3. Auslegung des Energiespeichers

Wie groß muss die Kapazität (C) des Energiespeichers dimensioniert werden?

Das hängt stark von der eingesetzten Speichertechnologie ab. Ebenso wichtig ist bei dieser Frage, ob sich die Zeiten der größten Energieproduktion und die Zeiten des größten Energieverbrauchs ungefähr decken, oder ob sie komplett verschieden sind.

Wenn z.B. die PV-Zellen tagsüber Energie erzeugen und die Energie nicht gleich verbraucht, sondern erst am Abend wieder benötigt wird, muss die gesamte Energie zuerst im Akku zwischengespeichert werden. Bei Bleibatterien liegt der Ladewirkungsgrad bei ca. 75 %, bei LiFePo4 Zellen bei ca. 95 %.

Es hat sich als praktikabel erwiesen, die Energiespeicher so groß zu dimensionieren, dass mindestens drei Tage komplett ohne neue Energieproduktion überbrückt werden können. Im Beispiel sind das mindestens 3 · 200 Wh = 600 Wh an nutzbarer Energie. Bei vielen Energiespeichern wird nicht die speicherbare Energie (E) angegeben, sondern nur die Kapazität (C). Diese berechnet man, indem man die Energie durch die Nennspannung (UNenn) des eingesetzten Energiespeichers teilt: C = E / UNenn

 

I. Blei-Säure-Akkumulator (nach Möglichkeit eine wartbare Langzeitbatterie wählen)

  • Kostengünstig
  • Ladewirkungsgrad: 65 - 90 %
  • Maximale Entladetiefe: 50 % (nur 50 % der angegebenen Kapazität sind nutzbar)
  • Zyklenfestigkeit: 300 - 600 Zyklen
  • Lebensdauer: 3 - 8 Jahre (bis weniger als 80 % der Anfangskapazität nutzbar ist)
  • Selbstentladung pro Monat: 4 - 10 %
  • Energiedichte: 35 Wh/kg
  • Nutzbare Kapazität bei ϑ = - 20 °C: 50 % (der unter 20 °C nutzbaren Kapazität)
  • Entladeschlussspannung: 10,5 V
  • Nennspannung: 12,0 V
  • Ladeerhaltungsspannung: 13,5 - 13,8 V
  • Ladeschlussspannung: 14,0 - 14,4 V

Berechnung der zu speichernden Kapazität:

C = E / UNenn, Blei

C = 600 Wh / 12,0 V

C = 50 Ah = 50000 mAh

 

Ein Blei-Akku kann im normalen Betrieb nur ca. 50 % seiner angegebene Kapazität nutzen, da die Lebensdauer des Akkus sonst stark reduziert wird. Somit muss die Nennkapazität des Akkus doppelt so groß gewählt werden:

C = 2 · 50 Ah

C = 100 Ah

 

Zusätzlich muss man die Energiequellen wegen des schlechten Ladewirkungsgrades ca. 20 - 30 % größer dimensionieren. Zumindest, wenn der Großteil der Energie erst eingespeichert und später wieder abgerufen wird (siehe 2.).

 

 

II. AGM (Absorbent Glas Matt) / VRLA (Valve Regulated Lead Acid)

  • Teuer
  • Ladewirkungsgrad: 90 - 95 %
  • Maximale Entladetiefe: 70 - 80 % (70 - 80 % der angegebenen Kapazität sind nutzbar)
  • Zyklenfestigkeit: 400 - 1200
  • Lebensdauer: 7 - 12 Jahre (bis weniger als 80 % der Anfangskapazität nutzbar ist)
  • Selbstentladung pro Monat: 2 - 4 %
  • Energiedichte: 40 Wh/kg
  • Nutzbare Kapazität bei ϑ = - 20 °C: 55 - 65 % (der unter 20 °C nutzbaren Kapazität)
  • Entladeschlussspannung: 10,8 V
  • Nennspannung: 12,0 V
  • Ladeerhaltungsspannung: 13,2 - 13,8 V
  • Ladeschlussspannung: 14,4 - 14,8 V

AGM Akkumulatoren sind die hochwertigere Alternative zu den normalen Blei-Säure-Akkus. Sie haben eine höhere Lebensdauer, einen hohen Ladewirkungsgrad (> 90 %) und vor allem eine nutzbare Kapazität von bis zu 80 % der angegebenen Kapazität. Außerdem sind AGM Akkus wartungsfrei und die Selbstentladerate ist geringer als bei Blei-Säure-Akkumulatoren.

