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Sonntag, 12. Januar 2014

Kennziffern für Energiespeicher

Energiespeicher oder Äpfel mit Birnen vergleichen 

Für eine optimale Auswahl der geeigneten Speichertechnik ist es wichtig die relevanten Kennziffern zu kennen oder selbst zu bestimmen. Da Energiespeicher für viele noch "Neuland" sind,  herrscht oft wilde Verwirrung wenn Vergleiche angestellt werden.

Absolute Kennzahlen

Die wichtigste absolute Kennzahl eines Energiespeichersystem ist seine Energie-Speicherkapazitat! Als Einheit bewährt sich in der Praxis die Kilowattstunde, abgekürzt kWh (mehr zu Energieeinheiten), insbesondere wenn man es mit Batterien im Elektro-Auto oder bei PV-Systemen zu tun hat. Ein typischer Bleiakku im Auto hat eine Kapazität von einer kWh.
Die zweite, häufig genannte Größe ist die Leistung,  die ein Energiespeicher maximal abgeben kann. Leistung wird in Watt, oder praktischer in Kilowatt, abgekürzt kW, gemessen. Die Größe ist bei Elektroautos wichtig,  da wir die Leistung von Autos oft über die "Pferdestärken" beurteilen. Will man etwa ein Elektroauto mit 100 PS bauen,  das entspricht einer Leistung von 72 kW, muss die Batterie eine Leistung von mindestens 72kW haben. Auch das Aufladen der Batterie erfordert eine kontinuierliche Leistung. Gerade schnelles Aufladen erfordert eine sehr hohe zulässige Ladeleistung.
Ladezyklen, die Anzahl der zulässigen Zyklen, die eine Batterie geladen und Entladen werden darf. Während Bleiakku oft schon nach 300 Zyklen massiv in der Leistung abfallen,  können Supercaps,  das sind Kondensatoren, praktisch unendlich oft geladen werden.
Der Wirkungsgrad einer Batterie beschreibt, wie viel Prozent der beim Laden verwendeten Energie wieder von der Batterie abgegeben wird. Gute Batterien erreichen über 90% Wirkungsgrad, Systeme mit Brennstoffzellen selten 70% und Speicher-Lösungen wie "power to gas" nur 25%. Mehr zum Thema Wirkungsgrad in einem Blogbeitrag.
Ragone Diagramm für elektrische Speicher.  Quelle Wikipedia 

Relative Kennzahlen 

Bei vielen praktischen Fragen sind die absoluten Kennzahlen nicht entscheidend, da man leicht die Kapazität durch Zukauf weiterer Batterien vergrößern kann. Wesentlich relevanter sind hier relative Größen,  wie der Preis pro kWh! 
Relative Größen entstehen durch Division einer absoluten Kennzahlen durch eine andere Messgröße. Bei Energiespeicher sind das oft:
  • Preis in € oder $
  • Gewicht in kg
  • Volumen Liter oder m³
  • Flächenbedarf  m²
Manchmal findet man dann Graphiken, die mehrere Größen gemeinsam für verschiedene Produkte aufführen.

Energiedichte und Leistungsdichte

Beispiel  eines relativen Kenngrößen-Vergleichs. Quelle Siemens 
Diese sind nicht ganz leicht zu lesen, durch die logarithmische Darstellung muss man sorgfältig auf die Skala sehen.
Im Beispiel oben, in der die Energiedichte (Wh/kg) und Leistungsdichte (W/kg) verglichen wird erscheinen Kondensatoren eher ähnlich wie Batterien, aber Achtung: Der Unterschied in der Energiedichte zeigt, dass Batterien etwa hundert mal mehr Energie, bei gleichem Gewicht, aufnehmen können als Doppelschicht-Kondensatoren.

Volumen und Gewicht

Kapazität und Gewicht (Quelle: Energiesparrechner)
Für mobile Anwendungen ist es entscheidend, dass das Gewicht der Batterien gering ist, in der Abbildung oben sieht man, dass Lithium Polymer Batterien bis zu 0,25kWh/kg speichern können, hingegen kann eine Bleibatterie nur 0,025kWh/kg speichern, da liegt der Faktor 10 dazwischen. Geht es allerdings um den Platzbedarf, der etwa in einem Keller eine rolle speilt, wenn man dort Solarstrom einspeichern will, sieht man, dass der Volumenbedarf bei Bleibatterien nur um den Faktor drei größer ist.

Jeder Bedarf ist anders

Energiespeicher für Strom benötigt man an unterschiedlichsten Stellen in der Technik, daher ist ein einfacher Vergleich verschiedener Techniken nur dann sinnvoll, wenn man die Anforderungen genau kennt. So wird ein Hersteller von Diesel-LKWs für eine Starterbatterie völlig anders kalkulieren als ein Hersteller von Elektroautos.
Bei Elektroautos gibt es zwei entscheidende Faktoren, wenig Gewicht und geringer Preis, aktuell gewinnt dabei die Lithium-Batterie, weshalb das erfolgreiche Elektroauto Tesla S eine Lithiumbatterie mit 85kWh eingebaut hat, die 500km Fahrleistung erlaubt.
Für die Speicherung von Solarstrom im Keller, bei der das Gewicht praktisch keine Rolle spielt, kann aber bereits eine Bleibatterie gute Dienste leisten.

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