Akkumulatoren für photovoltaische Inselanlagen

Energiespeicher
Akkumulatoren für
photovoltaische Inselanlagen
H. Buers, Berlin
Bei netzgekoppelten Anlagen spielt es für die Verbraucher in der Regel keine
Rolle, zu welcher Tageszeit Solarenergie eingespeist wird. Anders bei photovoltaischen Inselanlagen: Fehlt die Solareinstrahlung, etwa nachts, fehlt
auch der Strom für die elektrische Versorgung – es sei denn, die notwendige
Energie wurde zuvor in einer Akkumulatorenanlage gespeichert.
1
Einleitung
Für elektrische Verbraucher sind in der Regel Energiequellen gefragt, die kontinuierlich
Strom mit konstanter Spannung und Frequenz
liefern können. Das gilt auch für photovoltaische Inselanlagen, die Ortschaften oder landwirtschaftliche Betriebe abseits kommunaler
oder überregionaler Stromnetze mit elektrischer Energie versorgen. Sie müssen deshalb
in der Lage sein, in Zeiten eines solaren Überangebots Sonnenenergie für sonnenlose oder
sonnenarme Zeiten zu speichern. Dafür werden fast immer Blei-, weniger häufig NiCd-,
NiMH- oder Lithium-Ionen-Akkumulatoren eingesetzt.
Der Akkumulator bildet in einer einfachen PVInselanlage mit Gleich- und Wechselstromverbrauchern die zentrale Energiequelle, wenn
der Solargenerator als Energieerzeuger ausfällt, beispielsweise bei fehlender Sonnenein-
Autor
Hermann Buers ist freier Fachjournalist, Berlin.
strahlung (Bild ➊). Der elektrische Strom fließt
vom Solargenerator (1) zunächst zum Solarladeregler (2), der neben weiteren wichtigen
Funktionen vor allem eine Überladung des
Akkumulators verhindern soll. Bei Photovoltaikanlagen größerer Leistung wird meistens
statt eines „einfachen“ Solarladereglers ein
FÜR DIE PRAXIS
Maximum Power Point Tracker (MPPT) eingesetzt, der dann nicht nur den Überladeschutz
sicherstellt, sondern auch dafür sorgt, dass
die Solarmodule immer im Punkt maximaler
Leistung (MPP) betrieben werden. Es folgt der
Akkumulator (3) für die Energiespeicherung
und -versorgung; der sich anschließende Entladeregler (4) trennt beim Unterschreiten der
Entladeschlussspannung des Akkumulators
die Verbraucher (7, 8 und 9) vom Netz. Der
Gleichspannungswandler (5) und der Wechselrichter (6) passen die Systemspannung an
die Verbraucherspannung an.
Die im Blockschema genannten Solarladeund Entladeregler wurden bereits in Ausgabe
3/4-2008 (S. 30 – 33) der ep Photovoltaik
aktuell behandelt.
Im Mittelpunkt dieses Beitrags stehen Akkumulatoren sowie ihr Betriebsverhalten einschließlich einiger Kenngrößen. Am Schluss
folgen Hinweise zur Aufstellung und zur Entsorgung.
5
=
=
7
+
8
–
1
2
3
=
4
6
⬃
9
➊ Blockschema
einer photovoltaischen
Inselanlage
mit Akkumulator
1 Solargenerator, 2 Solarladeregler, 3 Akkumulator, 4 Entladeregler,
5 Gleichspannungswandler, 6 Wechselrichter, 7 Verbraucher
(DC-Betriebsspannung nicht gleich DC-Systemspannung), 8 Verbraucher
(DC-Betriebsspannung gleich DC-Systemspannung), 9 Verbraucher
für Wechselspannung
Energiezähler und
Netzüberwachung:
Zwei in Einem
Einerseits
für die
DIN-Schiene
Andererseits
für den
Fronteinbau
EM 21
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ep Photovoltaik aktuell – 9/10-2008
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37
FÜR DIE PRAXIS
Energiespeicher
2
Blei-Akkumulatoren
in Photovoltaikanlagen
Für die Speicherung überschüssiger elektrischer Solarenergie aus kleinen bis mittleren
Solaranlagen kommen fast ausschließlich Akkumulatoren zum Einsatz, obwohl es durchaus Alternativen gibt, die aber wie beispielsweise Kondensatorspeicher zu teuer sind oder
wie Druckluftspeicher den Großanlagen vorbehalten bleiben. Die größte Verbreitung haben
Blei-Akkumulatoren in ihren verschiedenen Bauformen gefunden, weil sie das beste Preis-/
Leistungsverhältnis vorweisen können. Wo es
um höhere Energiedichten geht, kommen aber
auch Nickel-Cadmium-(NiCd-) oder NickelMetall-Hydrid-(NiMH-)Ausführungen zum Zuge.
