Hast Du dich auch schon gefragt, wie ein Photovoltaik-Stromspeicher eigentlich funktioniert? Wie genau wird der Strom gespeichert, welche Prozesse laufen dabei ab?
In diesem Blog-Beitrag erklären wir die Grundlagen des Stromspeichens mit PV-Anlagen und gehen auf die verschiedenen Typen von Speichern ein.
Wie immer hier vorab die Kurzform:
- Lithium-Ionen-Batterien sind eine effektive Art der Energiespeicherung und werden hauptsächlich für moderne Stromspeicher verwendet
- Sie enthalten positive und negative Elektroden mit dazwischen liegenden Elektrolytschichten
- Beim Ladevorgang bewegen sich die Elektronen von der Anode zur Kathode
- Beim Entladen bewegen sich die Ionen durch den Elektrolyt zur Kathode
- Weitere wichtige Komponenten des Speichers sind Batteriemanagementsysteme (BMS), Laderegler, Energiemanagementsysteme (EMS), Überwachungssysteme und Wechselrichter.
Welche Arten von Stromspeichern gibt es?
Für Stromspeicher gibt es verschiedene Arten von Batterien, die gewählt werden können. Dabei haben alle ihre Vor- und Nachteile. Am besten und sinnvollsten sind natürlich Akkus, die effektiv und langlebig sind.
Bei einer langen Lebensdauer können die höheren Kosten mit der Zeit wieder ausgeglichen werden. Von günstigen aber weniger effektiven Batterien profitiert man nicht lange.
Die aktuell verbreiteten Varianten sind:
- Bleisäure-Akkus sind relativ kostengünstig, sind aber auch weniger effektiv und besitzen eine geringere Lebensdauer als ihre Alternativen. Außerdem enthalten sie toxische Materialien, von denen eine Brandgefahr ausgeht.
- Lithium Ionen Akkus werden für Solarspeicher am häufigsten verwendet. Diese sind sehr effektiv und langlebig, mit Wirkungsgraden von bis zu 95%. Jedoch sind sie entsprechend teurer und enthalten den begrenzt verfügbaren Rohstoff Kobalt. Von ihnen geht ebenfalls eine Brandgefahr aus, wenn auch nur selten.
Viel tut sich auch im Bereich der Redox-Flow-Batterien. Diese sind allerdings eher für Großprojekte geeignet, da sie aufgrund der geringen Energiedichte einfach zu groß für den Einsatz im privaten Bereich sind.
Tipp
Der Prozess des Ladens und Entladens
Jetzt, wo Du die beiden Akkutypen kennst, werfen wir einen Blick auf die eigentliche Magie dahinter!
Blei-Stromspeicher
Blei-Säure-Batterien bestehen aus mehreren in Reihe geschalteten Einzelzellen. Diese bestehen jeweils aus einer positiven Elektrode aus Bleidioxid sowie aus einer negativen Elektrode.
Für die Batterie ist ein säurefestes Gehäuse erforderlich, da der Elektrolyt, der für die Funktion der Batterie verwendet wird, Schwefelsäure ist – also eine starke Säure.
Noch interessanter ist, dass der Elektrolyt je nach Batterietyp entweder als Lösung oder als Gel vorliegt. Dadurch sind sie unglaublich robust und können eine Vielzahl von Anwendungen über einen langen Zeitraum mit Strom versorgen.
Der letzte Bestandteil ist ein sog. Separator, dieser trennt die Elektroden um Kurzschlüsse zu vermeiden. Er besteht in der Regel aus Kunststoff.
Ladevorgang
Während des Ladevorgangs werden Elektronen in die negative Elektrode – die Kathode – eingebracht, wodurch Bleisulfat zu festem Blei reduziert wird.
An der positiven Elektrode – der Anode – werden Elektronen entnommen, um das Bleisulfat mit Wasser zu oxidieren, wodurch Bleidioxid entsteht.
Dieser Umwandlungs-, Speicher- und Rückwandlungszyklus wird Elektrolyse genannt und ermöglicht es uns, unsere Batterien wiederzuverwenden!
Entladevorgang
Alles beginnt mit einer spontanen Redoxreaktion, bei der die in Blei, Bleidioxid und Schwefelsäure gespeicherte chemische Energie in Strom umgewandelt wird.
Bei der Entladung setzt die Anode oder negative Elektrode zwei Elektronen pro Bleiatom frei, die zur Kathode oder positiven Elektrode wandern und das Blei dabei reduzieren sowie den Strom erzeugen.
Den detaillierten Prozess inkl. der chemischen Gleichungen kannst du hier nachlesen.
Li-Ion-Stromspeicher
Sie bestehen aus mehreren Zellen, die eine positive und eine negative Elektrode, die Anode und die Kathode, enthalten und zwischen denen sich Schichten aus ionenleitendem Elektrolyt befinden.
