Erstellt von Marcus | 21.02.2020
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Dröseln wir die beiden Speicher-Technologiegruppen Lithium und Blei in diesem Beitrag auf und klären Vorteile und Nachteile. Auch in Bezug auf Spannung, Sicherheit und Ladezyklen. Was ist besser für den Photovoltaik Heimspeicher?

Inhaltsverzeichnis:Begriffsdefinition und Formeln:

A = Ampere
Ah = Amperestunden
mAh = Milliamperestunden
W = Watt
Wh = Wattstunden
kWh = Kilowattstunden

1 Ah = 1.000 mAh
1 kWh = 1.000 Wh bzw. 1.000.000 mWh

Watt (W) = Spannung (in Volt) x Strom (in Ampere)

Wattstunden (Wh) in Amperestunden (Ah) umrechnen: Wh = Ah x Volt
Amperestunden (Ah) in Wattstunden (Wh) umrechnen: Ah = Wh : Volt

Lithium Akkus - Typen, Zellverbund (S und P) und das Wort Battery

Die Lithium-Ionen Technik hat heute einen sehr breiten Einsatzbereich in der Konsumer-Elektronik.
Smartphones, Taschenlampen, Küchenwagen, Notebooks, Uhren uvm. Aber auch E-Autos und in Heimspeicher für Photovoltaikanlagen finden diese Anwendung. Die bekanntesten sollten die 18650 Rundzellen sein. U.a. sind diese in Notebooks und auch in den Fahrzeugen von Tesla (bis Jahr 2020) verbaut.

Dabei gibt es verschiedene Lithium-Ionen Technologien. Zudem unterscheiden wir zwischen Wiederaufladbare (Akku) und nicht Wiederaufladbare (Batterie) Zellen.

Der Begriff Batterie wird oft falsch verwendet. Verschuldet ist dies auch aus dem englischen Begriff Battery, der nicht zwischen aufladbar und nicht aufladbare Zellen oder Zellverbunde unterscheidet (ausgenommen rechargeable Battery und not rechargeable Battery).

Ebenso wird ein Zellverbund als Batterie bezeichnet. Dies besteht aus einzelnen Zellen, einem Gehäuse und ggf. mit zusätzlicher Elektronik zur Überwachung der Einzelzellen, Ladung und Entladung. Beispiel: E-Auto Batterie - diese "Batterie" besteht aus wiederaufladbaren Einzelzellen, Elektronik und ggf. einer Heizung und Kühlung.

Akkupack des Notebooks: Lithium Ionen Akkus Hier ein 3S2P Li-Ion aus dem Notebook. Häufig zeigt das Notebook an, dass der Akku kaputt ist. Dem ist aber nicht so, sondern eine Zelle ist oft nur etwas weiter entladen und das BMS regelt das nicht mehr. Diese Zellen kann man einzeln nachladen (4,2V bei Li-Ion). © Wohnen-Heimwerken.de

Akkupack des Notebooks: Lithium Ionen Akkus
Hier ein 3S2P Li-Ion aus dem Notebook. Häufig zeigt das Notebook an, dass der Akku kaputt ist. Dem ist aber nicht so, sondern eine Zelle ist oft nur etwas weiter entladen und das BMS regelt das nicht mehr. Diese Zellen kann man einzeln nachladen (4,2V bei Li-Ion).

S und P - Series and Parallel
Der Verbund von Einzelzellen werden mit einem S und P, jeweils dahinter mit einer Zahl, gekennzeichnet. Dabei steht S für die Zellen in Reihenschaltung (Series) und das P für die Parallelschaltung (Parallel).
Ein Li-Ionen Akku mit z.b. 3S2P gibt an, dass es 3 Zellen in Reihe sind. Zu jedem dieser in Reihe geschalteten Akkus gibt es einen weiteren, welcher parallel geschaltet ist (2P). In der Reihenschaltung addiert sich die Spannung, in der Parallelschaltung die Stromstärke / die Kapazität.

Im obigen Bild ist ein 18650 Li-Ion Akku aus dem Notebook, dies ist ein 3S2P.

Beispiel: Ein Li-Ion Akku mit 2300mAh hat 3,7V Nennspannung. Ein 3S2P besitzt dann: 3 x 3,7V = 11,1V und 2 x 2300mAh = 4600mAh. Insgesamt also 11,1V 4,6Ah.
Das Ganze in Wattstunden (Wh): 4,6Ah x 11,1V = 51,06 Wh bzw. 0,051 kWh.

Link-Tipp: Unter Tools gibt es einen Rechner zum Berechnen der Ladezeit von Akkus.