Große Hoffnungen für die Zukunft macht die
Lithium-Ionen-Batterie, die sehr leistungsfähig,
aber eben auch sehr teuer ist.
➋ Aufbau eines Blei-Akkumulators für Solaranlagen
䉱
Quelle: Varta
➌ Akkumulator im entladenen (a) und
geladenen Zustand (b)
➍ Bleibatterie der Baureihe Moll Solar
Wichtige Merkmale: Sonderlegierung und Spezialmasse,
Taschenseparatoren mit Glasvliesauflage, geringe Selbstentladung (<1 %), zentrale Gasableitung mit Rückzündschutz (Moll-Patente), patentierte Mittelwandverbindung
Foto: Akkumulatorenfabrik Moll
➎ Kapazität eines Akkumulators in Funktion des Entladestroms. Bei der Angabe
eines Wertes wird häufig mit einem Index gearbeitet, der die Entladezeit (h)
angibt. K10 = 100 Ah ist also die Kapazität bei einer Entladedauer von 10 h und
einem Strom von 10 A (I10).
38
2.1 Blei-Akkumulatoren mit
verstärkten Gitterplatten
Zunächst eine grobe Skizzierung des Aufbaus
und der Funktion: Blei-Akkumulatoren setzen
sich in der Regel aus mehreren Einzelzellen
zusammen. Jede Zelle besteht aus einem Behälter, der mit einem Elektrolyten aus Schwefelsäure und destilliertem Wasser gefüllt ist
und in den zwei Plattensätze unterschiedlicher
Polarität eingelassen sind (Bild ➋). Die Dichte der Schwefelsäure beträgt bei einer Temperatur von 25 °C etwa 1,24 kg/l; sie ändert sich
mit der Temperatur und dem Ladezustand, der
über einen Säureheber oder über die Batteriespannung bestimmt werden kann. Die Platten dienen als Elektroden und bestehen jeweils aus einem gitterförmigen Träger mit dem
sogenannten aktiven Material, das an den
Lade- und Entladereaktionen teilnimmt (also
sind die Gitterträger die eigentlichen Energiespeicher). Mit ihrer schwammartigen Struktur
bieten sie genügend Oberfläche für die elektrochemische Reaktion. Die positive Platte
wird mit einer mikroporösen Hülle (Separator)
von der negativen isoliert. Die Zellen haben
eine Nennspannung von jeweils 2 V und werden intern in Reihe zu Blöcken verschaltet,
um zu einer gängigen Betriebsspannung zu
kommen.
Die Funktion des Blei-Akkumulators lässt sich
am besten an den Ladezuständen und -vorgängen ablesen (Bild ➌):
• Im entladenen Zustand besteht die aktive
Masse aus Bleisulfat – sowohl in den positiven und als auch in den negativen Platten.
Die Dichte des Elektrolyten ist auf ihren
niedrigsten Wert abgesunken.
• Zum Aufladen wird die Batterie an eine
Gleichspannungsquelle angeschlossen. Der
Elektronenfluss geht von der positiven zur
negativen Platte; der negativen Platte werden also Elektronen zugeführt, während der
positiven Platte Elektronen entzogen werden. Dieser Elektronenfluss bewirkt an der
negativen Platte eine Reduktion des Bleisulfats zu metallischem Blei, während sich
ep Photovoltaik aktuell – 9/10-2008
Energiespeicher
das Bleisulfat an der positiven Platte unter
Elektronenabgabe und Aufnahme von zwei
Sauerstoffatomen in Bleidioxid verwandelt.
