Fragen & Antworten zum Webinar „Batterielebensdauer einschätzen und verlängern“ – Teil 1

Ein Handy-Akku könne man ganz einfach zerstören, indem man es erst bei frostigen Temperaturen nach draußen legt und direkt danach schnell auflädt. Das war das plastischste Beispiel von Andreas Gutsch im pv magazine-Webinar zur Batterielebensdauer und Einflussfaktoren, die man vermeiden sollte. Andreas Gutsch ist Geschäftsführer bei dem Initiativpartner für dieses Webinar, Solarwatt Innovation. Das Webinar fand bereits im Januar statt. In den kommenden Wochen greifen wir in drei Blöcken die vielen Teilnehmerfragen auf, die darin keine Zeit zur Beantwortung mehr fanden.

Die Informationen zum Webinar, die Videoaufzeichung und die Präsentation zum Download finden Sie hier

Wie hängen kalendarische und zyklische Alterung zusammen?

Solarwatt: Die kalendarische Alterung findet ununterbrochen statt, das heißt jeden Tag, jede Minute, jede Sekunde. Sie wird begünstigt durch hohe Temperaturen und einen hohen State of Charge (auf deutsch heißt das Füllgrad, man findet oft die Abkürzung SoC). Die zyklische Alterung findet nur während des Ladens oder Entladens statt. Diese Alterungsform ist ein Phänomen, das im Wesentlichen durch dynamische Ungleichgewichte in der Zelle während des Betriebs entsteht. Einen generellen Zusammenhang zwischen zyklischer Alterung und kalendarischer Alterung gibt es nicht. Es gibt Zellen mit sehr hoher kalendarischer Stabilität, die jedoch eine relative geringe Zyklenfestigkeit haben. Umgekehrt ist dies allerdings eher selten.

Welche Rolle spielt dabei der Innenwiderstand?

Der Innenwiderstand wird zum einen durch die kalendarische Alterung beeinflusst, zum anderen durch die zyklische Alterung. Wird eine Batterie bei hohen Temperaturen gelagert, steigt dadurch der Innenwiderstand in den Zellen, ohne dass die Batterie überhaupt zum Einsatz kommt. Andererseits steigt mit wachsender Zyklenzahl auch der Innenwiderstand in den Zellen, was wiederrum ebenfalls einen Anstieg der Temperatur verursacht. Die sensiblen Batterie-Zellen werden dadurch noch empfindlicher, der Zellstress steigt, was wiederum die Degradation beschleunigt.

Misst das Betriebsmanagementsystem kontinuierlich den Innenwiderstand?

Es ist zumindest sehr sinnvoll für das Batteriemanagementsystem, kurz BMS, dies zu tun, und für Solarwatt spielt das Monitoring des Innenwiderstands eine große Rolle. Durch die Messung des Innenwiderstands erfahren wir, wie es um die Batterie-Zellen steht. In einer optimalen Betriebsstrategie, die ja nicht zuletzt zum Ziel hat, die kalendarische Lebensdauer einer Batteriezelle zu optimieren, wird der Innenwiderstand als Maß für den Zellstress kontinuierlich gemessen. Die Energieanforderung von außen sollte sich unter anderem nach diesem Parameter richten, um die Batterie zu schonen.

Steigt der Innenwiderstand der Zellen hauptsächlich durch kalendarische Alterung?

Der Innenwiderstand wird sowohl von der kalendarischen als auch von der zyklischen Alterung beeinflusst. Es gibt Betriebspunkte, wie zum Beispiel das schnelle Laden bei tiefen Temperaturen, bei denen der Innenwiderstand extrem schnell steigt, weil die Zelle enorm gestresst ist. Diese Betriebszustände sind unbedingt zu vermeiden.

Werden Batteriezellen im Alter unsicherer? Sollte man Batteriepacks eines Speichers auch aus Sicherheitsgründen irgendwann wechseln?

Das kommt unter anderem auf die Batterie-Qualität an. Wenn die Batterie mit einer Kühlfunktion ausgestattet ist, dann muss die gealterte Batterie nicht zwangsläufig nach Unterschreiten der 80 Prozent-Kapazität unsicher sein. Allerdings darf man nicht verkennen, dass die Batteriezellen unterhalb dieser Grenze deutlich empfindlicher, vor allem auf Temperatursteigerungen, reagieren. Dies wird irgendwann zu einer Sicherheitsfrage. Deswegen schalten wir die Batterie ab, wenn die Leistung auf unter 80 Prozent sinkt. Ab einem bestimmten Zeitpunkt beeinflusst die kalendarische Alterung einer Batterie auch die Sicherheit.

