder auch Kombinationen unterschiedlicher Metalle zum Einsatz kommen. Je nach Zusammensetzung unterschieden sich die Eigenschaften der Batteriezellen.
Typen von Batteriezellen für Photovoltaik-Stromspeicher
Li-NMC: Batteriespeicher mit hoher Energiedichte
Batteriespeicher aus Li-NMC haben eine besonders hohe Energiedichte. Das ist der Grund, warum Li-NMC in den meisten Elektroautos zu finden ist. Ein Nachteil von Li-NMC ist, dass es zu einem „thermischen Runaway“ kommen kann, wenn zum Beispiel der Separator nicht perfekt gefertigt ist oder es infolge einer Tiefentladung zu Mikrokurzschlüssen kommt. NMC steht für die Metalle Nickel, Mangan und Kobalt. Insbesondere der Kobaltabbau steht in dem Ruf nicht besonders sozial und umweltfreudlich zu sein.
Li-NCA: Gute Schnelladefähigkeit
Eine ähnliche Schichtstruktur wie Li-NMC bildet das Material Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid (Li-NCA). Auch die Energiedichte von Li-NCA ist der dem Li-NMC vergleichbar. Hinzu kommt eine gute Schnellladefähigkeit, die für Speicher in E-Autos von besonderer Wichtigkeit ist. Aber auch bei PV-Speichern gewinnt dieses Material immer mehr an Bedeutung. Auch Li-NCA-Akkus enthalten Kobalt und Nickel und können wie Li-NMC „thermisch Durchgehen“.
Li-FePO4: Gut geeignet für Photovoltaik-Speicher
Batteriespeicher aus Li-FePO4 (auch LFP abgekürzt) sind wegen der geringeren Energiedichte ein wenig schwerer und größer als Li-NMC-Batterien. Das spielt bei stationären Anwendungen wie bei der Photovoltaik aber keine große Rolle. Li-FePO4 hat eine gute thermische Stabilität und neigt weniger zum „thermischen Runaway“. FePO4 steht für Eisenphosphat. Dieses Material ist umweltfreundlich und gut verfügbar.
Salzwasserbatterie: Lithiumfreie Alternative
Eine Alternative zur Lithiumbatterie ist die Salzwasserbatterie, in der Natrium anstelle von Lithium als Speichermedium steckt. Der Vorteil ist, dass Natrium als Bestandteil des Kochsalzes praktisch unbegrenzt zur Verfügung steht. Die Lithiumvorkommen sind hingegen begrenzt und der Lithiumabbau geht zum Teil mit Umweltschäden einher. Daher gilt die Salzwasserbatterie als besonders umweltfreundlicher PV-Speicher.
Salzwasserbatterien kann man tiefentladen, ohne dass sie Schaden nehmen. Blei-Akkus und Lithium-Batterien darf man hingegen nicht ganz entladen. Bei Lithium-Batterien sollte zum Beispiel das Entladen immer nur maximal 80 Prozent der möglichen Energiemenge betragen. Ansonsten droht ein Einbrechen der Kapazität. Nachteilig ist die geringe Speicherdichte der Salzwasserbatterie. Ein „thermischer Runaway“ ist bei der Salzwasserbatterie wegen des wässrigen Elektrolyten nicht möglich.
In der jährlich neuaufgelegten Studie Stromspeicherinspektion haben Forscher:innen des HTW Berlin in der Ausgabe 2023 festgestellt, dass die Speicherverluste bei Salzwasserbatterien deutlich höher sind als bei Lithiumionen-Batterien. Auch die Leistungsabgabe sinkt stark bei sinkendem Ladezustand.
Nickel-Metallhydrid-Batterie
Auch die Nickel-Metallhydrid-Batterie enthält wie die Salzwasserbatterie einen nicht brennbaren Elektrolyten und verträgt Tiefentladungen und auch Überladungen. Nachteilig ist, dass dieser Batterietyp zum Memory-Effekt neigt. Da die Zellspannung nur 1,2 Volt beträgt, sind bei gleicher Batteriespannung mehr Batteriezellen nötig als bei Lithium-Ionen-Batterien. Außerdem enthalten auch Nickel-Metallhydrid-Batterien knappe Rohstoffe wie seltene Erden.
Redox-Flow-Batterie: Als Langzeitspeicher geeignet
Bei der Redox-Flow-Batterie befinden sich der Anoden- und der Kathodenraum in räumlich getrennten Behältern. Dadurch kann es nicht zu einer Selbstentladung kommen. Lithium-Batterien verlieren zum Beispiel drei Prozent ihrer Kapazität pro Monat, wenn sie einfach nur unbenutzt lagern. Redox-Flow-Batterien haben bauartbedingt die geringste Speicherdichte. Besonders kleine Batterien dieses Typs, wie man sie für häusliche PV-Speicher braucht, sind auch noch sehr teuer.
Festkörperbatterien: Neue Chancen für Photovoltaik-Stromspeicher
Derzeit in der Entwicklung befinden sich Festkörperbatterien. In diesen Batteriezellen befindet sich anstelle eines flüssigen Elektrolyten eine feste Elektrolytschicht. Festkörperbatterien bieten wichtige Vorteile. Sie weisen eine höhere Sicherheit auf, denn sie haben sie keinen flüssigen Elektrolyten, der auslaufen und sich entzünden kann. Auch könnte ihre Energiedichte höher und die Lebensdauer länger sein als bei bisherigen Batteriezellen. Zudem geben eine neue Technologie europäischen Herstellern die Chance, den Vorsprung chinesischer Unternehmen in der Lithiumionen-Technologie wettzumachen.
Autor: Jens-Peter Meyer