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Batteriespeichersysteme: Die Leiden des Alters

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Beantwortet 6, Aug 2014 von Armin Schmiegel (113 Punkte)
Bearbeitet 1, Sep 2014 von Armin Schmiegel

Batteriespeichersystene: Über die Lebensdauer der Batterien machen sich viele Illusionen. Zu riskieren oder gar einzuplanen, dass nach zehn Jahren Batterien getauscht werden müssen, könnte auch ein Fehler sein. Warum erklärt Armin Schmiegel von Bosch Power Tec.

Wie lange eine Lithium-Ionen-Batterie lebt, ist von entscheidender Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit von Photovoltaik-Speichersystemen. Zugleich stellt sie meistens eine große Unbekannte dar, da Herstellerangaben fehlen oder unvollständig sind. Umso wichtiger ist es, die Alterungsmechanismen zu kennen. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen zwei Alterungseffekten: Der Zyklenalterung und der kalendarischen Alterung.

Die Zyklenalterung beschreibt die Alterung aufgrund der Zyklisierung der Batterie, das heißt der Be- und Entladung. Sie stellt also den Anteil der Alterung dar, der sich durch die Nutzung der Batterie ergibt.

Ursachen für diese Alterung sind chemische und mechanische Abnutzungseffekte, wie beispielsweise die thermische Ausdehnung oder Dendritenwachstum. Die Zyklenalterung hängt primär von der Entladetiefe, dem „Depth of Discharge“, kurz DoD, ab. Je höher die Entladungstiefe, desto geringer die Zahl der möglichen Zyklen. Da eine hohe Entladungstiefe, eine längere und intensivere chemische und mechanische Beanspruchung des Materials darstellt. Dabei ist dieser Zusammenhang nicht linear, d.h. eine Halbierung der Entladungstiefe erhöht die Zahl der möglichen Zyklen um mehr als das Doppelte. Daher werden nur in sehr wenigen Anwendungen Entladungstiefen von 90%-100% verwendet, da hier die Zyklenalterung besonders hoch ist.

Üblicher Weise spricht man von einem Zyklus, wenn eine bestimmte Energiemenge in den Speicher geladen und auch wieder herausgeholt wurde. Mit dieser Definition ist die Entladungstiefe folglich der Anteil dieser Energie im Bezug auf die Gesamtkapazität. In der Anwendung wird dieser Zyklus jedoch durch eine Vielzahl von kleineren Zyklen überlagert. Wird z.B. ein großer Verbraucher kurzzeitig eingeschaltet wird der Ladevorgang der Batterie unter Umständen unterbrochen und die Batterie wird stattdessen entladen, wenn nicht genug Solarstrom zur Verfügung steht. Diese Entladung wird dann im weiteren Tagesablauf wieder kompensiert, d.h. neben den großen Tageszyklus wird der Speicher mit sehr vielen, verschiedenen kleineren Zyklen belastet. Um Aussagen über die reale Alterung zu treffen, sind daher umfangreiche Analysen der Zyklenbelastung unter Berücksichtigung aller Zyklen nötig. Labormessungen haben dabei gezeigt, dass bei hochwertigen Lithium-Ionen Zellen der Einfluss dieser kleinen Zyklen auf die Alterung eher gering ist und in erster Näherung eine Betrachtung der großen Zyklen für eine erste Abschätzung der Systemlebensdauer sinnvoll ist.

Bedeutung der Messergebnisse

Die Zyklenalterung ist jene Zahl, die von den meisten Herstellern angegeben wird. Sie lässt sich durch systematisches Be- und Endladen in einem relativ überschaubaren Testverfahren ermitteln. Bei Lithium-Ionen Batterien liegen die Zyklenzahlen bei 500-1000 Vollzyklen bei Consumer-Zellen. Bei hochwertigen Industriezellen können Zyklenzahlen von über 7000 Vollzyklen nachgewiesen werden.

In Abbildung 1  sind Messungen für Industriezellen und Consumerzellen mit einer Entladungstiefe von 100% dargestellt. Weiterhin sind Messergebnisse von  Zellen dargestellt, die im BPT-S 5 Hybrid der Bosch Power Tec verwendetet werden. Diese Messungen wurden mit einer Entladungstiefe von 60% durchgeführt.

Anders, als im Automotive-Bereich oder bei Blei-Batterien hat es sich bei PV-Speichersystemen mit Lithium-Ionen Speicher eingebürgert, dass man nicht bei 80% sondern erst bei Erreichen von 70% der Ursprungskapazität von einer defekten Zelle spricht. Dies liegt zum einen daran, dass bei diesen Anwendungen mit geringeren Strömen und damit einer geringeren Zellbelastung gerechnet wird und auch Labormessungen nahelegen, dass eine Erweiterung dieser Grenze sinnvoll ist. Nichtsdestotrotz erreicht die Comsumerzelle bereits nach 800 Zyklen die 70% Grenze, wohingegen die hochwertigen Zellen mehr als 5000 Zyklen erreichen, dies entspricht der benötigten Zyklenzahl für eine Systemlebensdauer von 20 Jahren.

