Die Qual der Wahl

Ende 2011 entzündete sich auf einer Anlage in der japanischen Stadt Joso ein aus 40 Modulen bestehender Natrium-Schwefel-Akku. Der Akkuhersteller NGK musste daraufhin seinen Kunden bis zur Aufklärung der Ursache vom Einsatz seiner Akkus abraten. Davon waren weltweit mehr als 170 Standorte in sechs Ländern betroffen. Mitte letzten Jahres veröffentlichte NGK seinen Bericht, aus dem hervorgeht, dass eine der 384 Zellen in einem Akkumodul fehlerhaft war, wodurch heißes, geschmolzenes Material ausgetreten ist, das einen Kurzschluss zwischen Akkuzellen in einem benachbarten Block ausgelöst hat. Schließlich stand der gesamte Akku in Flammen. Glücklicherweise gab es dabei keine Verletzten.

Das Beispiel zeigt, wie ernst die Sicherheitsrisiken genommen werden müssen. Viele potenzielle Kunden sind sich dessen wohl bewusst. Die Auswahl des Akkus erfordert Know-how. Wer mit der Installation des Akkus beauftragt ist, muss mit der Handhabung der einzelnen Akkutypen vertraut sein. Eine Marktübersicht muss also die Informationen zum Batterieaufbau geben.

Doch außer im Aufbau unterscheiden sich die Akkus in den Betriebsparametern wie Leistung, Zyklenlebensdauer, Spannung, empfohlener Ladung und Entladetiefe. Acht Unternehmen stellen dazu Detailinformationen über mehr als 50 Akkus zum Speichern von erneuerbarer Energie zur Verfügung, die Sie ab Seite 50 finden.

Ein wichtiger Sicherheitsaspekt bei Lithium-Ionen-Akkus ist das eingesetzte Material. Hersteller wie Leclanché geben in der Marktübersicht an, dass die in den HS-3200-Akkus verwendeten keramischen Separatoren hohe thermische und elektrische Sicherheit gewährleisten. Solche Separatoren bieten eine Abschaltfunktion durch Unterbrechung des Stromflusses etwa bei einem Kurzschluss. Blei-Säure-Akkus zum Beispiel setzen durch Elektrolyse die brennbaren Gase Wasserstoff und Sauerstoff frei. Eine Ansammlung dieser Gase im Akku birgt bei Funkenschlag die Gefahr einer Explosion. Durch technische Lösungen können Hersteller dieser Gefahr jedoch vorbeugen. Akkus ohne Überdruckventil müssen aus Sicherheitsgründen an einem gutbelüfteten Ort aufgestellt werden. Hoppecke bietet für seine beiden geschlossenen Bleiakkus optionale Sicherheit: Der Aqua-Gen-Rekombinationsstopfen kann bei allen Blei- und Nickel-Cadmium-Akkus eingesetzt werden. Das Bauteil bewirkt, dass die Gase kondensieren und als Wasser wieder zurück in die Zelle geführt werden.

Alfons Westgeest, Executive Director von Eurobat, einem Verband der europäischen Hersteller von Batterien für mobile und stationäre Anwendungen, ist der Ansicht, dass jeder Akku mit einem Batteriemanagementsystem (BMS) ausgestattet sein sollte. Solch ein System ist vor allem dann wichtig, wenn die Temperaturen für den Akku zu niedrig beziehungsweise zu hoch werden. Wärme entsteht zum Beispiel durch Überladung. Bei Nasszellenakkus bedeutet Überladung, dass der Akku mehr Wasser verbraucht und mehr Wartung erfordert. Kalyan Jana, Senior Applications Engineer bei Trojan Battery, erklärt, dass sich ein System mit diesem Akkutyp bei länger andauernder Überladung in einer nicht temperaturüberwachten Umgebung erhitzen und dadurch in Brand geraten kann. „Das passiert nicht einfach so, ist aber möglich. Beim thermischen Durchgehen erzeugt der Akku mehr Wärme, als abgegeben werden kann, und brennt durch“, so Jana.

Jesús Lúgaro, Product and Applications Manager beim französischen Batteriehersteller Saft, erklärt, dass das Batteriemanagementsystem einschreitet, wenn eine Überladung des Li-Ionen-Akkus einzutreten droht. „Wir messen die Spannung in jeder einzelnen Zelle eines Moduls. Diese Information wird dann an das Batteriemanagementsystem weitergeleitet. Über einen Algorithmus erkennt das System, wann die maximale Spannung erreicht ist. Ist dies der Fall, gibt es ein Warnsignal und der Stromkreis wird unterbrochen.“ Wichtig ist außerdem, dass der Kunde die Gebrauchsanweisung beachtet und die Akkus ordnungsgemäß einsetzt. Dann sind die Akkus theoretisch über Jahre hinweg einsetzbar.

