Solarspeicher | Produkte, Technologien, Neuheiten und Trends

Details: Veröffentlicht: 02.08.2022; Zuletzt aktualisiert: 21.08.2023; Zugriffe: 5632

Wärme macht in Deutschland 55 % des Endenergieverbrauchs aus. Um das Ziel der Klimaneutralität bis 2050 zu erreichen, ist es dringend geboten, fossile Brennstoffe zur Deckung dieses Bedarfs weitgehend zu vermeiden. Stattdessen muss auf den Energielieferanten Sonne zurückgegriffen werden. Um die gewonnene Energie effektiv zu nutzen, braucht es Solarspeicher. Nachfolgend berichten wir über neue Produkte und Technologien, die den Solarstrom speichern.

Inhalt

Elektroautos als Pufferspeicher für Solarstrom
Solarspeicher auf Basis optimierter Hochleistungsschichten
Archiv für Solarspeicher Neuheiten

Elektroautos als Pufferspeicher für Solarstrom

27.07.2022 | An heißen Sommertagen erzielt der Solarstrom Anteil am Energiemix Rekordwerte. Doch scheint die Sonne nicht, lässt sich mit bidirektionalem Laden der Solarstrom aus der PV-Anlage in Elektroautos und Hausbatterien speichern. Bei Bedarf oder in den Abendstunden wird dieser dann für den Betrieb von Haushaltsgeräten ins heimische Netz zurückgespeist. Das schafft Anreize für den Umstieg auf emissionsfreie Elektromobilität.

Infineon Technologies und Delta Electronics haben hierfür ein Drei-in-Eins System entwickelt. Es integriert Solaranlage, Heimspeicher und Ladestation. Über einen bidirektionalen Wechselrichter wird das Elektroauto geladen und kann zusätzlich zum Pufferspeicher für die Notstromversorgung im Eigenheim werden. Zunehmend mehr Elektroautos sind dafür ausgerüstet. Perspektivisch können mit bidirektionalen Energieflüssen auch neue Vehicle-to-Grid (V2G) und Vehicle-to-Home (V2H) Lösungen umgesetzt werden.

„Um einen nachhaltigen Beitrag zur Dekarbonisierung zu leisten, müssen wir Elektromobilität ganzheitlich denken: von der Erzeugung grünen Stroms über eine stabile, effiziente Netzinfrastruktur bis zu Speicherung und Verbrauch“, sagt Peter Wawer, Leiter der Division Industrial Power Control von Infineon. „Mit unseren Lösungen für bidirektionales Laden kann das Elektroauto zuhause kostengünstig mit Solarstrom geladen werden und gleichermaßen als Pufferspeicher dienen.“

Ein Einfamilienhaus verbraucht täglich im Schnitt 10 bis 15 kWh Energie. Eine voll geladene Autobatterie mit 30 bis 100 kWh Kapazität könnte damit theoretisch einige Tage als Notstromlösung überbrücken. Hausbesitzer sichern sich so günstigen Strom und erlangen mehr Unabhängigkeit in der Stromversorgung.

Ladestecker, Ladekabel | Für das Elektroauto

Bei einer Ausgangsleistung von etwa 10 kW erlaubt das Drei-in-Eins System einen maximalen Dauerstrom von 34 A. Die Spitzenwirkungsgrade betragen mehr als 97,5 %. Zur Erhöhung der Leistungsdichte werden energieeffiziente Halbleiter aus Siliziumkarbid (SiC) von Infineon eingesetzt. Gegenüber siliziumbasierten Halbleitern senkt der Verbindungshalbleiter SiC die Energieverluste beim Umwandeln von Strom um etwa die Hälfte. Ladestationen könnten etwa 30 % kleiner bauen. Mit SiC wird die PV-Anlage leistungsfähiger. Die Ladezeiten an Schnellladestationen und Wallboxen verringern sich. Die Reichweite der Elektroautos steigt um 5 bis 10 %.

