Akkumulatoren: Elektrische Energien speichern und selbst verbrauchen

Wer eine eigene Solaranlage besitzt, möchte den eigenen Sonnenstrom natürlich auch möglichst selbst nutzen. So lassen sich die Kosten für die Stromentnahme aus dem öffentlichen Netz auf das Minimum senken. Damit das gelingt, brauchen Sie einen Akku. Ein Akkumulator speichert die erzeugte Energie dann, wenn sie entsteht. Sie Selbst entscheiden, wann Sie diese Energie benötigen und wieder aus dem Speicher entnehmen. So haben Sie jederzeit die volle Flexibilität, ohne die Effektivität der eigenen PV-Anlage zu beeinträchtigen.

Der Akkumulator - ein Steckbrief

Akkumulatoren sind Energiespeicherexperten. Sie speichern die ihnen zugeführte elektrische Energie, um sie ganz nach Bedarf wieder abzugeben. Im Gegensatz zur klassischen Batterie haben lassen sich Akkus wiederholt aufladen und entleeren. Das macht zu wertvollen Tools - sowohl durch den hohen Praxisbezug als auch durch ihre Nachhaltigkeit und Umweltfreundlichkeit. Deshalb bilden Akkus eine optimale Ergänzung von Anlagen zur Wind- und Sonnenstromerzeugung.

Akkumulatoren und PV-Anlage - zwei Bausteine, ein System

Akkus sind weit verbreitet und allseits bekannt. Die typischen Bauformen für Akkumulatoren sind Lithium-Ionen-Akkus und heute auch die weiterentwickelten Lithium-Polymer-Akkus. Diese kommen beispielsweise in Smartphones und Laptops zur Anwendung.

Und auch bei die Effizienz von Photovoltaikanlagen spielt der Akku eine zentrale Rolle. Eine PV-Anklage ohne Speicher speist den erzeugten Strom in das öffentliche Versorgungsnetz ein. Für die Erzeuger selbst ist er nicht direkt nutzbar. Ein Akku erlaubt die Umwandlung der elektrischen in chemische Energie. So lässt sich der gewonnene Sonnenstrom speichern und für die spätere, bedarfsgerechte Verwendung im eigenen Haushalt bevorraten.

Sonnenlicht bedarfsgerecht nutzen - ein Beispiel

Im Sommer liegt der solare Ertrag der hauseigenen Photovoltaikanlage normalerweise weit über dem tatsächlichen Verbrauch zur selben Zeit. Einfache PV-Systeme speisen diese Energie ein, der Betreiber erhält eine Vergütung für die gelieferte Energie. Diese liegt allerdings deutlich unter dem aktuellen Strompreis. Ist ein Akkuspeicher vorhanden, kann diese Energie gespeichert und dann genutzt werden, wenn der Verbrauch über dem Ertrag liegt. Das ist beispielsweise abends und nachts der Fall, oder aber an Tagen geringer Sonnenstrahlung. Teure Entnahmen aus dem Stromnetz können vermieden werden. Aus ökonomischer Sicht ganz klar die bessere Alternative!

Ein Speicher, viele Bauweisen - Wie findet man den richtigen Akku?

Für die Herstellung von Stromspeichern stehen mittlerweile unzählige Möglichkeiten zur Verfügung:

• Lithium-Ionen-Akkus (auch als Li Ion Akkus bezeichnet)
• Lithium-Polymer-Akkus
• Nickel-Cadmium-Akkus (auch als NiCd Akkus bezeichnet)
• Nickel-Metallhydrid-Akkus (auch als NiMh Akkus bezeichnet)
• Lithium-Titanat-Akkus
• Nickel-Eisen-Akkus
• Silber-Zink-Akkus
• Nickel-Wasserstoff-Akkus

Jede Bauweise bringt eigene Vor- und Nachteile mit sich. Anhand dieser Eigenschaften lässt sich aus der breiten Spanne verfügbarer Akkus bedarfsgerecht der optimale Typ auswählen.

Beispiele für die Wahl des "richtigen" Akkus

Handy und andere mobile Endgeräte nutzen üblicherweise Lithium-Ionen-Akkus. Diese sind klein, leistungsfähig und lassen sich ohne den nachteiligen Memory-Effekt vielfach Laden und wieder entladen.

Im Modellbau kommen wegen der geringen Baukosten und der Möglichkeit zur raschen Energieentnahme vor allem Nickel-Cadmium-Akkus zum Einsatz.