Bei einer Reduzierung der Kapazität auf 80% verdoppelt sich der interne Widerstand einer Zelle. Bei 70% kommt es sogar zu einer weiteren Erhöhung, die zu einer zusätzlichen Erwärmung der Zelle führt, was die Zelle massiv schädigen kann. Es macht daher keinen Sinn, das Alterungskriterium noch weiter zu reduzieren.

Abbildung 1: Zyklenmessung verschiedener Lithium-Ionen Batterien bei unterschiedlichen Temperatur und Endladungstiefen. Typ 1 bezeichnet eine hochwertige Industriezelle, Typ 3 eine Consumerzelle. Zusätzlich wurden Zyklenmessung eine Zelle, wie sie im BPTS 5 Hybrid von Bosch verwendet wird, dargestellt. Alle Messungen wurden von der RWTH Aachen durchgeführt.

Der zweite Alterungsmechanismus ist die kalendendarische Alterung. Diese beschreibt den Verlust an Kapazität aufgrund reiner Alterungseffekte. Ursache sind hier chemische Zerfallsprozesse, die das Anoden- und Kathodenmaterial oder aber das Elektrolyt angreifen.

Die große Unbekannte

Die kalendarische Alterung wird nur in wenigen Fällen von Herstellern genannt. Während bei Commercial-Zellen, die eine Lebensdauer von zwei bis fünf Jahren haben, diese Lebensdauer noch gemessen werden kann. Gibt es nur wenige Batteriehersteller, die in der Lage sind, belastbare Aussagen über die kalendarische Lebensdauer zu liefern.

Der Nachweis ist relativ schwierig, da die Messungen über einen sehr langen Zeitraum durchgeführt werden müssen. In Abbildung 2sind Messungen für Consumerzellen und Industriezellen bei hohen Temperaturen und unterschiedlichen Ladezuständen dargestellt. Zur Auswertung dieser Temperaturtest kann das Arrhenius-Gesetz herangezogen werden. Diese Umrechnung ist zwar unter Experten umstritten, kann aber als eine erste Näherung durchaus verwendet werden. Das Arrhenius-Gesetz besagt, dass jede Reduzierung der Temperatur um 10° einer Verdopplung der Lebensdauer einhergeht. Bezogen auf die in Abbildung 2dargestellten Messungen würden Messungen bei Zimmertemperatur viermal so lange dauern. Die Typ 1 Batterie könnte demnach 20 Jahre kalendarisch überdauern. Typ 3 und die im BPTS Hybrid verwendete Zelle könnten sogar deutlich länger als 20 Jahre kalendarisch halten. Extrapoliert man hier die kalendarische Alterungsdauer, so kommt man auf eine Lebensdauer von über 30 Jahren.

Abbildung 2: Messung der kalendarische Lebensdauer verschiedener Lithium-Ionen Zellen. Die Messungen wurden am Institut ISEA der RWTH Aachen durchgeführt.

 

Wie wirkt sich die Alterung der Zellen auf die Wirtschaftlichkeit des Systems aus? Grundsätzlich führt die Alterung des Speichers zu einer Kapazitätsreduzierung. Wenn nicht mit einer Alterungsreserve gearbeitet wird, die diesen Verlust kompensiert, verringern sich im Lebenszyklus die Eigenverbrauchsquote und die Autarkierate. Gleichzeitig steigen die Strompreise und somit der Wert der gespeicherten Kilowattstunde. Geht man von einem Strompreis von 28 Cent pro Kilowattstunde aus, so entspricht im Jahr 2013 ein Verlust der nutzbaren Kapazität von 30% einem Wertverlust von 9ct/kWh. Bei einem Strompreis von 43 Cent pro Kilowattstunde, was einer mittleren Preissteigerung von 2,4 Prozent und einer Inflation von 2 Prozent über zehn Jahre entspricht, kostet der Kapazitätsverlust bereits 13ct/kWh und bei einem Strompreis von 66 Cent pro Kilowattstunde, das heißt 20 Jahre, liegt der Verlust bei 20 Cent pro Kilowattstunde. Auch wenn in der Strompreis vielleicht nicht ganz so stark steigt und Netzgebühren anders umgelegt werden könnten, ist das Prinzip offensichtlich. An dieser Rechnung erkennt man, dass der Speicher am Ende des Lebenszyklus am wertvollsten ist. Vor diesem Hintergrund ist ein vorzeitiger Verlust der Kapazität oder gar der vorzeitige Ausfall zu vermeiden. Es macht daher durchaus Sinn, mit einer großzügiger bemessenen Alterungsreserve bzw. niedrigeren Entladungstiefen zu arbeiten, um möglichst lange Speicherlebensdauern zu gewährleisten. Die umgekehrte Strategie, den Speicher bereits ab dem ersten Betriebsjahr voll zu zyklisieren, führt nach den oben dargestellten Überlegungen eher zu einem Verlust.