Wenn die Batterie in Betrieb ist, pendeln die Ionen zwischen den Elektroden hin und her, um eine konstante Energieversorgung zu gewährleisten.
Die meisten Lithium-Ionen-Batterien verwenden ein flüssiges Elektrolyt als Trägermedium für die Ionen – das ermöglicht eine leistungsstarke Energiespeicherung.
Ladevorgang
Wenn eine Spannung an eine dieser Batterien angelegt wird, entsteht an der Anode ein Überschuss an negativ geladenen Elektronen – während an der Kathode Elektronen abgezogen werden.
Bei diesem Prozess entstehen positiv geladene Lithium-Ionen, die durch den Separator wandern und sich dann als neutrale Teilchen an Graphitpartikel anlagern. Auf diese Weise können Lithium-Ionen-Batterien erfolgreich und effizient aufgeladen werden!
Entladevorgang
Beim Entladen bewegen sich die Lithium-Ionen durch den Elektrolyten zur Kathode, so dass die Elektronen durch eine Verbindung der beiden Pole wandern und somit den Strom erzeugen bzw. die Energie freigesetzt wird.
Weitere Komponenten eines Solar-Stromspeichers
Genug mit unserem Chemie-Exkurs. Die Speicher bestehen natürlich nicht nur aus der Batterie selbst, sondern verfügen noch über weitere Komponenten, welche die Sache erst rund laufen lassen.
BMS (Batterie-Management-System) & Laderegler
Das Batteriemanagementsystem, auch BMS genannt, ist das Gehirn der Batterie. Es weiß genau, wann es die Batterie laden und entladen muss, um das Beste aus ihr herauszuholen, damit du das Produkt über seine gesamte Lebensdauer genießen kannst.
Was bedeutet das genau? Das BMS überwacht Parameter wie Temperatur und Stromstärke und passt sie bei Bedarf an, um deine Batterie vor Überladung oder Tiefentladung zu schützen. All diese Maßnahmen tragen dazu bei, die Lebensdauer des Stromspeichers zu verlängern.
Der Laderegler fungiert hierbei als Bindeglied zwischen Solarbatterie, den Modulen und deinen Geräten.
EMS (Energie-Management-System) & Monitoring-System
Ein zusätzliches EMS kann deinen Stromverbrauch sowie die Speichernutzung noch effizienter gestalten. So kann es beispielsweise den Betrieb deiner Haushaltsgeräte auf die aktuelle (Solar-)Stromproduktion abstimmen und auch das Laden bzw. Entladen des Speichers optimal steuern.
Mit Hilfe eines Monitoring Systems ist es möglich, die Kapazität deines Speichersystems zu überprüfen und es bei Bedarf zu erweitern. So wird sichergestellt, dass dein System mit deinem Energiebedarf mithalten kann.
Wechselrichter
Wechselrichter spielen eine entscheidende Rolle bei der Umwandlung von Gleichstrom aus dem Stromspeicher in Wechselstrom, damit dieser zur Versorgung elektronischer Geräte mit Sonnenenergie genutzt werden kann.
Wechselrichter bestehen aus einer Eingangsseite, an der der Gleichstrom eingespeist wird, und einem Mikroprozessor, der Gleichstromregler und MPP-Tracker steuert.
In der zweiten Stufe hat der Wechselrichter die Aufgabe, diesen Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln, der dann für den Haushalt bzw. das öffentliche Netz genutzt werden kann.
Fassen wir zusammen
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Lithium-Ionen-Batterien eine leistungsstarke und effiziente Energiespeicherlösung sind, die leicht in jede Solaranlage integriert werden kann.
Wenn du verstehst, wie sie funktionieren und welche Komponenten an ihrem Betrieb beteiligt sind, hast du eine bessere Vorstellung davon, wie du sicherstellst, dass deine Batterie immer optimal läuft und maximale Effizienz bietet.
Tipp
Mit diesem Wissen über Lithium-Ionen-Batterien kannst du mit dem Aufbau deiner eigenen nachhaltigen Stromversorgung beginnen!
Häufe Fragen
Wie lange braucht ein Photovoltaik Stromspeicher zum laden?
Der Ladevorgang eines Photovoltaik Stromspeichers variiert je nach Größe und Batteriekapazität. Generell dauert der Ladevorgang jedoch länger als der Entladevorgang. Eine Vollladung kann zwischen 8 und 24 Stunden dauern, je nach Größe des Speichers. Mit einem Laderegler ist es möglich, die Ladezeit zu verkürzen.
Wie lange hält ein Stromspeicher?
Aktuelle Solarbatterien haben eine Lebensdauer von rund 15 Jahren, eine reguläre Nutzung vorausgesetzt.
Was passiert, wenn der Speicher voll ist?
Wenn der Stromspeicher voll ist, beendet das BMS (Batteriemanagementsystem) den Ladevorgang automatisch. Dieser Schutzmechanismus verhindert, dass die Batterie überladen wird und somit beschädigt wird.