• Im geladenen Zustand (nach der vollständigen Ladung) besteht die aktive Masse der
negativen Platte aus Bleischwamm, die der
positiven aus Bleidioxid. Die Dichte des Elektrolyten ist wieder auf ihren Nennwert angestiegen.
• Beim Entladen der Batterie, also beim Anschluss von Verbrauchern, fließt ein Strom;
die Batterie wird entladen. Die Elektronen bewegen sich dabei über den äußeren Stromkreis und den Verbraucher von der negativen zur positiven Platte. Zum Ausgleich
wandern Sulfat-Ionen aus dem Elektrolyten
zur negativen Platte und bilden mit dort vorhandenem Blei Bleisulfat. Aus dem Bleidioxid an der positiven Platte entsteht unter
Bildung von Wasser bei Verbrauch von Sulfat-Ionen und Wasserstoff-Ionen ebenfalls
Bleisulfat.
Was hier als Funktion beschrieben wurde, gilt
prinzipiell für alle Blei-Akkumulatoren. Es gibt
aber unterschiedliche Anwendungsmöglichkeiten und dementsprechend auch unterschiedliche Typen und Bauformen. So ist es die
vorrangige Aufgabe einer Kfz-Starterbatterie,
während des Startvorgangs für kurze Zeit eine große Kraft anzuwenden beziehungsweise
einen hohen Strom zu liefern, um einen Verbrennungsmotor zu starten. Da das nur über
große Plattenoberflächen zu bewerkstelligen
ist, sind die Zellen von Starterbatterien mit
vielen dünnen parallel geschalteten Elektroden bestückt.
Mit dieser Konstruktion sind sie aber nicht
„zyklenfest“, denn hohe Lade- und Entladezyklen mit Entladetiefen von bis zu 50 %, wie sie
im Einsatz mit Solargeneratoren zu erwarten
sind, würden zu einer Ablösung der aktiven
FÜR DIE PRAXIS
➐ Baureihe Classic Solar
➏ 3D-Darstellung eines Gel-Blocks
in Gitterplattenbauweise
Quelle: Exide
Masse vom Elektrodengitter und somit zu einem vorzeitigen Verschleiß führen. Solarakkumulatoren sind deshalb mit stärkeren und mit
Antimon verhärteten Platten ausgerüstet. Außerdem hat der Elektrolyt einen etwas geringeren Säuregehalt, um die Eigenkorrosion zu
verringern und somit die Lebensdauer zu erhöhen (Bilder ➍ und ➎).
2.2 Blei-Akkumulatoren
mit einem Gel-Elektrolyten
Der „Blei-Gel-Akku“ ist eine Weiterentwicklung
des klassischen Blei-Akkumulators. Der Name
verweist schon auf den wesentlichen Unterschied: Die Batteriesäure ist bei diesen Typen
mit Gel verdickt. Das bietet einige Vorteile:
Blei-Gel-Akkus sind im Normalbetrieb gas- sowie elektrolytdicht und deshalb weitgehend
wartungsfrei. Die Zyklenfestigkeit ist höher als
bei den herkömmlichen Blei-Akkumulatoren.
Hierbei handelt es sich um geschlossene
Batterien in konventioneller Bauart (Nassbatterien). Das Composing ist gemischt aus
Typen mit Gitterplatten und Röhrchenplatten
(OPzS).
Sie können auch in nicht belüftbaren Räumen
eingesetzt werden, da im störungsfreien Betrieb keine Gasung auftritt. Blei-Gel-Akkus
sind schon daran zu erkennen, dass die sonst
üblichen Verschlussstopfen fehlen. Stattdessen besitzen sie Sicherheitsventile, die im Falle einer starken Überladung überschüssiges
Gas ausblasen (die während eines normalen
Ladevorgangs bis zur Ladeschlussspannung
sich bildenden Gase wie Sauerstoff und Wasserstoff werden im Akkumulator zu Wasser rekombiniert). Es werden Typen mit verstärkten
positiven und negativen Gitterplatten angeboten, die in PV-Anlagen eine ähnliche Lebensdauer erreichen können wie normale Gitterplattenbatterien mit flüssigem Elektrolyten.
Es gibt spezielle besonders langlebige Ausführungen mit positiven Panzerplatten, die eigens für den Solarbetrieb ausgelegt wurden
(Bilder ➏, ➐ und ➑).
