Die Module der Solaranlagen halten durchschnittlich 20-25 Jahre lang. Aber wie sieht das mit der Lebensdauer von Solarstromspeicher aus? Dazugehörige Batterien sollten schließlich ein ähnliches Durchhaltevermögen aufweisen, um den Wartungsaufwand des Gesamtsystems möglichst gering zu halten.
In diesem Artikel sehen wir uns genauer an wie die Lebensdauer durch die Auswahl der geeigneten technischen Eigenschaften und der Nutzungsintensität positiv beeinflusst werden kann.
Möchten Sie mehr zum Zusammenspiel zwischen PV-Anlage und Solarspeicher erfahren empfehlen wir Ihnen diesen Artikel.
Dazu gilt es als Erstes, die ideale Umgebung zu schaffen.
Der optimale Aufstellort für eine möglichst lange Lebensdauer von Stromspeicher
Moderne Lithium-Speicher sind in diesem Punkt recht genügsam. Sie sollten grundsätzlich an trockenen Orten ohne direkte Sonneneinstrahlung untergebracht werden.
Besonders hohe Luftfeuchtigkeit (ab 80 %) wirkt sich negativ auf die Kontaktsicherheit und Lebensdauer von Solarstromspeicher-Systemen aus. Der Wert wird an sehr schwülen Tagen in älteren Kellerräumen nicht selten überschritten.
In diesem Fall kann es gegebenenfalls sinnvoll sein, das Problem durch separate Luftentfeuchter zu beheben.
Die Umgebungstemperatur beeinflusst die Batteriealterung
Batteriespeicher sollten in einem Temperaturbereich zwischen 5 - 30 °C betrieben werden. Denn dauerhaft hohe oder niedrige Temperaturen beeinflussen nicht nur die Leistungsfähigkeit eines Speichersystems negativ, sondern können auch zu einer deutlich verkürzten Lebensdauer des Gerätes führen.
Einsatz von Solarstromspeicher bei zu niedrigen Temperaturen
Wird der Speicher bei einer Temperatur von unter 0 °C betrieben reduziert sich die Speicherkapazität bereits deutlich. Ein Effekt, den Sie vielleicht auch schon bei Ihrem Smartphone beobachten konnten.
An einem kalten Wintertag schaltet sich Ihr Telefon ab, selbst wenn es noch über eine ausreichende Ladung verfügt. Das liegt an einem Selbstschutz-System des Gerätes. Wird die Batterie zu kalt, kann das Elektrolyt bei einer hohen Leistungsanforderung abreißen. Im Wesentlichen bedeutet das den Totalausfall der Batterie. Um solche Beschädigungen zu vermeiden, schaltet sich das Gerät aus und schützt so den Akku.
Das Gleiche kann auch in einem Solar-Akku passieren. Eine genaue Temperatur, die nicht unterschritten werden darf, kann aber nicht angegeben werden. Jeder Hersteller macht an dieser Stelle seine eigenen Vorgaben.
Einsatz von Solarstromspeicher bei zu hohen Temperaturen
Eine zu hohe Batterietemperatur hingegen verursacht im Wesentlichen eine deutlich beschleunigte Alterung. Der Effekt ist bei Lithium Batterien nicht so ausgeprägt wie bei Blei-Akkus. Dennoch sorgt der Betrieb bei einer Umgebungstemperatur von 40 °C für eine um circa 30 % schneller Alterung gegenüber der Referenztemperatur von 20 °C.
Bei der Auswahl des richtigen Standortes sollte also auf einen möglichst optimalen Temperaturbereich geachtet werden.
Neben der Temperatur beeinflusst auch die Luftqualität die Lebensdauer von Solar-Akkus
Bei der Bewertung des optimalen Standortes sollte auch die Qualität der Umgebungsluft mit berücksichtigt werden.
Standorte mit einer hohen Staubbelastung, zum Beispiel durch Holzbearbeitungsmaschinen, sind generell ungeeignet. Aber auch die Belastung durch aggressive Gase, wie zum Beispiel Ammoniak in der Nutzviehhaltung, sind zu vermeiden.
Letztlich muss noch darauf geachtet werden, dass es im Aufstellungsraum nicht zu Überschwemmungen kommen kann.
Bedeutung der Be- und Entladeleistung für die Lebensdauer eines Solarstromspeichers
Technische Kenngrößen wie die C-Rate beeinflussen beim Stromspeicher naturgemäß die Funktions- und Leistungsfähigkeit. Und wie sieht es mit der Lebensdauer aus?
Was ist eine C-Rate
Sie gibt an, wie schnell die Batterie im Verhältnis zu ihrer Kapazität entladen werden kann. Als Beispiel: Ein 5-kWh-Speicher, der 5 kW Ausgangsleistung aufweist, kann innerhalb einer Stunde mit der Geschwindigkeit von 1C entladen werden. Wenn die Entladung im Minimalfall 2 Stunden andauert, beträgt die C-Rate 0,5 und so weiter.