Die in Abbildung 1und Abbildung 2dargestellten Messungen bezogen sich auf eine einzelne Zelle. In realen Systemen sind jedoch sehr viele Zellen verbaut. Eine Reihe von Herstellern verwendet kleine Zellen der 18650er Bauweise. Diese werden oftmals in der 4p10s-Verschaltung zu Modulen zusammengestellt, d.h. in einem Modul werden 4 parallele Stränge mit 10 seriell verschalteten Batteriezellen installiert. Ein Speichersystem mit ca. 4-5kWh installierte Kapazität hat dann ca. 120-140 Zellen verbaut.

Alternativ verwenden einige Hersteller Zellen einer größeren Bauweise. Im BPT-S Hybrid von Bosch sind beispielsweise 14 Zellen in einem Modul seriell verschaltet. Ein Speichersystem mit 4-5 kWh hat somit 28-36 Zellen.

Mit der Zahl der verwendeten Zellen, steigt auch die Anforderung an die Qualität in der Herstellung und in der Alterung. Grundsätzlich dominiert in einer seriellen Vorschaltung stets die schwächste Zelle das Verhalten der gesamten Batterie. Sie dominiert die Gesamtkapazität und die Häufigkeit von Ausgleichszyklen, die zu einer fortschreitenden Alterung der Zellen führt.

Es ist daher extrem wichtig, dass gerade bei Systemen mit sehr vielen Zellen, die Streuung von Kapazität und internen Widerstand in der Herstellung möglichst gering gehalten wird.

Alterungseffekte summieren sich

Die tatsächliche Alterung der Batterie ergibt sich als Summe dieser beiden Alterungseffekte. Daher müssen auch stets beide Effekte beachtet werden. In Abbildung 3ist dies schematisch dargestellt. Als Maß für die Alterung einer Batterie hat sich der „State of Health“, kurz SoH etabliert. Er hat einen Wert von eins, wenn die Batterie neu und einen Wert von Null, wenn die Batterie eine Kapazität von 70 Prozent der Ausgangskapazität hat. Dieser Wert wird anteilig durch die Zyklenalterung „acyl“ und die kalendarische Alterung „acycl“ reduziert. Da beide Alterungseffekte auf unterschiedlichen physikalisch-chemischen Prozessen basieren, addieren sich beide Alterungseffekte zur Gesamtalterung.

Angenommen eine Batterie hätte 2.500 Zyklen und eine kalendarische Lebensdauer von zehn Jahren. Dann würde die Batterie bereits nach fünf Jahren ihr Lebensende erreicht haben, denn aufgrund der kalendarischen Alterung hätte die Batterie bereits 15 Prozent der Anfangskapazität verloren, aber in fünf Jahren wäre auch 15 Prozent der Anfangskapazität aufgrund der Zyklisierung verloren gegangen.

Abbildung 3: Zeitlicher Verlauf des „State of Health“ (SOH), der Zyklenalterung und der kalendarischen Alterung über 20 Jahre. 

Damit also die Batterie die vollen zehn Jahre hält, müsste die kalendarische Lebensdauer bei 20 Jahren und die Zahl der Zyklen bei 5.000 Zyklen liegen. Dies impliziert, dass die Qualitätsanforderungen an die Batterie nicht hoch genug sein können. In der pv magazine Marktübersicht haben viele Hersteller angegeben, das die kalendarische Lebensdauer 20 Jahre oder weniger ist. Wenn diese Angaben stimmen, müssen diese Geräte dann schon deutlich unter 70 oder 80 Prozent Kapazität gefallen sein.

Zum vollständigen Artikel im PV-Magazine gelangen Sie hier

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Beantwortet 7, Aug 2014 von Erik Liebert (454 Punkte)
Den dargestellten theoretischen Fachvortrag habe ich schon einmal gehört. Nun klingt das ein bischen nach Werbeveranstaltung für Bosch Speichersysteme (sorry wenn ich das so deutlich sagen muss).

Was ich an der Sache bedenklich finde: Bosch PV Kollektoren, obwohl technisch überaus ausgereift, wurden vom Konzern abgestoßen aufgrund permanenter Verluste dieser Sparte.