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TIPP
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FÜR DIE PRAXIS
Energiespeicher
2.3 Ortsfeste PanzerplattenAkkumulatoren
Eine solide Lösung für stärker beanspruchte
und größere Photovoltaikanlagen sind BleiAkkumulatoren des Typs OPzS (Ortsfeste Panzerplatte Spezial) mit flüssigem Elektrolyten
(Bild ➐); daneben gibt es die verschlossene
Ausführung OPzV mit einem Gel-Elektrolyten
(Bilder ➑ und ➒), die allerdings etwas teurer
ist. Bei beiden besteht die positive Platte aus
vielen einzelnen meist kammartig angeordneten Bleistäben, die einzeln mit einer speziellen Hülle umgeben sind mit dem Ziel, die aktive Masse zusammenzuhalten (Bild ➓ oben).
Für die Herstellung werden meist spezielle
Bleilegierungen mit Zusatz geringer Mengen
Selen und etwa 1,6 % Antimon verwendet.
OPzS-Akkumulatoren erreichen je nach Hersteller eine Vollzyklenlebensdauer nvz von 900
bis 1200. Das Wartungsintervall im Zyklenbetrieb beträgt etwa zwei Jahre, die monatliche
Selbstentladung liegt unter 4 %. Das Angebot
der Hersteller umfasst mehrzellige Blockbatterien mit Kapazitäten bis 430 Ah (bezogen
auf den Index K100) und 2-V-Einzelzellen bis
4500 Ah (ebenfalls bei K100).
➑ Baureihe
Sonnenschein Solar
Verschlossene gasdichte
Solarakkumulatoren mit
Gel-Elektrolyt. Die Einzelzelle A600 Solar (hinten)
mit einer Kapazität von
K100 = 1200 Ah ist mit
Röhrchenplatten ausgerüstet (ist also eine OPzV).
Die beiden Blockakkumulatoren im Vordergrund
arbeiten mit verstärkten
Gitterplatten.
Foto: Exide
2.4 OGi-Akkumulator
Der OGi-Akkumulator ist eine ortsfeste Blockbatterie mit positiven und negativen Gitterplatten, die als Rundgitter konstruiert sind mit
dem Ziel, den Innenwiderstand zu senken. Das
befähigt diese Akkumulatoren dazu, in einer
sehr kurzen Zeit einen sehr hohen Strom abzugeben. Sie werden als Blöcke mit mehreren
Zellen oder als Einzelzellen gefertigt. Die Kapazität reicht je nach Ausführung von 25 Ah bis
2400 Ah. Die Zyklenzahl wird meistens mit
1200 angegeben. Der flüssige Elektrolyt erfordert eine Wartung im Drei-Jahres-Rhythmus. Ansonsten ist ein „OGi-Block“ wartungsarm. Die
Brauchbarkeitsdauer beträgt im Bereitschaftsparallelbetrieb bis zu 15 Jahre. Eine herstellerspezifische Variante ist der Block-Akkumulator
mit einer sogenannten positiven Stabplatte, bestehend aus vielen einzelnen Bleistäben, die
wie bei einem Drahtgitter quer vermascht sind
(Bild ➓ unten). Diese Stabplatten sind – nicht
wie die Bleiröhrchen der OPzS-Akkumulatoren
einzeln – sondern als Einheit von einer speziel-
➒ Der OPzVAkkumulator power.bloc hat Röhrchenplatten und einen Gel-Elektrolyten.
➓ Schnitt durch eine Panzerplatte
aus Bleiröhrchen (oben) und durch
eine Stabplatte (unten)
len Tasche aus Glasvlies umgeben. Die Vollzyklenlebensdauer nvz geben die Hersteller mit
1000 bis 1350 an. Auch das in den Datenblättern ausgewiesene Wartungsintervall liegt
mit 3 bis 5 Jahren deutlich höher als bei den
„normalen“ OPzS-Akkumulatoren mit Röhrchenplatte. Für die monatliche Selbstentladung wird
meistens ein Wert von 3 % genannt. Dieser Typ
wird in Photovoltaikanlagen recht häufig eingesetzt, wohl nicht zuletzt deshalb, weil sich
schon kleine Ströme zur Wiederaufladung nutzen lassen und weil mit etwa 95 bis 98 % ein
sehr guter Ah-Wirkungsgrad erreicht wird.
