Fachbeitrag Speichersysteme mit hohen Ladezyklen

Ein leerer Akku ist für Anwender ein regelrechtes Schreckens­szenario – sei es bei Mobiltelefon, Kamera oder einem Elektroauto. Darum folgt das Ladeverhalten der Menschen dem Bedürfnis, immer genug Energie parat zu haben. Dabei wird naturgemäß nur selten und meist nicht korrekt Rücksicht auf die spezifischen physikalischen Eigenschaften der Speicherzellen genommen.

Dementsprechend sind die Hersteller gefordert, das Maximum aus Physik und Technologie herauszuholen, um auch ein für den Akku suboptimales Nutzerverhalten zu ermöglichen – und zwar über einen Zeitraum, der groß genug ist, um die Anschaffungskosten zu amortisieren. Die gute Nachricht: Das ist möglich, und zwar nicht nur für die eingangs genannten Anwendungsfälle, sondern auch für stationäre Stromspeicher. Denn sie sind ein Schlüsselelement, wenn die Energiewende gelingen soll.

Herausforderungen bei erneuerbaren Energien

Dass die Thematik bei großen Energiespeichern relevant ist, wie sie immer mehr für Heimanwendungen oder Industriespeicher zum Einsatz kommen, zeigen die für diese Umgebungen typischen Lastprofile. Mögen sich die Einsatzszenarien im Detail auch unterscheiden, so lassen sich dennoch zwei grundlegende Punkte festhalten: Zum einen können Energiespeicher meist nicht vollständig be- und entladen werden, zum anderen tritt in der Regel eine Vielzahl kleiner und kleinster Be- und Entladezyklen im Alltagsbetrieb auf.

Diese Aussage bezieht sich auf die beiden prominentesten Energielieferanten der Energiewende, nämlich auf Photovoltaik und auf Windkraft; Wasserenergie und Biogas sind vor diesem Kontext zu vernachlässigen. Zwar generieren diese kontinuierlich Strom, der für Lastspitzen gespeichert werden könnte, aber bei einem Blick auf Förderpolitik sowie die derzeitige und zu erwartende Verbreitung ist der Fokus auf Wind und Sonne gerechtfertigt.

Exemplarisch: Mikrozyklen bei Sonnenenergie

Bei einem konkreten Blick auf ein Sonnenkraftwerk wird die Problematik deutlich: Die Sonne scheint an vielen Tagen nicht ununterbrochen. Vielmehr folgen Schatten- auf Sonnenphasen, wie sie durch Wolken unvermeidbar sind. Während jeder dieser Sonnenscheinpausen sinkt die Stromproduktion einer Solaranlage. Die Folge: Gerade bei den zunehmenden Eigenversorgungsanlagen wird nicht mehr genug Überschuss erwirtschaftet, um neben der Versorgung der Verbraucher auch noch den Speicher zu laden. Dieses Phänomen gilt im Großen und Ganzen auch für Windkraft.
Dabei spielt es keine wesentliche Rolle, ob es sich um ein Speichersystem für industrielle oder Heimanwender handelt. Für solche Nutzungen ist demnach eine Batterietechnologie erforderlich, die viele kleine Ladezyklen einschließlich der Mikrozyklen schadlos übersteht, und die einen möglichst großen Teil der vorhandenen Kapazität bis hin zur Tiefentladung nutzt – alles andere als eine physikalische Verständlichkeit.

Die Applikation sucht sich ihre Batterie

Für alle Anwendungen gilt ein relativ einfacher Leitsatz: Die Applikation sucht sich ihre Batterie. Das bedeutet, dass nicht eine einzige Speicher- oder Zelltechnologie alle Anforderungen abdeckt. Das Rezept beziehungsweise die Zutaten variieren in Abhängigkeit der einzelnen Variablen des jeweiligen Einsatzszenarios, die letztlich auch Art und Weise der Lade­zyklen definieren. Dass Lithium als Hauptingredienz inzwischen grundsätzlich andere Technologien im Großen und Ganzen in die Schranken gewiesen hat, liegt an der vergleichsweise hohen Energiedichte, etwa im Vergleich zu Blei-Akkus.

Jedoch differiert die Energiedichte von Subtyp zu Subtyp, und von diesen Lithium-Unterarten gibt es einige. Sobald der Entladungsgrad – häufig ist hier auch von Depth of Discharge (DoD) die Rede – und damit Langlebigkeit sowie die Sicher­heit mehr Gewicht erhalten als zum Beispiel die maximale Energiedichte oder ein möglichst kleines Gewicht, bietet die Lithium-Titanat-Technologie (Li₂TiO₃) einige handfeste Vorteile. Eine Tatsache, die durch die speziellen Eigenschaften des Titanat bedingt ist.