Bis Ende des Jahrzehnts soll mehr als die Hälfte der neu zugelassenen Fahrzeuge teilelektrisch oder vollelektrisch fahren. Die grüne Mobilität ist aber nur mit klimaneutraler Energie wie mit Wind- und Solarenergie umsetzbar. Für stabile Netze muss daher die volatile Verfügbarkeit dieser Energiequellen durch elektrische Wind- oder Solarspeicher ausgeglichen werden.

Infineon stellt aus auf der Electronica 2022.

Solarspeicher auf Basis optimierter Hochleistungsschichten

12.10.2021 | Dünnschichtsysteme für Photovoltaikanlage und Solarthermie tragen dazu bei, ein breites Spektrum der solaren Strahlung für die Stromerzeugung und in Form von Wärme einzusammeln. Das Fraunhofer Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP hat Vakuumtechnologien entwickelt, mit denen Schichten und Schichtsysteme zur Nutzung solarer Energie und die Speicherung von Wärme abgeschieden werden.

Elektrofahrzeuge weltweit kabellos Laden mit offenen Standards

Die Strahlungsenergie der Sonne, welche die Erde innerhalb 90 Minuten empfängt, entspricht etwa dem weltweiten Energieverbrauch eines Jahres. (Quelle: AEE). Zur effektiven Absorption der solaren Einstrahlung sind für Photovoltaik oder Solar Thermie spezielle Schichtsysteme erforderlich. In der Photovoltaik zählen dazu u. a. Halbleiterschichten und Elektrodenschichten. Die Solarthermie erfordert Absorberschichten mit hoher Absorption im sichtbaren und UV-Bereich und mit geringer Emission im infraroten Spektralbereich (IR), damit Verluste durch Wärmeabstrahlung minimiert werden.

Optimierte Schichtsysteme für effektive Solarabsorber

Um solche optische Funktionen umzusetzen, ist ein Schichtsystem aus mehreren Einzellagen erforderlich. Deren Dicken müssen sehr präzise abgestimmt sein und diese reproduzierbar auf Absorber Rohren von den wärmeverlustarmen Solarröhren Kollektoren abgeschieden werden. Das Absorberrohr befindet sich in einem evakuierten Hüllrohr. Dadurch ist das Schichtsystem vor einer Verschmutzung und eventueller Degradation durch Luftbestandteile geschützt. Das Schichtsystem muss den dauerhaft hohen Temperaturen standhalten, die das Absorberrohr annimmt. Selbst bei zyklischer Temperaturbelastung muss es langzeitstabil sein. Je höher die Temperatur im Wärmekreislauf ist, desto vielfältiger und besser ist sie nutzbar. Sie lässt sich als Prozesswärme nutzen oder dient dazu, um bei hoher Temperatur Wärmespeicher aufzuladen.

Auch zur Entwicklung effizienterer Solarspeicher Systeme eignen sich Beschichtungen. Aktuell wird umfangreich am elektrischen Stromspeicher geforscht, um die durch Photovoltaik Anlagen erzeugte Energie zeitlich variabel nutzbar zu machen. Die Stromspeicher sollen den zeitlichen Versatz zwischen Stromerzeugung und Stromverbrauch ausgleichen.

Beschichtungsprozesse für Solarspeicher mit Zeolith-Granulat

Im Bereich Wärme übernimmt diese Funktion in vielen Wärmekreisen ein Wasserspeicher. Jedoch wird auch hier an besseren Speicher Konzepten gearbeitet. Solche Speicher sollen höhere Speicherkapazität als Wasser haben. Dabei soll die Installation der Speicher platzsparend und verlustarm ausgeführt werden. Beispielsweise wird beim Adsorptionswärmespeicher nanoporösem Zeolith-Granulat unter Zufuhr der zu speichernden Wärme Wasser ausgetrieben. Das entspricht dann der Beladung des Speichers mit Energie.