Die richtige Temperatur

Einer der wichtigsten Faktoren, der bei der Auswahl eines Akkus berücksichtigt werden sollte, ist die Lager- und Betriebstemperatur. Die Temperatur wirkt sich auf die Zyklenlebensdauer aus. Eine hohe Umgebungstemperatur erhöht meist vorübergehend die Leistung der Speicherzelle, indem der Innenwiderstand gesenkt und der chemische Stoffwechsel gesteigert wird. Langfristig kann dadurch jedoch die Zyklenlebensdauer sinken und die Selbstentladung steigen. Bei niedrigen Temperaturen steigt der Innenwiderstand und die Leistung sinkt. Eine Möglichkeit, auf solche Situationen zu reagieren, ist die Anpassung der Umgebungstemperatur. Auch aus diesem Grund haben wir bei den Herstellern nach dem Grund für die empfohlenen Temperaturbedingungen gefragt und welcher Regelungen es dafür bedarf.

Trojan empfiehlt für seine Bleiakkus im Produktblatt eine Betriebstemperatur zwischen minus 20  und plus 45 Grad Celsius. Für Temperaturen unter dem Gefrierpunkt wird ein Ladezustand von über 60 Prozent empfohlen. Bei Bleiakkus in einer kalten Umgebung ist der Ladezustand von Bedeutung, weil die Elektrolyte im entladenen Zustand wässriger werden und damit die Gefriertemperatur steigt. Bei einem Ladezustand von 40 Prozent können die Elektrolyte bereits bei Temperaturen von ungefähr minus acht Grad Celsius gefrieren. Dabei sind bezüglich der Lebensdauer nicht nur Bleibatterien vonTemperaturschwankungen beeinflusst. „Lithium verhält sich beim Laden und Entladen in bestimmten Temperaturkurven empfindlicher“, sagt Westgeest von Eurobat. Das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC) fügt hinzu, dass bereits Temperaturschwankungen von einigen Grad viel ausmachen können und dass ein besonders lästiger Zusammenhang auch Lithium-Ionen-Akkus betrifft: Bei zusätzlichen zehn Grad Celsius sinkt die Lebensdauer eines Lithium-Ionen-Akkus auf die Hälfte.

Die Betriebstemperatur der Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Akkus von Saft liegt zwischen minus 20 und plus 60 Grad Celsius, während die Lagertemperatur zwischen minus 30 und plus 70 Grad Celsius liegen kann. Lúgaro von Saft sagt, dass das Batteriemanagementsystem den Akku daher bei zu niedrigen oder zu hohen Temperaturen abschaltet und kein Strom mehr fließt.

Neben der Überlegung, bei welchen Temperaturen ein Akku betrieben und gelagert werden sollte, muss sich der Käufer auch Gedanken darüber machen, für welche Anwendung er den Akku genau braucht. Grundsätzlich sind zwei Anforderungen für unterschiedliche Anwendungen von Bedeutung: die Verbrauchsleistung in Watt und die nötige Strommenge in Kilowattstunden.

Batterietyp je nach Anwendung

Steht die Verbrauchsleistung im Vordergrund, werden die Akkus meist nur für kurze Zeitspannen benötigt. Dies gilt laut Steve Minnihan von Lux Research für Anwendungen, bei denen „eine kontinuierliche Energieabgabe über einen Zeitraum von fünf Minuten bis zu einer Stunde benötigt wird.“ Dies ist bei Haushaltsgeräten mit hoher Leistung wie zum Beispiel Kaffeemaschinen oder Staubsaugern der Fall. Der hier benötigte Akku muss Strom schnell abgeben und schnell wieder speichern können. Steht die verbrauchte Strommenge im Vordergrund, werden Akkus benötigt, die über einen längeren Zeitraum Strom abgeben können, also Akkus mit längeren Entladezeiten.