Die immer weiter verbreiteten Elektroautos setzen meist auf Lithium-Titanat-Akkus. Diese ermöglichen die Speicherung der enormen Energiemengen, die für E-Autos nötig sind. Außerdem zeigen sie im Falle eines Unfalls mit Schadeinwirkung auf den Akku ein besonders günstiges Verhalten.

Der Akkumulator unter der Lupe - die Funktionsweise

Unabhängig von der Bauweise soll ein Akku elektrische Energie speichern und bei Bedarf wieder nutzbar machen. Damit sind sie für die allermeisten Elektrogeräte unverzichtbar. Aber wie funktioniert diese Energiespeicherung im Detail?

Laden und Entladen - Energieumwandlung als Kernprinzip

Für das Verständnis der chemischen Abläufe beim Laden und Entladen von Akkumulatoren bedarf es zunächst einiger Erläuterungen zum Aufbau. Bauartunabhängig sind folgende Komponenten Bestandteil eines jeden Akkus:

• Anode
• Kathode
• Elektrolyt

Erst durch das Zusammenwirken aller drei Hauptkomponenten wird die Umwandlung von elektrischer in chemische Energie überhaupt möglich:

Beim Ladevorgang gelangt die von außen wirkende elektrische Spannung über Anode und Kathode zu den Elektrolyten. Die Kathode erfährt dabei eine Erhöhung der Elektronenzahl. Bei der Anode sinkt die Zahl der Elektronen. Dieser Ladungsunterschied regt im Elektrolyt eine chemische Reaktion an, die Energie wird gespeichert.

Die Entladung erfolgt nach demselben Prinzip, jedoch mit umgekehrter Richtung des Stromflusses und der Elektronenwanderung. Aus chemisch gespeicherter Energie entsteht eine elektrische Spannung, die von den angeschlossenen Verbrauchern als Strom genutzt werden kann.

Akkumulatoren im täglichen Einsatz

Die Stärke von Akkus liegt in der zeit- und netzunabhängigen Energieversorgung unterschiedlichster Verbraucher. Die wohl häufigsten Einsatzbereiche des Alltags sind Starterbatterien der noch verbreiteten Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren, sowie die breite Spanne gebräuchlicher Unterhaltungselektronik. Gerade im Haushalt werden unzählige Kleingeräte vom Wecker bis zur Uhr ohne Installationsaufwand und über lange Zeitspannen mit den beliebten Stromspeichern ausgestattet.

Hinzu kommt mittlerweile immer häufiger die dezentrale Energiegewinnung auf dem privaten Hausdach oder durch eine eigene Kleinwindkraftanlage. Erst die Akkuspeicherung erlaubt den Verbrauch des eigenen Stroms und damit die weitgehende Unabhängigkeit von öffentlichen Energieversorgern und deren Preispolitik.

Oft vergessen wird außerdem der medizinische und der Sicherheitssektor. Immer dann wenn es auf eine konstante, ausfallsichere Energieversorgung ankommt, spielen Akkus als Hauptenergielieferant oder als Sicherheitsinstanz eine zentrale Rolle.

Die Wahl des passenden Akkus

Akkus sind erst dann in der Lage, ihre volle Leistungsfähigkeit auszuspielen, wenn das Aggregat an Hand seiner Bauweise und seiner Eigenschaften passend zur Verwendung ausgewählt wird. Maßgebliche Kriterien für die Wahl des passenden Akkus sind:

Die Energiedichte

Die Energiedichte definiert, wie viel Energie je Akkumasse gespeichert werden kann. Sie ist beispielweise ausschlaggebend für den Einsatz von Lithium-Ionen-Akkus in mobilen Endgeräten. Eine Hohe Energiedichte bedeutet hier kleinformatige, leichtgewichtige Speicher mit hoher Speicherkapazität.

Die Speicherkapazität

Unabhängig von der Dimension des Akkus wird seine Speicherfähigkeit in Amperestunden widergegeben. Diese Angabe lässt unmittelbare Rückschlüsse darüber zu, welche Betriebsdauer mit welcher Leistungsentnahme mit einem bestimmten Akkumulator möglich ist.

Der Platzbedarf

Gerade kleinformatige Verbraucher sind auf platzsparende Akkus angewiesen. Eine hohe Energiedichte ermöglicht bei gleicher Speicherkapazität kleinere Baugrößen und damit platzsparendere Verwendungen. Das wird durch den Einsatz hochwertigerer Elektrolyte und - daraus resultierend - kleinerer Zellen ermöglicht.

