Das richtige Solarspeicher System: Blei versus Lithium

In vielen Kundengesprächen kommt immer wieder die Frage nach dem Unterschied zwischen einer Lithium-Ionen- und einer Blei-Gel-Batterie auf. Vordergründig sieht der Kunde zuerst den Preis- und den Gewichtsunterschied. Wie ist aber die Funktionsweise der beiden Batterietypen? Warum hält der eine länger als der andere? Warum wiegt der eine mehr als der andere? All diese Fragen werden im Folgenden für technisch Interessierte genauer beleuchtet.

Blei-Gel-Akku
Zellreaktion Bleibatterrie

Bild1: Zellreaktion einer Bleibatterie. Quelle: Akkumulatorenfabrik MOLL

Ein Bleiakkumulator besteht aus einem säurefesten Gehäuse und zwei Bleiplatten, die als positiv beziehungsweise negativ gepolte Elektrode dienen. Dazu kommt eine Füllung aus 38-prozentiger Schwefelsäure (H2SO4) als Elektrolyt. Bei Blei-Gel-Akkus, wie sie im IBC SolStore Pb Home zum Einsatz kommen, ist die Schwefelsäure durch Zugabe von Kieselsäure gebunden und der Akku ist verschlossen. Dadurch ist er fast völlig wartungsfrei, da keine Zugabe von Wasser mehr nötig oder möglich ist. Im entladenen beziehungsweise neutralen Zustand lagert sich an beiden Elektrodengruppen eine Schicht aus Blei(II)-sulfat (PbSO4) an. Im aufgeladenen Zustand bestehen die positiven Elektroden aus Blei(IV)-oxid (PbO2), die negativ gepolten Elektroden aus fein verteiltem porösem Blei, auch Bleischwamm genannt. Durch die chemische Reaktion beim Lade- und Entladevorgang kann elektrische Energie gespeichert beziehungsweise abgegeben werden.Gleichung 1

Lithium-Ionen-Akku

In Lithium-Ionen-Akkus befinden sich an der negativen Elektrode Lithium-Atome, an der positiven Elektrode Übergangsmetall-Ionen. Elektrische Energie wird gespeichert, indem das Lithium in ionisierter Form durch das Elektrolyt zwischen den beiden Elektroden hin- und herwandert. Daher kommt auch der Name des Lithium-Ionen-Akkus. Im Gegensatz zu den wandernden Lithium-Ionen sind die Übergangsmetall-Ionen (in Bild 3: Cobalt) ortsfest. Beim Entladen geben Lithium-Atome an der negativen Elektrode jeweils ein Elektron ab, welches über den externen Stromkreis zur positiven Elektrode fließt. Gleichzeitig wandern gleich viele Lithium-Ionen durch das Elektrolyt von der negativen zur positiven Elektrode (Bild 3). An der positiven Elektrode nehmen aber nicht die Lithium-Ionen das Elektron wieder auf, sondern die dort vorhandenen und im geladenen Zustand stark ionisierten und daher recht „elektronenhungrigen“ Übergangsmetall-Ionen. Je nach Akkutyp können das Kobalt-, Nickel-, Mangan-, Eisen-Ionen und so weiter sein.
Entladung_Bild 2

Bild 2: Entladung des Lithium-Ionen-Akkus
Quelle: Akkumulatorenfabrik MOLL
Ladung_Bild 3

Bild 3: Ladung des Lithium-Ionen-Akkus
Quelle: Akkumulatorenfabrik MOLL

Durch die chemische Reaktion beim Lade- und Entladevorgang kann elektrische Energie gespeichert beziehungsweise abgegeben werden.

Gleichung 2

Lithium-Ionen-Akkus gibt es mit unterschiedlichen Materialien:

Tabelle

Lebensdauer

Hochwertige Blei-Akkus, die in Solarstromspeichern eingesetzt werden, können bei regelmäßiger Pflege und einer gut gesteuerten Be- und Entladung eine recht hohe Lebensdauer von rund 10 Jahren erreichen, bevor es zu einem signifikanten Leistungsabfall kommt. Die Alterung und damit auch der Verschleiß des Blei-Akkus liegen in erster Linie an der inneren Korrosion der Elektroden. Außerdem kommt es immer wieder zu feinen Kurzschlüssen. Auch die Sulfatierung des Bleis bewirkt, dass sich die PbSO4-Kristalle zu immer größeren Verbünden zusammenschließen. Durch die richtigen Lade- und Entladestrategien kann aber einer Sulfatierung entgegengewirkt werden. Deswegen ist es wichtig, dass bei Solarspeichersystemen die Laderegler und Batterien als Gesamtsystem optimal aufeinander abgestimmt sind. Bei aktuellen Lithium-Ionen-Akkus entscheidet die Zyklenhaltbarkeit, wie lange der Akku verwendet werden kann. Diese ist abhängig von Art und Qualität des Akkus, von der Temperatur und von der Art der Nutzung – insbesondere (Ent-)Ladehub, Ladeschlussspannung und Stärke der Lade- sowie Entladeströme. Wie beim Blei-Gel-Akku ist auch bei Lithium-Ionen-Akkus das richtige Batteriemanagementsystem von hoher Bedeutung, um die gewünschte Lebensdauer zu erreichen. Es gibt bereits Zellen für Spezialanwendungen, die auch nach mehreren Jahren im Einsatz und mehreren 10.000 Lade- und Entladezyklen nur einen sehr geringen Teil ihrer Kapazität und Leistung verlieren.

Gewicht

Die Energiedichte von Blei-Säure-Batterien liegt etwa bei 30 Wh/kg. Die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien liegt dagegen zwischen 95 bis 190 Wh/kg, also um Faktor 3 bis 6 höher als bei einer herkömmlichen Blei-Säure-Batterie. Dadurch sind Lithium-Ionen Batterien bei gleicher Kapazität wesentlich leichter als Blei-Säure-Batterien. Im Praxisvergleich: Die 4 Batterien eines IBC SolStore Pb mit einer Nennkapazität von insgesamt 8 kWh wiegen zusammen 300 Kilogramm, mit Gehäuse 350 Kilogramm. Der Batterieblock (Akku, Batteriemanagement und Gehäuse) des IBC SolStore Li (Nennkapazität 5 kWh) wiegt 122 kg.

Fazit

Die Entscheidung welche Batterie zum Einsatz kommt bleibt jedem Kunden selbst überlassen. Auf der einen Seite steht die über Jahrzehnte bewährte klassische Blei-Gel-Batterie, die sicher auch noch über die nächsten Jahre das Bild des Batteriemarktes prägen wird. Demgegenüber steht der Newcomer Lithium-Ionen-Batterie, der mit unterschiedlichen Elektrodenmaterialien den Verbraucher hinsichtlich Zuverlässigkeit und Gefahrgutvorschriften sowie der Fülle an Informationen über eine neue Technologie in der Entscheidung wanken lässt, jedoch schon heute Technologiebegeisterte auf seine Seite bringt. Zusammenfassend kann man sagen, dass beide Batterietechnologien sehr gut geeignet sind, um die Maximierung der Nutzung der selbst erzeugten Energie aus der eigenen PV-Anlage und die Bedürfnisse nach Unabhängigkeit im Strombezug beim Verbraucher voranzutreiben. Quelle: IBC-Solar AG

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