Minnihan erklärt, dass sich Li-Ionen-Akkus gut für Anwendungen mit einer hohen Verbrauchsleistung eignen, jedoch bei längeren Endladezeiten Nachteile haben. Lúgaro von Saft sieht dies anders: „Lithium-Ionen-Akkus eignen sich im Vergleich zu anderen Technologien sehr gut für Anwendungen mit mittlerem bis hohem Leistungsbedarf. Auch bei weniger Leistung sind die Akkus noch gut einsetzbar, wenngleich die anderen Technologien bei niedrigem Strom oder niedriger Leistung besser dastehen.“

Kosten vergleichen

Für den Käufer ist der Preis bei der Auswahl der Batterie ein sehr wichtiger Faktor. Mit bloßem Blick auf die Investitionskosten sind Bleiakkus verhältnismäßig günstig. Laut Steve Minnihan von Lux Research liegt der Preis für Bleiakkus auf Zellebene ungefähr zwischen 75 und 150 Euro pro Kilowattstunde. Vergleicht man die allgemeinen Kosten von Lithium-Ionen-, Natrium-Nickel- oder sogar Redox-Flow-Akkus, dann scheinen Bleiakkus im Preis unschlagbar zu sein, und zwar auch in der Zukunft. Das Baseline-Szenario von Lux Research für netzgekoppelte Anlagen zeigt, dass Lithium-Ionen-Akkus im Jahr 2022 einen Preis von ungefähr 375 Euro pro Kilowattstunde Speicherkapazität erreichen werden, Natrium-Nickel-Chlorid-Akkus liegen dann bei etwa 350  Euro pro Kilowattstunde und Vanadium-Redox-Flow-Akkus bei etwa 580 Euro pro Kilowattstunde. Bedeutet dies, dass Bleiakkus beim Preis einen klaren Vorteil bieten? So leicht lässt sich die Frage nicht beantworten.

Auch Minnihan räumt ein, dass die Investitionskosten für Bleiakkus niedrig sind, fügt aber hinzu: „Betrachtet man die Gesamtbetriebskosten, Austausch-, Arbeits- und Wartungskosten über einen Zeitraum von fünf bis zehn Jahren, dann stehen die neueren Technologien schon besser da.“ Für denselben Energiebetrag müsse ein Bleiakku wesentlich größer sein als ein Lithium-Ionen-Akku und die anfallenden Nebenkosten seien ebenfalls deutlich höher, als viele Experten zugeben mögen.

Ein Blick auf die Tabelle zeigt, dass Abmessungen und Gewicht aller Akkus unterschiedlich sind und dass sich dieAkkus auch aufgrund der verschiedenen Kapazitäten nicht gut miteinander vergleichen lassen. Ein weiterer Punkt ist, dass mit Größe und Gewicht der Akkus auch die Transportkosten steigen, weswegen Bleiakkus langfristig womöglich von den Lithiumakkus abgehängt werden.

Pflege für ein langes Leben

Die in der Liste aufgeführten Hersteller geben die Zyklenlebensdauer für Entladetiefen zwischen 50 und 100 Prozent an. Zwischen Zyklenlebensdauer und Entladetiefe liegt keine exakt lineare Beziehung vor. Je tiefer die Batterie entladen wird, desto mehr Leistung wird in Anspruch genommen und desto niedriger die Zyklenlebensdauer. Auch sogenannte Deep-Cycle-Akkus werden zudem nicht bis zu 100 Prozent entladen. Hersteller empfehlen in der Regel eine Entladetiefe von 80 Prozent für Lithium-Ionen-Akkus und 50 Prozent für Bleiakkus. Denn je weniger die Batterie entladen wird, desto höher die Lebensdauer des Akkus.

Jana von Trojan Battery sagt dazu: „Ohne auf eine spezielle Batterie Bezug zu nehmen, ein Akku kann bei einer Entladetiefe von 80 Prozent vielleicht 1.000 Zyklen erreichen, bei einer Entladetiefe von 50 Prozent jedoch 1.200 bis 1.300 Zyklen.“ Der Käufer muss beim Kauf also auch auf die empfohlene Entladetiefe achten. Entlädt er den Akku mit einer höheren Tiefe als angegeben, wird er die angegebene Zyklenzahl nicht erreichen. Mit anderen Worten: Die tatsächliche Entladetiefe begrenzt die Akkukapazität. Bei einer Entladetiefe von 80 Prozent sind auch nur 80 Prozent der Akkukapazität verfügbar. Beim Preisvergleich sollte daher der Preis für die tatsächlich nutzbare Kapazität der Batterie betrachtet werden und nicht der Preis für die Gesamtkapazität.

Generell gilt: Je neuer der Akku, desto besser. Nicht alle Händler, die Deep-Cycle-Akkus verkaufen, laden die Akkus regelmäßig und ordnungsgemäß auf. Viele denken nicht daran, dass Akkus sich mit der Zeit selbst entladen. Die Tabelle zur Marktübersicht zeigt, dass Akkus eine Selbstentladung von fünf Prozent pro Monat haben können. Vor dem Kauf sollte man daher das Herstellungsdatum beachten.