3
Tafel ➊ Daten unterschiedlicher Akkumulatoren
40
Der Rundumschutz der aktiven Masse durch
gewobene Polyestertaschen gewährleistet
eine hohe Zyklenlebensdauer. OPzV-Akkumulatoren mit Röhrchenplatten sind optimal für
den Einsatz in Bereichen mit hoher Lade- und
Entladebelastung, wie zum Beispiel in Solaranlagen.
Foto: Hoppecke
Batterietyp
Blei
NiCd
NiMH
Lithium-Ionen
Positive Elektrode
Negative Elektrode
Elektrolyt
Energiedichte in Wh/l
Energiedichte in Wh/kg
Zellspannung in V
Zyklenlebensdauer nz
Betriebstemperatur in °C
Selbstentladungsrate
in %/Monat
Wh-Wirkungsgrad in %
PbO2
PbO
H2SO4 + H2O
10…100
25…35
2
500…1500
0…55
NiOOH
Cd
KOH + H2O
80…140
30…50
1,2
1500…3000
–20…55
NiOOH
Metalle
KOH + H2O
100…160
50…80
1,2
ca. 1000
–20…45
Graphit (nC)
LiMn2O4
Polymer o. Salze
200…300
90…160
3,6
500…1200
–20…55
5…15
70…85
20…30
60…70
20…50
60…85
5…10
70…90
Andere
Akkumulatortypen
Wie eingangs schon erwähnt, werden in photovoltaischen Inselanlagen und hybriden Stromversorgungen neben den bewährten Blei-Akkumulatoren auch teurere Systeme mit Nickel-Cadmium (NiCd) oder Nickel-Metallhydrid
(NiMH) eingesetzt, weil sie eine größere Energiedichte haben und eine längere Lebensdauer erwarten lassen. Im Bereich großer
Energiespeicherungsanlagen setzen Forscher
und Entwickler auf die Lithium-Ionen-Batterie
(Tafel ➊). Sogar der Bund unterstützt diese
Technologie, wie ein umfangreiches Förderprogramm beweist.
ep Photovoltaik aktuell – 9/10-2008
3.1 NiCd-Akkumulatoren
Nickel-Cadmium-Akkumulatoren werden in der
Photovoltaik in der Regel nur dann eingesetzt,
wenn der vorgesehene Anwendungsbereich
sehr hohe Anforderungen an sie stellt, wie beispielsweise eine lange Lebensdauer, absolute Gasdichtigkeit oder die Fähigkeit, auch bei
sehr niedrigen Temperatur noch zufriedenstellend zu arbeiten. Ihr größtes Manko besteht
wohl darin, dass sie etwa drei- bis fünfmal so
teuer sind wie herkömmliche Blei-Akkumulatoren. Ein weiterer Nachteil: Wird ein NiCd-Akkumulator nur selten vollgeladen, sinkt seine
Kapazität. Diese unerwünschte Eigenschaft
lässt sich zwar durch wiederholtes Laden und
Entladen minimieren, dennoch kann sich dieser sogenannte Memory-Effekt im Betrieb als
Problem erweisen.
Als Materialien werden bei diesem Akkumulatortyp – der Name sagt es – die Metalle Nickel
und Cadmium verwendet. Als Elektrolyt dient
verdünnte Kalilauge mit einer Dichte von
1,24 kg/l bis 1,34 kg/l. Die Nennspannung
einer NiCd-Zelle ist niedriger als beim Bleiakku und beträgt 1,2 V. Die Verwendung von
Cadmium ist problematisch, falls sich nicht
ausschließen lässt, dass es in die Nahrungskette gelangt. Cadmium wird nämlich vom
menschlichen Organismus nur teilweise wieder ausgeschieden und kann bei hoher Belastung Organschäden oder Krebs verursachen.
3.2 NiMH-Akkumulatoren
Deutlich weniger problematisch sind die Inhaltsstoffe eines Nickel-Metallhydrid-(NiMH-)
Akkumulators. Die verwendeten Legierungen
bestehen aus Nickel, Titan, Vanadium, Zirkonium und Chrom. Den Elektrolyten bildet wie
beim NiCd-Akkumulator verdünnte Kalilauge.