„Wenn das Speichermaterial mit wasserdampfbeladener Luft durchströmt wird, adsorbiert es Wasser und setzt dabei Wärme frei, die in Heizkreisen genutzt werden kann“, erläutert Dr. Heidrun Klostermann, Wissenschaftlerin am Fraunhofer FEP. „Damit das funktioniert, muss aber auch der Wärmeaustausch mit dem Speicher Material effizient gestaltet werden, welches selbst keine gute Wärmeleitung aufweist. Das können Aluminium Schichten bewerkstelligen, mit denen das Material umhüllt wird. Sie gewährleisten einen guten Wärmetransport und effizienten Wärmeübergang am Wärmetauscher.“ Neben der Ad- und Desorptionsdynamik des Speicher Materials ist das ein bedeutender Aspekt der Leistungsfähigkeit eines Speichersystems. Es nimmt großen Einfluss auf dessen maximale sowie die durchschnittliche spezifische Wärmeleistung.

Das granulare Speichermaterial Zeolith wird im Vakuum als Schüttgut mit Aluminium bedampft. Die gute Wärmeleitung setzt eine gleichmäßige, ausreichend dicke Schicht voraus. Die FEP Forschenden experimentieren mit Schichten von mehr als 20 µm Dicke. Die dazu eingesetzte Technologie wird sonst zur Beschichtung von Folien genutzt. Schüttungen von hochporösen Materialen gleichmäßig mit dicken Schichten zu versehen, ist somit eine große Herausforderung. Die bisherigen Entwicklungen von Fraunhofer sind hier einzigartig.

Der Prozess ist so zu gestalten, dass die Schichten den Stoffaustausch zwischen Speicher Material und Umgebung nicht behindern. Schließlich muss das Material weiterhin Wasser aufnehmen und abgeben können, sonst funktioniert das Speicherprinzip nicht. Vergleichende Adsorptionskurven von beschichtetem und unbeschichtetem Material zeigen, dass dieser Stofftransport durch die Schicht nicht behindert wird.

Solarspeicher Entwicklungen für Morgen

Besonders Entwickler neuartiger Speicher Materialien mit Fokus auf die Erhöhung von Speicherkapazität sind an diesen innovativen Schichten vom Fraunhofer FEP interessiert. Solch neues Material sind vor allem Hybride, die noch nicht in großer Serie gefertigt werden wie das heute schon bei den Zeolithen der Fall ist. In der Regel werden diese pulverförmigen Hybridmaterialien nur in kleinen Mengen hergestellt. Am Fraunhofer FEP sollen künftig diese neuen Materialien in der Metallisierungsanlage behandelt werden. Hersteller von Speichern hoffen schon auf diese neuen Materialklassen in der Hoffnung auf höhere Speicherdichte und kleinere Speichervolumina.

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Das richtige Solarspeicher System: Blei versus Lithium
Solarspeicher stellt Strom rund um die Uhr bereit

Das richtige Solarspeicher System: Blei versus Lithium

23.10.2013 | Bei der Frage nach dem Unterschied zwischen einer Lithium-Ionen- und einer Blei-Gel-Batterie sieht der Anwender zunächst zuerst die Preis- und Gewichtsunterschiede. Dabei gilt es ebenso Fragen zu klären wie: Wie ist die Funktionsweise der beiden Batterietypen? Warum hält der eine länger als der andere? Warum wiegt der eine mehr als der andere? All diese Fragen werden beleuchtet Ikratos im Folgenden genauer:

Blei-Gel-Akku

Ein Bleiakkumulator besteht aus einem säurefesten Gehäuse und zwei Bleiplatten, die als positiv beziehungsweise negativ gepolte Elektrode dienen. Dazu kommt eine Füllung aus 38 prozentiger Schwefelsäure H₂SO₄ als Elektrolyt.

Bei Blei-Gel-Akkus, wie sie im IBC Solstore Pb Home zum Einsatz kommen, ist die Schwefelsäure durch Zugabe von Kieselsäure gebunden und der Akku ist verschlossen. Dadurch ist er fast völlig wartungsfrei, da keine Zugabe von Wasser mehr nötig oder möglich ist. Im entladenen beziehungsweise neutralen Zustand lagert sich an beiden Elektrodengruppen eine Schicht aus Blei(II)-sulfat (PbSO₄) an. Im aufgeladenen Zustand bestehen die positiven Elektroden aus Blei(IV)-oxid (PbO₂), die negativ gepolten Elektroden aus fein verteiltem porösem Blei, auch Bleischwamm genannt. Durch die chemische Reaktion beim Lade- und Entladevorgang kann elektrische Energie gespeichert beziehungsweise abgegeben werden.