Lithium Technologien (Chemie)

Nachfolgend die verbreitetsten Lithium-Ionen Chemien.
  • LiFePO4 - Lithium Eisenphosphat
  • LiMnO2 / LiMn2O4 - Lithium Mangan
  • LiCoO2 - Lithium Cobaltdioxid
  • LiNiMnCoO2 - Lithium Nickel Mangan Cobalt
  • Li4Ti5O12 - Lithiumtitanat
  • LiNiCoAlO2 - Lithium Nickel Cobalt Aluminium
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Blei Akkus - Welche Typen gibt es?

Die bekanntesten Blei-Technologien:
  • Blei-Säure - beschreibt die ganze Palette Blei-Akkus
  • Blei-Gel - in Gel gebundene Säure
  • Blei-AGM - Absorbed Glassmatt (Blei-Fließ)
Zudem gibt es einen Unterschied zwischen Starter-Batterien und Versorgungsbatterien. Auch Solarbatterien sind letztendlich Versorgungsbatterien.

Starter-Batterien haben viele dünne Blei-Platten, um einen hohen Strom liefern zu können. Der Anlasser des Autos benötigt gut und gern mal 300 Ampere. Versorgungsbatterien haben hingegen weniger, dafür dickere Blei-Platten pro Zelle.
Ein 12V Akku hat immer 6 Zellen.

Der Peukert-Effekt ist deutlich höher als bei Lithium. Die Lade- und Entladekurve unterscheiden sich stark voneinander, bei Lithium ist diese fast gleich. D.h. auch die Ladeverluste sind bei Blei-Akkus höher.
Die Kapazität sinkt außerdem stärker mit zunehmenden Entladestrom. Bei Lithium gibt es weniger Entladeverluste (Peukert-Effekt).

Wikipedia: Peukert Effekt

Batterie Laden, frisch halten und Lebensdauer erhöhen Eine von mir umgerüstete kleine 12V Motorrad Batterie mit Alaun statt Batteriesäure im Dauerversuch der Solaranlage. Hier am Frischhalter angeschlossen. © Wohnen-Heimwerken.de

Batterie Laden, frisch halten und Lebensdauer erhöhen
Eine von mir umgerüstete kleine 12V Motorrad Batterie mit Alaun statt Batteriesäure im Dauerversuch der Solaranlage. Hier am Frischhalter angeschlossen.

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Systemspannung der Photovoltaikanlage - welcher Speicher ist passender?

Viele Bauteile der PV-Anlage sind noch immer auf Blei-Akkus ausgelegt. Bei guten Ladereglern kann zwischen einzelnen Akku-Technologien unterschieden und auch die Ladeschlussspannung eingestellt werden. Mein MPPT Laderegler von Victron macht das schon ziemlich perfekt.

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Ein Manko bei Lithium-Akkus ist die Zelltechnologie, welche in den wenigsten Ladereglern genauer definiert werden kann. Zudem die Zellen in Reihe (S), welche die Systemspannung vorgeben, kann nur über die Ladeschlussspannung eingestellt werden. Hat man sich nicht etwas mit dem Thema auseinander gesetzt und schließt einfach den Laderegler an den Lithium-Akku an, so kann das böse Folgen haben. Blei-Akkus hingegen verzeihen da sehr viel mehr.

Das Problem geht weiter bis zum Wechselrichter.
Diese haben ein Überspannungs- und Unterspannungsschutz. Gravierend ist mir das bei 12V Li-Ion Systemen aufgefallen. Ein 4S Akku (Ladeschlussspannung 16,8V) hat eine zu hohe Spannung. Ein 3S Akku mit der Ladeschlussspannung von 11,1V wäre passender. Jedoch wird bei solch einem Akkupack (3S) nicht volle Kapazität des Akkus ausgenutzt. Die übliche Unterspannungsgrenze von 10,8V des Wechselrichters wären dann pro Zelle 3,6V, welches nur knapp unter der Nennspannung ist. Eine Entladung bis 3V sind für Li-Ion kein Problem. Einige können auch bis 2,75V entladen werden. Siehe dazu ins Datenblatt der verbauten Zellen (die Zellen-Kennnummer einfach in die Web-Suchmaschine eingeben).

Um die Probleme beim Wechselrichter zu lösen, gibt es zwei Möglichkeiten.

1. Möglichkeit:
24V System bei Li-Ion Akkus nutzen. Dies sind 7 Zellen in Reihe. Die Ladeschlussspannung liegt dann bei 29,4V, bei Blei 28,8V (2x14,4V). Bei 3V pro Zelle (Li-Ion) Entladung wäre die Gesamtsystemspannung 21V. Bei Blei wäre das 21,6V (2x10,8V).