Der NiMH-Akkumulator weist im Vergleich zum
NiCd-Akku noch weitere Vorteile auf, wie die
höhere Energiedichte und das Fehlen des Memory-Effekts. Nachteile sind der geringere Betriebstemperaturbereich und die hohe Selbstentladerate von etwa 1 % pro Tag. Wie beim
NiCd-Akkumulator beträgt die Zellspannung
1,2 V.
3.3 Lithium-Ionen-Akkumulator
Ein Konsortium aus fünf Industrieunternehmen hat sich vor einigen Monaten verpflichtet,
in den nächsten Jahren 360 Mio. Euro für Forschung und Entwicklung des Lithium-IonenAkkumulators zu investieren. Diese Nachricht
an dieser Stelle soll belegen, wie hoch die Erwartungen hinsichtlich einer zufriedenstellenden Speicherlösung sind. Ob der Lithium-IonenAkkumulator sie wird erfüllen können, bleibt
abzuwarten. Bei der ersten Generation dieses
Typs haben Brände und Explosionen durch
Kurzschlüsse oder Überladen für Negativschlagzeilen gesorgt. Moderne Zellabsicherungen
können dies heute allerdings weitgehend verhindern.
Lithium-Ionen-Akkumulatoren zeichnen sich
durch eine hohe Energiedichte und eine geringe Selbstentladerate aus. Sie kennen keinen
ep Photovoltaik aktuell – 9/10-2008
Memory-Effekt. Der Wirkungsgrad liegt aufgrund der hohen Beweglichkeit der Lithiumionen und des dadurch bedingten niedrigen
Innenwiderstands bei etwa 95 %. Meist wird
eine Lebensdauer von etwa 500 Ladezyklen
angegeben. Ein konventioneller Lithium-IonenAkkumulator liefert eine Nennspannung von
3,6 Volt, die damit rund dreimal so hoch ist
wie die eines NiMH-Akkus. Die Energiedichte
ist etwa doppelt so hoch wie die des NickelCadmium-Akkus.
4
Hinweise
zur Aufstellung
Für Akkumulatoren in Inselanlagen sind Maßnahmen sowohl hinsichtlich der elektrischen
Sicherheit als auch des Umgangs mit ätzenden Elektrolyten und der Bildung explosiver
Gase (Knallgas) notwendig. Bei der Aufstellung und beim Betrieb von ortsfesten AkkuAnlagen ist deshalb neben einschlägigen Sicherheitsvorschriften die DIN VDE 0510 zu
beachten. Das Dokument gilt für stationäre
Akkumulatoranlagen mit einer maximalen DCNennspannung von 1500 V und beschreibt
die grundsätzlichen Maßnahmen zum Schutz
vor Gefahren, die durch elektrischen Strom,
austretende Gase und/oder Elektrolyten hervorgerufen werden. Es legt Anforderungen in
Fragen der Sicherheit fest, die in Verbindung
mit dem Errichten, dem Betrieb, der Inspektion, der Wartung und der Entsorgung entstehen.
Von der elektrischen Seite her ist grundsätzlich eine Hauptsicherung zwischen dem Akkumulator und allen anderen Geräten sowie dem
PV-Generator vorgeschrieben. Dies gilt auch
für Kleinstanlagen mit nur einem oder zwei PVModulen.
Erwünschte Eigenschaften für
Akkumulatoren in PV-Anlagen
• Die Akkumulatorenanlage muss eine große Kapazität besitzen.
• Wichtig ist ferner eine hohe Zyklenlebensdauer nz.
• Gelegentliche Tiefentladezyklen mit Zyklentiefen von über 80 % müssen ohne Beeinträchtigung der Lebensdauer möglich
sein.
• Für eine effiziente Energiespeicherung sollten bereits sehr kleine Ladeströme, beispielsweise I1000, nutzbar sein.
• Die Selbstentladung sollte einen Wert von
maximal 2 bis 5 % der Nennkapazität pro
Monat nicht überschreiten.
• Wichtig ist außerdem ein guter Ampèrestundenwirkungsgrad.
• Geringe Wartung oder Wartungsfreiheit begrenzen die Unterhaltskosten der PV-Anlage und tragen somit zur Wirtschaftlichkeit bei.