Bosch Speichertechnik ist ebenfalls stark verlustbehaftet. Was habe ich davon, wenn ich einen Speicher erwerbe, bei dem in 5 Jahren ein Teil defekt geht ( z. B. die Batterie)  und der Hersteller ist nicht mehr aktiv?

Aus dem Beispiel Elektroauto habe ich nunmehr als Nutzer seit 2010 eine gewisse Langzeiterfahrung, immerhin ist das Gefährt 4 Jahre alt. Die SOH, also die Battteriegesundheit, wird beständig vom System gemessen und die Kapazitäten der einzelnen Zellen miteinander verglichen, die jeweils stärkste und schwächste wird angezeigt.

Nach 4 Jahren ist die SOC Anzeige noch bei 99% und ich habe auch keine Reichweitenverluste.

Die verwendete Zelle ist eine günstige chinesische LiFePo4 Zelle, ein Datenblatt hierzu habe ich nirgendwo auftreiben können ( Hersteller ShinZen...) .

Aber wenn man den Argumentationen des Berichtes folgen kann würde ich diese Zelle nicht als Industriezelle sondern günstige Consumerzelle einstufen. Wobei hier vollkommen die Definition fehlt. Ich würde eine Lithium Polymer Zelle als minderwertiger einordnen, so etwas wird ja auch von einigen Speicherherstellern verbaut.

Letztlich entsteht der "alterungsfördernde" Stress bei einer Lithiumzelle in hoher Stromlast, gerade auch in Kombination mit Temperaturlast ( grade Kälte) und betreiben bis an die Grenzbereiche. Es gibt Elektroautos mit kleinem Lithiumakku, die damit auch grade in diese Grenzbereiche oft hereinrutschen und schon nach 2 Jahren Akkutauschfällig sind.

Nur ist im Residentialbereich ja kaum Stress für die Zelle zu erwarten. Es wird ein verhältnismäßig geringer Strom entnommen, es sind wenige Peaks sondern eher eine durchgängige Abnahme und die Zelle hat kaum Temperaturstress da sie im Winter im warmen Haus steht.

Es gibt ja sogar Homesystems Hersteller, die Automobil oder Fahrradzellen mit 70% SoC im Homesystem ein zweites Leben genehmigen.

Aus vorgenannten Gründen würde ich also der vorhergehenden Argumentation für ein Residentialspeichersystem nicht ganz zustimmen.Im Automobilbereich kann das eher zutreffen, ich gehe davon aus, dass die Tests wahrscheinlich auch nicht mit dem Homestress sondern unter extremeren Bedingungen gefahren wurden.

Entsprechend würde ich für ein Homesystem, wo eh weniger Kapazität zu einem deutlich höheren Preis als im Kfz Bereich verkauft wird, doch auch unter dem Aspekt der Wirtschaftlichkeit nicht der allerteuersten Zelle den Vorrang geben, sondern hier ist die intelligente Be- und Entladung des Speichers doch viel wichtiger.

Grade auch unter dem Aspekt der viel verkündeten Kostenpotentiale im Speicherbereich wird sich jemand, der jetzt eine "Premiumindustriezelle" für waghalsige 2000 €/KWh einkauft, obwohl ich doch die reine LiFePo4 Zelle für um 600-800 €/KWh so kriege und dann noch ein angenommenes Kostenreduktionspotential von bis 60% innerhalb der nächsten 5-10 Jahre betrachte, mich dann in 10 Jahren tierisch ärgern, wenn der Nachbar für die gleiche Speicherkapazität die Hälfte ausgegeben hat und a) dessen Speicher noch genau so gut läuft oder b) er neue Zellen für 1/3tel der heutigen Kosten mit deutlich besseren Werten erhält.

Genaueres kann man eh erst in 10 Jahren sagen, aber aus meiner 4 jährigen E- Autobatterieerfahrung kann ich das vorgetragene nun nicht  100%ig bestätigen, und wenn man andere Nutzer aus der eMobilität anspricht, denn hier liegen ja nun wirklich mehrjährige Erfahrungen vor, dann ist das da ähnlich. Auch aus dem Modellbaubereich kennt man die Lithiumzelle ja nun seit einigen Jahren und geschädigt hat man diese doch eher immer nur durch falsches Laden oder Entladen oder massive Überlastung und Stressung.

Also zusammenfassend aus diesem Bericht einfach noch einmal die Frage: Wie definiere ich eine Industriezelle und wie iene Consumerzelle? Ich habe da nirgendwo eine Definition gefunden und deshalb sehe ich den Vergleich eher als für mich nicht belastbar. Wo sollen denn Consumerzellen verbaut sein und welche sind nach welchen Kriterien so benannt?
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