Funktionsweise eines Akkus

Um die spezifischen Vorteile der Lithium-Titanat-Technologie erörtern zu können, lohnt ein Blick auf die grundsätzliche Funktionsweise eines Akkus sowie einiger Eigenheiten anderer Zelluntertypen. Nach erfolgtem Ladevorgang wandern die Elektronen von der positiven zur negativen Elektrode. Im Zuge dieses Prozesses gibt die Batterie die in ihr enthaltene elektrische Energie ab. Dabei herrscht eine definierte Spannung vor. In den bekannten Lithium-Ionen-Produkten wie dem Lithium-Polymer-Akku kommt Graphit als Material für die negative Elektrode zum Einsatz.

Dieser Typ findet sich häufig in Mobiltelefonen, da in diesem Anwendungsfall nur sehr wenig Platz zur Verfügung steht. Aber auch in der noch jungen Disziplin der Elektromobilität zählen geringes Gewicht und wenig verbrauchtes Volumen. Um das Potenzial zu heben und die Brandgefahr durch einen Eisendurchschlag zu vermeiden gilt es, Sicherheitsrisiken durch spezielle Hard- und Software auszuschließen.

Der Haken an den meisten Lithium-Ionen-Akkus ist die geringe tatsächlich nutzbare Kapazität. Meist lassen sich de facto nur etwa maximal 80 Prozent der enthaltenen Ladung auch für die Stromeinspeisung nutzen. Darüber hinaus besteht ein weiteres Problem: Wenn Anwendungen oder Nutzer häufig das Maximum aus ihrem Akku herausholen und der Ladestand so unter eine Marke von etwa 20 Prozent fällt, nimmt die zur Verfügung stehende Gesamtkapazität langsam aber sich ab. Der Tank wird sozusagen kleiner. Doch selbst bei pfleglicher Handhabe klafft nach wie vor eine deutliche Lücke zwischen Brutto- und Nettokapazität.

Speicherkapazität besser genutzt

An diesen beiden Stellen zeigt die Lithium-Titanat-Technologie einige ihrer Stärken: Entsprechend aufgebaute Akkus sind in der Lage, regelmäßig bis zu 95 Prozent der Ladung zur Nutzung bereitzustellen. In Ausnahmefällen ist sogar eine vollständige Entladung bis zu 100 Prozent möglich. Lithium-Titanat-Akkus lassen sich noch „wiederbeleben“, wenn – etwa durch Anwendungs- oder Regelelektronikfehler – der Ladezustand komplett auf null gefallen ist. Das ist zwar kein empfehlenswertes Szenario, dennoch zeigt es, wozu dieser Zelltyp in der Lage ist, wenn es darauf ankommt. Viel gravierender sind die Folgen jedoch für andere Zelltypen. Bei Erreichen der Nullschwelle bleibt für solche Batterien nur noch der Sondermüll.

Als Nachteil der Technologie gilt ihre niedrigere Energiedichte. Das bedeutet, dass Gewicht und Volumen bei identischer, realer Kapazität etwas größer sind. Damit ist ein Einsatz im Bereich mobiler elektronischer Geräte oder in Elektroautos zwar weniger sinnvoll. Dennoch ist die Palette möglicher Anwendungsfälle enorm: Seien es elektrisch betriebene Busse, Schiffskräne, dezentrale, netzlose Straßenbeleuchtungen oder stationäre Heim- und Industriespeicher. Für all diese Szenarien spielen Gewicht und Größe eine untergeordnete Rolle. Für die genannten Anwendungen zählt jedoch noch ein weiterer Faktor, wenn es um einen möglichst großen energetischen „Return on Invest“ geht: Die Anzahl der möglichen ­Ladezyklen.

Mehr Ladezyklen

Gerade in diesem Punkt vermag die Lithium-Titanat-Technologie zu punkten: Sie bietet neben der großen nutzbaren Kapazität auch eine im Vergleich zu anderen Akku-Konzepten unerreicht hohe Zahl von 15.000 Be- und Entladezyklen. Andere Lithium-Ionen-Akkus sind lediglich in der Lage, etwa 6000mal be- und entladen zu werden und das auch nur mit einer Entladetiefe von 70 bis 80 Prozent. In dieser Hinsicht fallen die aus der guten alten Autobatterie bekannten Blei-Akkus weit zurück: Nur etwa 2500 Zyklen sind möglich, und auch das nur unter Laborbedingungen. Wegen der meist nicht berücksichtigten Mikrozyklen – Stichpunkt unterbrochene Sonnen­einstrahlung – liegt die tatsächliche Zyklenzahl meist niedriger. Bei Blei-Akkus ist ein Wert von rund 600 Zyklen realistisch.