FÜR DIE PRAXIS
Energiespeicher
Begriffe und Kenngrößen
Ampèrestunden-(Ah-)Wirkungsgrad ηAh
Verhältnis zwischen beim Entladen verfügbarer Ladung QE und der für die Aufladung benötigten Ladung QL; ist abhängig vom Ladezustand des Akkumulators und liegt zwischen
80 und 98 %.
Energiedichte in Wh/kg oder Wh/l
In einer Batterie oder Zelle gespeicherte Energie (Wh); sie wird entweder zur Masse (gravimetrische Energiedichte) oder zum Volumen
(volumetrische Energiedichte) in Beziehung
gesetzt.
Entladeschlussspannung
Gibt die untere Spannungsgrenze einer Zelle
oder Batterie an, bis zu welcher sie entladen
werden darf. Das Unterschreiten dieser Grenzspannung (Tiefentladung) kann bei einigen
Batteriearten, zum Beispiel bei Blei-, NiCdund NiMH-Akkumulatoren, zur Beeinträchtigung oder zur Zerstörung der elektrochemischen Zelle führen.
Erhaltungsladespannung
Spannung, bei der die Selbstentladung kompensiert wird und der Akkumulator nach einer
Vollladung dauernd voll geladen bleibt; bei einem Blei-Akkumulator etwa 2,25 V bei 20 °C.
Innenwiderstand, effektiver
Feststellbarer Widerstand gegen Stromfluss
in einer Batterie, der sich durch einen Abfall
der Batteriespannung proportional zum Entla-
Da ein Akkumulator gegen Ende der Ladung
und vor allem bei Überladung ein Gemisch aus
Wasserstoff- und Sauerstoffgas erzeugt und
dann Explosionsgefahr besteht, sind Akkumulatoren so aufzustellen, dass ein eventuell entstehendes Gasgemisch durch natürliche oder
künstliche Belüftung so verdünnt wird, dass
es seine Explosionsfähigkeit verliert. Der Aufstellungsraum muss trocken, gut belüftbar,
möglichst kühl und möglichst frei von Erschütterungen sein. Bei der Errichtung und Einrichtung von Batterieräumen muss außerdem die
„Verordnung über den Bau von Betriebsräumen für elektrische Anlagen“ (EltBauVO) beachtet werden. Für die Lagerungs- und Betriebsbedingungen des Akkumulators sind
zudem die Empfehlungen des Herstellers heranzuziehen.
5
Wartung
Zunächst einige Hinweise auf Alterungsprozesse von Blei-Gitterplatten-Akkumulatoren:
Ihr wesentlicher Nachteil ist die kurze Lebensdauer von etwa 10 bis 15 Jahren. Ursachen hierfür sind Alterungsprozesse, die sich
42
destrom zeigt. Der Wert hängt von Bauweise,
Ladezustand, Temperatur und Alter der Batterie ab.
Kapazität K
Kapazität ist die verfügbare Elektrizitätsmenge einer Batterie oder Zelle, gemessen in Ampèrestunden (Ah). Sie hängt von der Batterietemperatur ab. Häufig wird mit einem Index
gearbeitet, der die Entladezeit (h) angibt (siehe Bild ➎). Die Angabe K10 = 100 Ah ist dann
die Kapazität bei einer Entladedauer von 10 h
und einem Strom von 10 A (I10).
Ladegrenzspannung
Darf beim Laden eines Akkumulators nicht
überschritten werden, da sonst der Elektrolyt
unter Bildung von Wasserstoff- und Sauerstoffgas (bekannt als Knallgas) zersetzt wird.
Selbstentladerate wird meistens in Prozent
pro Monat angegeben.
Wattstunden-(Wh-)Wirkungsgrad ηWh
Der Wattstunden-Wirkungsgrad ist immer etwas niedriger als der Ampèrestunden-Wirkungsgrad, weil die Spannung am Akkumulator beim Laden immer etwas höher ist als
mittlere Entladungsspannung. Er liegt bei BleiAkkumulatoren meist zwischen etwa 70 und
85 %.