2. Möglichkeit:
Bei einem 12V System nicht Li-Ion, sondern Li-Po nutzen. Die Nominalspannung einer Zelle liegt bei 3,2V, sodass bei 4 Zellen in Reihe eine Systemspannung von 12,8V wäre. Das entspricht auch im etwa die Spannungen von Blei-Akkus.

Kurz gesagt, ist der Einsatz von Li-Ionen Akkus in einem 12V System nicht empfehlenswert. Ein 3S ist zu klein, der 4S zu groß. Leider bieten die meisten 12V Akkus, die ein ähnliches Gehäuse wie Blei-Akkus haben, einen 3S Akku.
Das weitere Problem einer niedrigen Spannung sind die hohen Ströme. Die Kabel müssen also schon sehr dick sein und auch die Klemmen/Ringkabelschuhe sollten entsprechend dick ausfallen.

Das Problem mit der Unterspannungsgrenze von Wechselrichtern macht aber auch vor den Blei-Akkus nicht halt. Es gibt verschiedene Deep-Cycle Akkus, welche tiefer entladen werden können. Am Ende wirkt sich das trotzdem auf die Lebensdauer aus. Ein 12V Akkus bis auf 10,8V herunterzufahren (das entspricht fast 0% Kapazität/SOC), ist nicht gut. Der Akku sulfatiert und büßt unter anderem sehr viel Kapazität und Power ein.

Bei der Lebensdauer sprechen wir von der Alterung und dem Zustand. Es gibt zum einen eine kalendarische Alterung. Zum Anderen die mechanische Alterung durch Ladezyklenzahl und Belastung.

Empfehlungen von mir zum richtigen Akku:
Zuvor müssen wir zwischen 12V und 24V Systemen unterscheiden.
Da ich viele Jahre Blei-Akkus genutzt habe und einige noch immer im Einsatz sind, möchte ich dir von dieser alten Technologie abraten. Zumindest in der PV Anlage. Dazu schreibe ich weiter unten die genauen Gründe!

Für 12V und 24V Systeme empfehle ich LiFePo4 Akkus. Diese sind bezahlbar geworden, sehr sicher und die Spannung passt. Für 12V werden 4 Zellen in Reihe, bei 24V dann 8 Zellen in Reihe benötigt. Die Ladezyklen sind ebenfalls perfekt in der PV Anlage und diese Akkus sollten sicher 30 Jahre oder länger halten. Beachte, dass wenn du zwei fertige 12V LiFePo4 Akkus kaufst, dass auch zwei in Reihe geschaltet werden können. Das steht im Datenblatt und liegt am BMS, ob es den Strom für den Zellenverbund sperren kann.

Auch günstiger sind die 18650 Li-Ion Akkus geworden. Bei einem Selbstbau, welcher ziemlich aufwendig ist und ich diesen eigentlich nicht empfehlen kann, solltest du diese nur in einem 24V oder 48V System nutzen. Für 24V dann 7 Zellen in Reihe. Ein gutes und starkes BMS (Battery Management System) ist absolut notwendig! Diese Zellen sind gefährlich. Ebenso muss die Temperatur beim Laden überwacht werden.
Eine gute Fertig-Batterie hat ein BMS mit Temperaturüberwachung. Wie weiter oben beschrieben, sind aber nur 3 Zellen in Serie geschaltet, sodass dies ein 11,1V (Nominalspannung) Akkupack ist. Nutzt du zwei solcher Batterien in Reihe, sind dies 22,2V bzw. 6 Zellen in Reihe. Hier solltest du lieber eine 24V Batterie kaufen, welche 7 Zellen in Reihe hat. Dann ist das ganze auf effektiv nutzbar und schon deutlich sicherer.

Beachte bei Li-Ion immer, dass der Laderegler ordentlich eingestellt werden muss! Im Datenblatt des Akkus sollte die Maximalspannung/Ladeschlussspannung (bei SOC 100%) stehen.

SOC steht für State of Charge, zu deutsch: Status der Ladung bzw. Ladefüllstand.

Falls ich noch genauer auf Blei-Akkus eingehen soll, so schreibe mir das bitte unten im Kommentarbereich.

Vorteile und Nachteile von Lithium-Speicher - gegenüber Blei

Die Vor- und Nachteile sind sehr allgemein gehalten. Es gibt viele Zellchemien. Die einen sind sicherer als andere.