Die Kosten

Aus wirtschaftlicher Sicht definieren auch die Kosten, ob ein Akku sinnvoll eingesetzt werden kann. Die verbreitetsten Bauweisen Li-Ion und NiMh gelten bei guten Leistungsdaten als besonders günstig und erfreuen sich deshalb eines breiten Einsatzes.

Die Zyklenfestigkeit

Je öfter ein Akku ohne Leistungsverlust geladen und wieder entladen werden kann, umso höher ist seine Zyklenfestigkeit. Und umso höher ist seine Lebenserwartung.

Die Lebensdauer von Akkumulatoren optimieren

Die Lebensdauer eines Akkus schwankt in Abhängigkeit von der Art und Weise seiner Nutzung stark. Die Nutzer haben die Möglichkeit, diese durch ein angepasstes Verhalten positiv zu beeinflussen.

Zwei Methoden sind gut dazu geeignet, die Lebensdauer im Alltag zu verlängern. Zum einen hilft eine angemessene Aufbewahrung, die Elektrolyte im optimalen chemischen Wirkbereich zu erhalten. Lithium-Ionen-Akkus sollten etwa bei normaler Raumtemperatur gelagert werden. Ein Temperaturbereich zwischen 15 und 25 Grad gilt als optimal. Hitze und Kälte haben das Potential, die chemische Zusammensetzung dauerhaft zu stören. Ein Daueranschluss an einen Verbraucher führt beispielsweise auch dazu, dass durch permanente Lade- und Entnahmeströme die interne Temperatur steigt. Die Lebenserwartung sinkt.

Der zweite wichtige Faktor ist ein lebensdauererhaltender Lade- und Entladevorgang. Sowohl die Überladung als auch die Tiefenentleerung verkürzen die Lebenserwartung eines Akkus. Auch eine Entnahme während des Ladevorgangs hat nachteilige Auswirkungen. Bei Lithium-basierten Akkumulatoren sollte für eine erfolgreiche Ladung außerdem vor dem Ladebeginn immer eine Restladung im Akku vorhanden sein.

Übrigens: Jeder Akku besitzt eine bauartbedingte, spezifische Lebensdauer. Die nutzbare Zeitspanne verkürzt sich beispielsweise auch durch lange Lagerphasen vor der eigentlichen Verwendung.

Besonderheiten bei NiMh- und NiCd-Akkus

Akkus mit NiMh- und NiCd-Technologie überzeugen durch eine hohe Lebenserwartung. Allerdings besteht das Risiko der so genannten Memory- oder Lazy-Effekte.

Werden NiCd-Akkus nicht vollständig ent- und aufgeladen, sinkt die Leistungsfähigkeit stetig. Man spricht vom Memory-Effekt, weil der nicht ganz leere und nicht ganz volle Zustand auf Dauer zum neuen Minimal- und Maximalstand wird.

Auch der Lazy-Effekt mindert die Akku-Kapazität, jedoch bei NiMh-Modellen. Hier sollte im Regelbetrieb nie vollständig entladen werden und lediglich vierteljährlich eine Vollentladung erfolgen.

Die Selbstentladung - kein Verbrauch und trotzdem weniger Strom

Die Selbstentladung und die Lebensdauer von Akkus stehen in enger Verbindung. Akkus auf Nickelbasis verlieren im Ruhezustand je Monat rund ein Viertel ihrer Ladung. Dieser Effekt wird durch hohe Umgebungstemperaturen verstärkt, wobei die Lebensdauer parallel sinkt. Räume über 30 Grad Celsius sind deshalb für die Lagerung dieser Akkus ungeeignet. Hinzu kommt der Bedarf einer möglichst trockenen Lagerung, um die optimale Lebensdauer zu gewährleisten.

Im Zusammenhang mit einer Photovoltaikanlage kommt der Beständigkeit und Lebenserwartung eines Akkuspeichers eine besondere Rolle zu. Große Lade- und Entladeströme treffen hierauf stark schwankende Umgebungsbedingungen. Zumindest außerhalb von Gebäuden platzierte Akkus unterliegen Temperatur-, Feuchte- und Strahlungsschwankungen und sind damit besonders stark beansprucht. Eine Hohe Qualität des Akkumulators ist daher gleichbedeutend mit einer hohen Versorgungssicherheit in Sachen Eigenstromnutzung.