 

Berechnung der Kapazität:

C = E / UNenn, AGM

C = 600 Wh / 12,0 V

C = 50 Ah = 50000 mAh

 

Der AGM Akku kann im Normalen Betrieb nur ca. 75 % seiner angegebenen Kapazität nutzen. Somit muss die Nennkapazität des Akkus 25 % größer gewählt werden:

C = 1,25 · 50 Ah

C = 62,5 Ah

 

Hier würde man zu einem handelsüblichen 60 Ah oder 70 Ah AGM Akku greifen.

 

 

III. LiFePo4 Akkumulator

  • Sehr Teuer
  • Ladewirkungsgrad: 92 - 98 %
  • Maximale Entladetiefe: 90 - 100 % (90 - 100 % der angegebenen Kapazität sind nutzbar)
  • Zyklenfestigkeit: 1000 - 10000 Zyklen
  • Lebensdauer: 7 - 14 Jahre (bis weniger als 80 % der Anfangskapazität nutzbar ist)
  • Selbstentladung pro Monat: 2 - 5 %
  • Energiedichte: 90 Wh/kg
  • Nutzbare Kapazität bei ϑ = - 20 °C: 50 - 65 % (der unter 20 °C nutzbaren Kapazität)
  • Entladeschlussspannung: 11 V
  • Nennspannung: 12,8 V
  • Ladeerhaltungsspannung: 13,5 V
  • Ladeschlussspannung: 14,0 - 14,4 V (je nach BMS mit bis zu 14,8 V betreibbar)

Der LiFePo4 Akkumulator ist der hochwertigste Energiespeicher, da er eine sehr hohe Energiedichte hat und somit nur rund halb so schwer ist, wie vergleichbare Blei-Akkus. Der Ladewirkungsgrad ist sehr hoch und die angegebene Kapazität kann i.d.R. zu 100 % genutzt werden. Außerdem weißt er die höchste Zyklenfestigkeit auf und hat somit die längste Lebensdauer. Ein Großer Vorteil ist auch, dass der LiFePo4 Akku nicht schneller altert, wenn er längere Zeit in einem teil-entladenen Zustand ist. Blei Akkumulatoren hingegen müssen mindestens alle zwei Monate geladen werden, um im voll geladenen Zustand (> 12,6 V) gelagert zu werden.

 

Berechnung der Kapazität:

Beim LiFePo4 Akku ist durch den hohen Ladewirkungsgrad (Ladeverluste näherungsweise vernachlässigbar) und die große Entladetiefe eine speicherbare Energie von 600 Wh ausreichend.

C = E / UNenn, LiFePo4

C = 600 Wh / 12,8 V

C = 47 Ah = 47000 mAh

 

Hier würde man zu einem handelsüblichen 45 Ah oder 50 Ah LiFePo4 Akku greifen.

 

IV. LiFeYPo4 Akkumulator

Das Yttrium (Y) sorgt dafür, dass dieser Lithium Akku auch bei Temperaturen bis -45 °C noch geladen und entladen werden kann, während der LiFePo4 Akku unter 0 °C nur noch mit sehr geringen Stromstärken geladen werden kann. Ein bekannter Hersteller solcher Zellen ist Winston.

 

V. LiFeMnPo4 Akkumulator

Durch das Mangan (Mn) als Kathodenmaterial kann die kalendarische Lebensdauer eines Lithium Akkus verlängert werden.

 

 

Die angegebenen technischen Daten der Akku-Technologien unterliegen natürlich herstellerspezifischen Schwankungen und dienen lediglich als Richtwerte.

 

Wenn der Energiespeicher aus Kostengründen zuerst kleiner als berechnet Dimensioniert wird, kann dieser jeder Zeit durch die Parallelschaltung weiter Akkus unterschiedlichster Kapazität ergänzt werden (nur die Nennspannung muss mit dem bereits verwendeten Akku übereinstimmen). Auch die Energiequellen können jeder Zeit ohne großen Aufwand erweitert oder ergänzt werden.