Zyklenfestigkeit
Die Zyklenfestigkeit eines Akkumulators ist
ein Maß dafür, wie oft dieser geladen und entladen werden kann; bei Solarbatterien ist eine
hohe Zyklenfestigkeit wichtig.
Memory-Effekt
Als Memory-Effekt wird der Kapazitätsverlust
bezeichnet, der bei sehr häufiger Teilentladung auftritt. Der Akku scheint sich den Energiebedarf zu merken und mit der Zeit statt der
ursprünglichen nur noch die bei den bisherigen Entladevorgängen benötigte Energiemenge zur Verfügung zu stellen.
Zyklenlebensdauer nz
Akkus in photovoltaischen Inselanlagen werden meist zyklisch geladen und entladen, je
nach Tageszeit und Wetterbedingungen. Die
Zyklenlebensdauer gibt an, wieviel Zyklen der
Akkumulator verträgt, bis seine Kapazität auf
80 % der Nennkapazität abgesunken ist. Hersteller geben häufig die Vollzyklenlebensdauer nvz an; sie entspricht dem Produkt aus
Zyklenlebensdauer und Zyklentiefe (nvz = nz · tz)
Selbstentladung
Ein temperaturabhängiger ständiger chemischer Reaktionsprozess an den Elektroden
der Zelle oder des Akkumulators, ohne dass
ein Verbraucher angeschlossen wäre. Die
Zyklentiefe oder Entladetiefe tz
Die Zyklentiefe entspricht dem Verhältnis der
entnommenen Ladung QE zur Akku-Nennkapazität K10. Sie gibt also an, wie stark der
Akkumulator in einem Zyklus entladen wird.
teilweise gegenseitig beeinflussen und verstärken. Ein Beispiel ist die Säureschichtung:
Weil sich in einem Akkumulator die Säuredichte nach unten hin erhöht, entstehen zwischen oben und unten unterschiedliche Potentiale, die zu unterschiedlichen Entladungen
führen, und zwar verstärkt im unteren Teil. Eine gewisse Abhilfe kann eine Gasungsladung
zur Durchmischung der Säure bei jeder Wartung schaffen. Es gibt allerdings auch Alterungseffekte, die sich nicht rückgängig machen lassen. Zu nennen wären das Wachsen
von Sulfatkristallen bei einer unvollständigen
Ladung und die Austrocknung bei einem Mangel an destilliertem Wasser, also Erscheinungen, die sich zumindest größtenteils verhindern lassen. Nicht ganz auszuschließen sind
allerdings Korrosion und Verschlammung.
Diese Punkte sollten erkennen lassen, dass
die Lebensdauer von Akkumulatoren in hohem
Maße von der Sorgfalt des Betreibers abhängt.
Bei normaler Nutzung dürfte eine jährliche
Wartung, ergänzt durch regelmäßige Sichtkontrollen, genügen. Dabei sollten insbesondere der Ladezustand und die Spannung der
Akkumulatoren mit Messgeräten wie Säuredichte- und Spannungsmesser überprüft und
eine Gasungsladung durchgeführt werden. Rei-
nigungsarbeiten an den Akku-Oberseiten helfen, unnötige Entladungen durch feuchten
Staub und Schmutz zu vermeiden.
6
Recycling
Wiederaufladbare NiCd- und Blei-Akkumulatoren enthalten nach wie vor als unverzichtbaren
Bestandteil Schwermetalle. Gelangen diese in
größeren Mengen in die Umwelt, können sie
erheblichen Schaden anrichten. Hersteller
und Importeure sind deshalb laut Batterieverordnung (BattV) verpflichtet, alle Altbatterien
zurückzunehmen, zu sortieren und zu entsorgen. Neben dem Handel nehmen auch kommunale Sammelstellen Altbatterien zurück
und führen sie dem Recycling zu. Durch diesen Stoffkreislauf lassen sich die Umweltauswirkungen bei der Energiespeicherung mit
Blei-Akkumulatoren minimieren. Auf der anderen Seite arbeitet die Batterieindustrie an der
Entwicklung von Alternativen, um dort, wo es
möglich ist, auf Schwermetalle wie Quecksilber, Cadmium und Blei ganz verzichten zu können. Viele neue Technologien befinden sich
kurz vor der Marktreife.
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ep Photovoltaik aktuell – 9/10-2008