Wie beeinflusst die C-Rate die Batteriealterung
Die Belastungen für eine Batterie nehmen zu, je schneller sie be- oder entladen wird. Die C-Rate definiert wie hoch der Akku belastet werden kann und hat somit Einfluss auf die Lebensdauer des Stromspeichers.
Im Vergleich zu einem Elektroauto werden Solarstromspeicher in Wohngebäuden nur sehr moderat belastet. Während auch bei kleineren E-Autos schon Leistungen von 100 kW und mehr abgerufen werden liegen diese Werte bei den Heimspeichern im Rahmen von 2 bis 5 kW.
Diese schonende Belastung ist mit ein Grund dafür, dass moderne Solarbatterien zwischen 5.000-10.000 Ladezyklen durchlaufen können, bevor sie unter den Grenzwert von 80 % Restkapazität sinken, ab dem sie als defekt gelten. Manche Hersteller geben als End-of-Life-Kriterium allerdings auch 70 % an.
Was passiert nun, wenn im Haus eine höhere Leistung abgerufen wird, als vom Stromspeicher und der PV-Anlage bereitgestellt werden kann
Wird Mittags auf allen Herdplatten gekocht und zeitgleich der Trockner oder die Wärmepumpe betrieben kann der Verbrauch in Ihrem Haus über dem Wert liegen, der zeitgleich aus Speicher und PV-Anlage zur Verfügung gestellt werden kann. Der "fehlende" Strom muss dann aus dem Netz bezogen werden.
Anders als bei einem Inselsystem, in dem eine solche Unterdeckung nicht durch das Stromnetz ausgeglichen werden kann, muss die Auslegung allerdings nicht strikt an dem maximalen Leistungsbedarf ausgerichtet werden.
Das die C-Rate für die Energieunabhängigkeit von Wohngebäuden keine übergeordnete Rolle spielt liegt daran, dass solche hohen Leistungsaufnahmen nur über kurze Zeiträume vorkommen. Gemessen in kWh muss zur Deckung dieser "Eigenstromlücken" nur wenig Netzstrom gekauft werden.
Sollten allerdings dauerhaft hohe Leistungen bestehen sind diese natürlich bei der Auslegung des Systems zu berücksichtigen. Dies kann zum Beispiel der Fall sein, wenn im Haus ein Pool mit entsprechender Pumpentechnik betrieben wird.
Mehr zur richtigen Bemessung eines Solarstromspeichers erfahren Sie auf dieser Seite.
Welchen Einfluss besitzt das Batterie-Lademanagement auf die Lebensdauer eines Solarstromspeichers
In vollem Ladezustand (100 % State of Charge) ereignen sich chemische Prozesse an den Elektroden der einzelnen Zellen. Dies beschleunigt die Alterung der Solar-Akkus.
Intelligente Ladesoftware wirkt dem Effekt entgegen, indem es die Energiezuteilung so steuert, dass der maximale Ladezustand erst kurz vor Sonnenuntergang erreicht wird. Die Verweildauer in diesem Zustand ist somit sehr kurz.
Stromspeicher mit eigenständig lernendem Algorithmus greifen dabei auf Erfahrungswerte der vergangenen Wochen und aktuelle Wetterdaten zurück. Ein optimal eingestellter Lademanager maximiert somit die Lebensdauer von Solarstromspeicher-Systemen.
Die Zyklenzahl
Wie schon erwähnt, können Lithium-Ionen-Speicher im Rahmen ihrer Lebensdauer bis zu 10.000 Ladezyklen absolvieren. Die Angabe bezieht sich auf theoretische Vollzyklen, bei der die Batterie von 0 auf 100 % Kapazität aufgeladen wird.
In der Praxis darf eine von der Bauart abhängige Restladung nicht unterschritten werden, um Tiefenentladung zu vermeiden.
Man spricht daher von Teil-Zyklen, die im Zuge der Planung zu Vollzyklen addiert werden, um die Lebensdauer der Solarstromspeicher zu kalkulieren.
Ein Vollzyklus entspricht einer kompletten Be- und Entladung der Nutzkapazität des Solar-Akkus
Wie werden die jährlichen Vollzyklen berechnet
Im Einfamilienhaus verbraucht ein 3-Personen-Haushalt durchschnittlich 3.600 kWh/Jahr. Solaranlage und Lithium-Ionen-Batterie können jeweils maximal 5 kW Leistung bereitstellen.
Der Solarstromspeicher soll 30 Prozent des jährlichen Energiebedarfs abdecken und darf bis auf 5 Prozent Restkapazität entladen werden.
Energiebedarf: 3.600 kWh x 0,3 = 1.200 kWh
Anzahl Teilzyklen: 1.200 kWh : 5 x 1,05 = 252
Anzahl Vollzyklen: 252 x 0.95 = 240
Mit 240 Vollzyklen pro Jahr muss der Solar-Akku im Durchschnitt alle 36 Stunden aufgeladen werden. Dieser Richtwert verschiebt sich im Sommer und Winter im Gleichschritt mit der Intensität der Sonneneinstrahlung, was mit einem gut eingestellten Batteriemanager ohne Probleme gelingt.
