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Sicherheit und Lebensdauer von Heim-Batteriespeichersystemen mit Lithium-Ionen-Zellen
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Akkumulatoren (kurz: Akkus) gibt es schon seit über 100 Jahren. Allerdings gibt es die leichten und mit hoher Energiedichte versehenen Lithium-Ionen-Akkus in Marktreife erst seit Anfang der 1990er Jahre. Damals noch kleine Akkus für Video-Camcorder, heute mit noch kleineren Abmessungen und größeren Kapazitäten in vielen Kleingeräten wie Smartphones, Laptops, Tablets usw., die aber leider meist nach zwei bis fünf Jahren Ihren Geist aufgeben oder zumindest starke Kapazitätsverluste aufweisen. Oder im schlimmsten Fall anfangen zu brennen, ohne dass man sie mit herkömmlichen Mitteln wie Wasser löschen könnte.
In unserem Geschäftsfeld mit an PV-Anlagen gekoppelten Batteriespeichern geht es aber um große, stationäre Stromspeichersysteme mit moderner und hochwertigerer Lithium-Ionen-Technik. Die Hersteller versprechen in ihren Prospekten und Garantiebedingungen höchste Sicherheit und lange Akku-Lebensdauern von 10 bis 20 Jahren.
Über 200.000 solcher Heim-Batteriespeicher stehen mittlerweile in deutschen Haushalten, dem derzeit weltweit größten Heimspeicher-Markt. Der größte Teil von ihnen ist in den letzten drei bis vier Jahren dazugekommen (Stand: 2020). Angesichts der immer stärkeren Verbreitung und positiven Wahrnehmung in der Bevölkerung stellen sich immer mehr Menschen die Frage: Wie sicher sind diese Lithium-Ionen-Speicher und wie lange halten diese eigentlich wirklich? Nicht nur wir beschäftigen uns seit Langem mit diesem Thema, sondern auch Installateure, Hersteller, Verbände, Universitäten/FH und verschiedenste Institute.
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Eine sehr aussagekräftige Batteriespeicher-Studie hierzu stammt von der VDI Zentrum Ressourceneffizienz GmbH, welche im Auftrag des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit erstellt.
Die tabellarischen Übersichten auf den Seiten 27 und 28 dieser Studie zeigt eindrucksvoll, welche Lithium-Ionen-Zellchemie nicht nur die sicherste und umweltfreundlichste ist, sondern zudem die meisten Ladezyklen - sprich: längste Lebensdauer - erreichen kann. Lithium-Eisenphosphat (LFP) liegen dabei vorne (unten grün umrandet).
Die aus Kosten- und Gewichtsgründen am häufigsten in E-Autos und Solar-Batteriespeichern verbauten Batterien enthalten Zellen mit NMC- und NCA-Zelltechnologie (unten rot umrandet).
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Dabei bedeutet ein Zyklus oder ein Ladezyklus das einmalige komplette Be- und Entladen einer Batterie(zelle). In unserem Anwendungsbereich als Solarbatterie finden in einem Wohnhaus ca. 180 bis 230 Vollladezyklen pro Jahr statt.
Die Vollversion dieser Studie lesen Sie hier.
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Rein rechnerisch bedeuten also z.B. 8.000 Hersteller garantierte Vollladezyklen eine maximale Batterielebensdauer von 34,8 Jahren, wenn die Solarbatterie in einem Privathaushalt pro Jahr 230 Mal be- und entladen wird. Allerdings wirkt dieser zyklischen Lebensdauer die sogenannte kalendarische Lebensdauer (chemische Alterung mit Kapazitätsverlust) entgegen, sodass die Experten-Schätzungen bei maximal 20 Jahren Lebensdauer bei hochwertigen Zellchemien wie Lithium-Eisenphosphat liegen, da diese weniger stark altern (Kapazität verlieren). Die Hersteller geben neben der Zyklengarantie i.d.R. meist 10 Jahre Garantie auf die Kapazität i.H.v. mindestens 80%.
ACHTUNG: Bei Solarbatterie-Herstellern, die NMC- oder NCA-Batterien verwenden und mehr als 2.500 Ladezyklen garantieren, diese Garantie aber auf 10 Jahre einschränken, sollte man aufpassen, da diese Batterien voraussichtlich nicht viel länger als 10 Jahre halten werden. Einfache Beispielrechnung hierzu für die Anwendung im Wohnhaus als Solarbatterie: 230 Ladezyklen x 10 Jahre = 2.300 gesamte Ladezyklen. Das zyklische Lebensende dieser Zellenarten wird voraussichtlich nach 10 Jahren erreicht.
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Die Zellchemie allein sorgt allerdings nicht für 100% Sicherheit im Betrieb, sondern letztlich deren sichere Verpackung in einer Zelle, die wiederum meist hundertfach in einem separat elektronisch und mechanisch gesichertem Batteriemodul sitzt und übergeordnet noch von einem BMS (Batteriemanagementsystem) rund um Uhr u.a. auf Temperatur und Zellspannung lokal und online fern überwacht und bei kritischen Messwertem automatisch abgeschaltet wird. Sollten aber übergeordneten Sicherungssysteme einmal ausfallen oder ein interner Kurzschluss in einer Zelle z.B. aufgrund von Unreinheiten während der Zellproduktion entstehen, so können Besitzer von Batteriesspeichersystemen mit Lithium-Eisenphosphat-Zellen neben der zu erwartenden deutlich längeren Akku-Lebensdauer auch beruhigter schlafen.