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Vorteile von Lithium:
  • Hohe Energiedichte: die Zellen sind leicht und klein
  • Spannungsstabilität: wenig Schwankung der Spannung bei laden/entladen und Ruhespannung
  • deutlich höhere Zyklenzahl: Die Lebensdauer schwankt zwischen 1000 und 3000 Ladezyklen, je nach Technologie und können bis zu 30.000 Zyklen halten
  • Wie ein Schwamm: hohe Lade- und Entladeströme möglich, deutlich weniger Ladeverluste als Blei (ca. 10%, bei Blei bis 30%)
Nachteile von Lithium:
  • Preis: die meisten Lithium-Akkus sind noch recht teuer, machen dies mit Zyklenzahl und Energiedichte wieder wett
  • Elektronik erforderlich: zur Überwachung der Einzelzellen ist ein Batteriemanagement System absolut notwendig
  • Erprobung: vielversprechend neue Lithium-Technologien haben noch keine Langzeiterprobung

Vorteile und Nachteile von Blei-Akku-Speicher - gegenüber Lithium

Vorteile von Blei:
  • Sicherheit: gelten als problemlos was die Ladung betrifft
  • Zellüberwachung durch Elektronik nicht erforderlich, eine leichte Gasung gleicht die Zellen aus
  • Kosten und Anschaffung: die Anschaffungskosten sind gering, was sich in Zyklen und Entladetiefe wieder relativiert. Diese Akkus bekommt man sehr einfach, sogar in größeren Discountern
  • Kompatibilität: in PV Anlagen sehr einfach nutzbar, ebenso viele 12V Verbraucher funktionieren gut mit Blei-Akkus
Nachteile von Blei:
  • Ladezyklen: oft nur 300 bis 500 Ladezyklen, gute Versorgungsbatterien bis maximal 1000 Zyklen
  • Sulfatierung: bei häufiger Tiefentladung werden diese Akkus allmählich zerstört, gerade in PV Anlagen werden die Akkus über Nacht geschwächt
  • Gewicht: 2,4kWh (200Ah 12V) wiegen ca. 40 kg, effektiv Nutzbar sind jedoch 1,2kWh (50%)
  • Gasung: es kann sich Knallgas bilden, welches entzündlich ist. Bei Gel-Akkus passiert das nicht so extrem, dafür kann kein Wasser nachgefüllt werden, welches den Akku damit unbrauchbar macht

Meine Erfahrungen und Fazit

Nun nutze ich seit vielen Jahren schon Blei-Akkus in meinen Photovoltaik-Anlagen. Die Akkus halten auch, wenn man bei der Entladung Kompromisse eingeht. Über Nacht müssen die Akkus geschont werden, damit die Sulfatierung, welche bei ca. 12,2V einsetzt (bei einem 12V Akku), nicht eintritt. Bei der Alterung und Sulfatierung kann sich das Blei auflösen. Es fällt zum Batterieboden und verursacht einen irreparablen Zellenkurzschluss. Die Ruhespannung eines Blei-Akkus liegt bei ca. 12,5V.

Das größte Problem ist tatsächlich aber der Zyklus. Ein Hausspeicher ist dafür gedacht, die Nacht mit gespeichertem Strom vom Tag zu überstehen. Bei Lithium-Akkus ist ein nicht so hoher Ladezustand positiv für die Langlebigkeit. Bei Blei ist genau der Gegenteil der Fall. Blei-Akkus möchten gern immer voll gehalten werden. Das Widerspricht den Einsatz in der Photovoltaikanlage.

Seit einiger Zeit experimentiere ich mit 18650 Li-Ion Rundzellen. Die Ergebnisse sind sehr vielversprechend. Der Anschaffungspreis, wenn man die Wh / kWh mal gegen Blei vergleicht, ist ein Hindernis. Ebenso wie die Elektronik, also das Batterie-Managementsystem (BMS). Dabei vergessen viele, dass die Ladezyklen mindestens die doppelte Anzahl haben und auch der SOC (State of Charge / Ladestand) vor allem in der Solaranlage ausgenutzt werden kann.



In diesem Jahr wechsel ich zu LiFePo4 (Lithium Eisenphosphat). Das hat den Grund, dass gegenüber den Li-Ion Rundzellen (18650) nur wenige Zellen parallel geschaltet werden müssen und die Kapazität einer einzelnen Zelle sehr hoch ist. Einen solchen Akku zu bauen ist recht einfach. Weiterhin kommt die Sicherheit dazu, die mit Blei auf einem ähnlichen Level liegen könnte. Also keine Brandgefahr wie bei anderen Lithium-Akkus.

Falls du noch Fragen oder ich im Beitrag etwas vergessen habe, so schreibe unten in die Kommentare. Schildere auch gern deine Erfahrungen.
Nach bestem Wissen und Gewissen.
Sonnige Grüße, dein Marcus

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