Lithium-Ionen-Akku

In Lithium-Ionen-Akkumulatoren befinden sich an der negativen Elektrode Lithium-Atome, an der positiven Elektrode Übergangsmetall-Ionen. Elektrische Energie wird gespeichert, indem das Lithium in ionisierter Form durch das Elektrolyt zwischen den beiden Elektroden hin- und herwandert. Daher kommt auch der Name des Lithium-Ionen-Akkus.

Nord Solarfaltdach Antriebe für das Ein- und Ausfahren eines Solarfaltdaches

Im Gegensatz zu den wandernden Lithium-Ionen sind die Übergangsmetall-Ionen ortsfest. Beim Entladen geben Lithium-Atome an der negativen Elektrode jeweils ein Elektron ab, welches über den externen Stromkreis zur positiven Elektrode fließt. Gleichzeitig wandern gleich viele Lithium-Ionen durch das Elektrolyt von der negativen zur positiven Elektrode. An der positiven Elektrode nehmen aber nicht die Lithium-Ionen das Elektron wieder auf, sondern die dort vorhandenen und im geladenen Zustand stark ionisierten und daher recht elektronenhungrigen Übergangsmetall-Ionen. Je nach Akkutyp können das Kobalt, Nickel, Mangan, Eisen Ionen und so weiter sein.

Jahrezehnte lange Lebensdauer

Hochwertige Blei-Akkus, die in Solarstromspeichern eingesetzt werden, können bei regelmäßiger Pflege und einer gut gesteuerten Be- und Entladung eine recht hohe Lebensdauer von rund 10 Jahren erreichen, bevor es zu einem signifikanten Leistungsabfall kommt. Die Alterung und damit auch der Verschleiß des Blei-Akkus liegen in erster Linie an der inneren Korrosion der Elektroden. Außerdem kommt es immer wieder zu feinen Kurzschlüssen. Auch die Sulfatierung des Bleis bewirkt, dass sich die PbSO₄Kristalle zu immer größeren Verbünden zusammenschließen.

Durch die richtigen Lade- und Entladestrategien kann aber einer Sulfatierung entgegengewirkt werden. Deswegen ist es wichtig, dass bei Solarspeichersystemen die Laderegler und Batterien als Gesamtsystem optimal aufeinander abgestimmt sind. Bei aktuellen Lithium-Ionen-Akkus entscheidet die Zyklenhaltbarkeit, wie lange der Akku verwendet werden kann. Diese ist abhängig von Art und Qualität des Akkus, von der Temperatur und von der Art der Nutzung – insbesondere (Ent-)Ladehub, Ladeschlussspannung und Stärke der Lade- sowie Entladeströme.

Fakten und Komponenten von und für die Batterieproduktion

Wie beim Blei-Gel-Akku ist auch bei Lithium-Ionen-Akkus das richtige Batteriemanagement System von hoher Bedeutung, um die gewünschte Lebensdauer zu erreichen. Es gibt bereits Zellen für Spezialanwendungen, die auch nach mehreren Jahren im Einsatz und mehreren 10.000 Lade- und Entladezyklen nur einen sehr geringen Teil ihrer Kapazität und Leistung verlieren.

Gewichtsunterschied bis Faktor 6

Die Energiedichte von Blei-Säure-Batterien liegt etwa bei 30 Wh/kg. Die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien liegt dagegen zwischen 95 bis 190 Wh/kg, also um Faktor 3 bis 6 höher als bei einer herkömmlichen Blei-Säure-Batterie. Dadurch sind Lithium-Ionen Batterien bei gleicher Kapazität wesentlich leichter als Blei-Säure-Batterien. Im Praxisvergleich: Die 4 Batterien eines IBC Solstore Pb mit einer Nennkapazität von insgesamt 8 kWh wiegen zusammen 300 kg, mit Gehäuse 350 kg. Der Batterieblock (Akku, Batteriemanagement und Gehäuse) des IBC Solstore Li (Nennkapazität 5 kWh) wiegt 122 kg.