Bei Ihrer Betriebsstrategie verzichten Sie darauf, die Batterie frühzeitig zu laden, damit sie zu warmen Tageszeiten nicht in voll-geladenem Zustand ist. Dadurch reduzieren Sie die Alterung, was nach Ihrer Abschätzung für einen Tag ein Euro Gewinn bringt. Dadurch kommt es unter Umständen zu einer höheren Abregelung der Solaranlage, da die Einspeiseleistung auf 60 Prozent der Nennleistung beschränkt ist. Den Verlust dadurch beziffern Sie mit 30 Cent. Im Ergebnis sagen Sie, Ihre Betriebsstrategie lohnt sich. Wie machen Sie diese Abschätzung und auf welche Zeiträume, Nennleitungen und Nennkapazitäten beziehen sich die angegebenen Gewinne und Verluste?

Die Abregelung des PV Wechselrichters erfolgt gegebenfalls tatsächlich statisch auf 60 Prozent der nominalen Peakleistung der Photovoltaikanlage. Beispiel: Wenn die Peakleistung unter Standbedingungen (STC) bei 3000 Watt liegt, erfolgt die statische Abregelung auf 1800 Watt.

Die Peakleistung einer Photovoltaikanlage zur Mittagszeit wird vor allem an sonnigen, warmen Tagen normalerweise nicht erreicht (Ausnahmen bestätigen die Regel). Dies liegt an der erhöhten Temperatur der Solarzellen während der Mittagszeit. Faktisch haben die meisten Photovoltaikanlagen während der Mittagszeit über einen Zeitraum von circa 2 bis 3 Stunden eine Leistung, die circa 85 Prozent der STC-Peakleistung entspricht.

Beispiel: PV_Peak_STC = 3000 W -> PV_Peak_real mittags = 2.600 W

Die statische Abregelung bezieht sich nicht auf den realen Photovoltaik-Peak, sondern auf Photovoltaik-Peak unter Standbedingungen. Demnach ist der reale Verlust der Photovoltaik-Leistung nicht 40 Prozent sondern circa 28 bis 32 Prozent. In dem Beispiel oben werden faktisch 800 Watt abgeregelt (1800 Watt Einspeisung anstatt 2600 Watt reale Peakleistung). Im schlimmsten Fall würde diese Abregelung über einen Zeitraum von circa 3 Stunden an den betreffenden Tagen erfolgen. Dies entspricht circa 2,4 Kilowattstunden, bei einer Einspeisevergütung von circa 12,4 Cent kann man von circa 30 Cent ausgehen. Wenn die Batterie durch das Laden dieser 2,4 Kilowattstunden vollgeladen würde, dann wäre die Batterie an circa 200 Tagen im Jahr circa sechs Stunden pro Tag, also insgesamt circa 1.200 Stunden pro Jahr voll.  Aus einer Vielzahl von Untersuchungen ist bekannt, dass eine volle Batterie rund 2 bis 5 mal schneller altert als eine halbvolle Batterie, das heißt die kalendarische Alterung würde circa 2 bis 5 mal schneller verlaufen. Das würde dazu führen dass, selbst eine sehr, sehr gute Batterie circa nach acht Jahren das Ende ihrer Lebensdauer erreicht.

Bei einem Brutto-Endkundenpreis für die Batterie von circa 1.000 Euro pro Kilowattstunde müsste die Batterie bei einer schlechten Ladestrategie nach circa acht Jahren ersetzt werden. Bei einer guten Ladestrategie hingegen wäre das erst nach circa 15 Jahren notwendig. Daraus resultieren Kosten durch die vorzeitige Alterung von ca. 60 Euro pro Kilowattstunde Batteriekapazität. Im Hinblick auf das obige Beispiel müsste eine Batterie mindestens eine Kapazität von 2,4 Kilowattstunden haben, um den Mittagspeak zu laden. Daraus folgt der Verlust durch eine schlechte Ladestrategie ist:

2,4 kWh * 60 €/ kWh = 144 € p.a.

Der Verlust durch die statische Abregelung beträgt pro Jahr:

0,3 €/kWh * 200 = 60 € p.a.

Um trotzdem den maximalen Ertrag aus dem Mittagspeak zu erzielen, kann durch Einbau des Solarwatt Energiemanagementsystems „EnergyManager“ von der statischen Abregelung auf die dynamische Abregelung, die jeweils den momentanen Hausverbrauch berücksichtigt, umgeschaltet werden. Dadurch verringern sich die Verluste aus Abregelung nochmals erheblich.

Fazit: Das Optimum wird erreicht mit einer guten Ladestrategie und einer dynamischen Abregelung!