Was ist mit SOC gemeint
Die Abkürzung für "State Of Charge" (zu deutsch: Ladezustand). Der Wert wird in Prozent angegeben. So ist der SOC bei einer vollen Batterie bei 100 %, während leere Exemplare 0 % aufweisen.
Wie tief kann eine Lithium-Batterie entladen werden, ohne Schaden zu nehmen
Lithium-Ionen-Akkus müssen immer eine Restladung von 5 bis 10 % aufweisen. Der Hintergrund: Sinkt die Zellenspannung unter 2,4 Volt, entstehen bleibende Kapazitätseinbußen.
Im weiteren Verlauf (unter 1,5 V) bilden sich Kupferbrücken. Die Zellen werden hierdurch instabil und können sich sehr stark erhitzen, weshalb tiefenentladene Lithium-Ionen-Akkus aus Sicherheitsgründen nicht weiterverwendet werden sollten.
Können Solarbatterien auch zu groß ausgelegt sein und wie viele Ladezyklen sollten jährlich mindestens anfallen
Wir haben bereits festgehalten, dass sich eine hohe Ladefrequenz kontraproduktiv auf den Stromspeicher und dessen Lebensdauer auswirkt.
Zu niedrig sollte sie aber auch nicht sein, da schließlich noch andere Faktoren berücksichtigt werden müssen. Als Faustformel sollten daher 200 Vollzyklen pro Jahr angepeilt werden, damit Lithium-Ionen-Akkus ihre volle Lebensdauer von 25 Jahren erreichen.
Welcher Zusammenhang besteht zwischen der PV-Anlagenleistung und den Batteriezyklen
Ausgewogenheit zwischen den Komponenten ist Trumpf in Bezug auf Energieautarkie. Auf die Lebensdauer von Solarspeicher-Geräten wirkt sie ebenfalls positiv ein.
So muss etwa ein 5 kWh-Akku im Zusammenspiel mit einer 10 kWp-Anlage häufig be- und entladen werden. Die Zellen unterliegen dann einem beschleunigten Alterungsprozess.
Umkehrvergleich: Wenn eine 5 kWp-Anlage eine 15 kWh-Batterie speist, werden viele unvollständige Ladezyklen erfolgen. Damit wird dennoch nicht die beste Lösung erzielt, wie das nächste Kapitel verdeutlicht.
Was ist mit kalendarischer Alterung gemeint
Wie lange hält ein Solar Akku, wenn er im Vergleich zur PV-Anlage exorbitant überdimensioniert wird? Als Beispiel: Die meisten Haushalte werden mit 2.000 kWh Speicherkapazität wohl nur einen Vollzyklus im Jahr zu verzeichnen haben.
Obwohl 10.000 Ladevorgänge absolviert werden können, wird der Stromspeicher die theoretische Lebensdauer von 10.000 Jahren dennoch niemals erreichen. Hierfür zeichnet sich die kalendarische Alterung verantwortlich.
Sie bezieht sich auf chemische Vorgänge in den Batteriezellen, die auch auftreten, wenn der Solarstromspeicher nie genutzt wird. Der Prozess ist von der Bauform, Materialqualität und nicht zuletzt der Umgebungstemperatur abhängig.
Unter optimalen Bedingungen gehen die Hersteller von der Lebensdauer von 15 bis 25 Jahren aus.
Gibt es eigentlich schon genügend Langzeiterfahrung für eine realistische Bewertung der Lebensdauer von Solarstromspeicher
2014 galten noch die bewährten Bleiakkus als Nonplusultra für die Speicherung von Solarstrom. Inzwischen wurden sie von der Lithium-Technologie als Marktführer abgelöst. Da stellt sich die Frage: Wie lange hält ein Solar Akku tatsächlich, wenn die Technik doch erst seit 6 Jahren flächendeckend eingesetzt wird?
Liegen denn schon genügend Erfahrungswerte vor, um solche Berechnungen anzustellen? Das trifft allerdings zu, weil die Geschichte der Akkus wesentlich weiter zurückreicht: Das grundlegende Funktionsprinzip wurde in den 1970ern an der TU München erforscht.
Seit 1979 werden Armbanduhren hiermit ausgestattet. Im Jahre 1991 wurde der Lithium-Ionen-Akku kommerziell auf den Markt gebracht und wirkt heute innerhalb von Digitalkameras, Smartphones und Elektrowerkzeugen.
Gleiches gilt für moderne Elektrorollstühle, Hybridfahrzeuge und bestimmte Flugzeugsysteme. Die Hersteller können demnach auf zahllose Datensätze zugreifen, um Hochrechnungen für die Bedürfnisse der PV-Technik zu erstellen.