Newcomer versus Bewährtem

Die Entscheidung welche Batterie zum Einsatz kommt bleibt jedem Kunden selbst überlassen. Auf der einen Seite steht die über Jahrzehnte bewährte klassische Blei-Gel-Batterie, die sicher auch noch über die nächsten Jahre das Bild des Batteriemarktes prägen wird. Demgegenüber steht der Newcomer Lithium-Ionen-Batterie. Mit unterschiedlichen Elektroden Materialien verunsichert er den Verbraucher hinsichtlich Zuverlässigkeit und Gefahrgutvorschriften sowie der Fülle an Informationen. Jedoch bringt die Lithium Ionen Batterie schon heute Technologiebegeisterte auf ihre Seite.

Zusammenfassend kann man sagen, dass sich beide Batterietechnologien sehr gut eignen, um die Maximierung der Nutzung der selbst erzeugten Energie aus der eigenen Photovoltaikanlage und die Bedürfnisse nach Unabhängigkeit im Strombezug beim Verbraucher voranzutreiben.

Solarspeicher stellt Strom rund um die Uhr bereit

13.03.2013 | Centrosolar bietet ab April Speichersysteme für Solarstrom an. Dadurch steht der durch Photovoltaik Anlagen produzierte Strom rund um die Uhr zur Verfügung. Das System "Cenpac Storage" basiert auf einem Batteriespeicher, einem Batterie Wechselrichter sowie einem intelligenten Energiemanager. Je nach Bedarf versorgt der Solarstrom elektrische Verbraucher, lädt die Batterie oder fließt ins öffentliche Netz. Während Haushalte ohne Speicher typischerweise maximal 30 % des Solarstroms selbst nutzen können, kann der Anteil mit Speicherunterstützung mehr als verdoppelt werden.

Die eingesetzten Batterien basieren auf der Blei-Gel-Technologie und sind in den nutzbaren Größen 3,7, 6,0 und 7,4 kWh erhältlich. Die Größen sind prädestiniert für Einfamilienhaushalte mit PV-Anlagengrößen von bis zu 6, 9 und 10,5 kWp. Die Batterien haben eine Lebensdauer von ca. 2500 Zyklen bei 50 % Entladetiefe und eignen sich deshalb besonders für den Einsatz in Solar Anwendungen mit hoher Lade- und Entladebelastung.

Eine vierköpfige Familie mit einem Jahresstromverbrauch von 4000 kWh kann mit Cenpac Storage der Batteriegröße 7,4 kWh bis zu 85 % des täglichen Strombedarfs mit Solarstrom decken. Dank Speicher kann der Anlagenbetreiber den Strom dann abrufen, wenn er ihn benötigt – unabhängig davon, ob gerade die Sonne scheint.

Offener Leistungsschalter, digitales Schutz Relais und Softstarter

Der Batteriespeicher wird ergänzt durch den speziell für den Eigenverbrauch entwickelten Batterie Wechselrichter Sunny-Island von SMA. Dieser ist wie ein PV Wechselrichter zu installieren und flexibel für unterschiedliche Batteriegrößen einsetzbar. Das Zusammenspiel der gesamten Anlage übernimmt der Sunny-Home-Manager.

Dieses Energiemanagementsystem regelt den Energiefluss zwischen Solaranlage, Speichersystem, Haushalt und öffentlichem Netz. Das System überwacht alle Komponenten der Anlage und sorgt für ein intelligentes Energiemanagement. Der Sunny-Home-Manager ermittelt Handlungsempfehlungen aus dem erlernten Verbrauchsprofil des Haushalts, der standortbezogenen Wetterprognose und der daraus resultierenden PV-Erzeugungsprognose.