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Vor- und Nachteile von Gel-Batterien als Stromspeicher

Wie funktioniert eine Gel-Batterie? Welche Vor- und Nachteile gibt es? Wann lohnen sich Gel-Akkus als PV-Stromspeicher?

Eine Gel-Batterie ist eine spezielle Bauform des Blei-Akkumulators, bei dem der Elektrolyt aus flüssiger Schwefelsäure mit Kieselsäure gebunden wird. Die Gel-Batterie ist zudem vollständig verschlossen, sodass man kein Wasser nachfüllen kann. Aufgrund dieser Bauart tritt keine Säureschichtung ein und daher kein Kapazitätsverlust durch Entmischung auf. Der Innenwiderstand von Blei-Gel-Batterien ist jedoch höher als bei offenen Blei-Säuere-Akkus, sodass sie weniger geeignet sind, hohe Ströme als z. B. Starterbatterie zu liefern. Neben diesen Eigenschaften weisen Gel-Batterien noch weitere Vor- und Nachteile auf.

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Aufbau von Gel-Batterien

Die Sonnenschein@home Gel-Batterie bietet bis zu 3800 Zyklen bei 50% Entladetiefe im kontrollierten Teilladezustandsbetrieb cPSOC und dient als zuverlässiger Energiespeicher u.a. für Photovoltaik-Strom. (Foto: Exide Technologies GmbH)
Die Sonnenschein@home Gel-Batterie bietet bis zu 3800 Zyklen bei 50% Entladetiefe im kontrollierten Teilladezustandsbetrieb cPSOC und dient als zuverlässiger Energiespeicher u.a. für Photovoltaik-Strom. (Foto: Exide Technologies GmbH)

Blei-Akkus bestehen in der Regel aus einer säurefesten Außenhaut sowie zwei Bleiplatten. Diese dienen als Elektroden, eine Schwefelsäure als Elektrolyt. Bei der Gel-Variante hingegen wurde die Schwefelsäure durch Kieselsäure gebunden, was den Elektrolyten eindickt und wie eine Art Gel erscheinen lässt. Daher werden diese Akkus auch Gel-Batterie bzw. als Gel-Akkumulator bezeichnet.

Häufig besitzen solche Gel-Akkus eine Kapselung, die jegliches Austreten des Elektrolyten verhindert. Blei-Gel-Batterien sind damit eine Sonderform geschlossen gebundener Bleiakkumulatoren. Durch die geschlossene Bauform sind Gel-Batterien leichter zu transportieren, da sie keine vorgeschriebene Betriebslage und auslaufsicher sind. Aufgrund dieses Aufbaus und der Option, dass in dieser Variante kein Wasser nachgefüllt werden muss, ist die Gel-Batterie nahezu wartungsfrei.

Da Gel-Batterien über ein Ventil Gase jedoch ablassen können, gehören sie auch zu den "Ventil regulierten" Blei-Säure-Batterien ("Valve Regulated Lead Acid"; kurz: VRLA-Batterie). Trotzdem können Gel-Batterien eingezogene Wände nach Entladung und ausgebauchte Wände nach Ladung aufweisen. Unter den VRLA-Batterien unterscheidet man zum einen die Gel-Batterie und zum anderen die AGM-Batterie. Im Unterschied zu Gel-Batterien enthalten AGM-Batterien jedoch Säure als Elektrolyt, die in einem Micro-Glas-Vlies (Blei-Vlies-Batterien) gebunden ist.

Funktionsweise der Gel-Batterie

Im sogenannten neutralen, entladenem Zustand lagert sich auf beiden Elektroden eine Blei-Sulfat-Schicht ab. Im aufgeladenen Zustand hingegen bilden sich eine positive Elektrode mit Bleisulfat und eine negative Elektrode mit porösem Blei (Bleischwamm). Wird dieser chemische Vorgang durch Laden oder Entladen in Bewegung gesetzt, entsteht elektrische Energie.

Zum Aufladen einer Gel-Batterie wird teilweise je nach Hersteller ein spezielles Ladegerät notwendig. Der Batterie-Laderegler steuert dabei den Ladevorgang und setzt das Ladeverfahren um, bei dem vor Allem eine schädliche Überladung vermieden und die Gasung beschränkt wird. Dies ist wichtig, da bei geschlossenen Gel-Batterien die durch Ausgasung entstandenen Verluste nicht mit destilliertem Wasser ausgeglichen werden können.

Be- und Entladung von Gel-Batterien

Beim Laden einer Blei-Batterie mit Flüssigelektrolyt spaltet der Ladestrom an der negativen Elektrode Wasserstoffgas sowie an der positiven Elektrode Sauerstoffgas ab. Das dabei entstehende Gasgemisch entweicht aus der Zelle, wodurch ein Wasserverlust resultiert.

Während des Betriebes von Gel-Batterien bilden sich hingegen feine Risse im Gel, durch die der Sauerstoff leichter zur negativen Elektrode gelangen kann. Dort trifft er mit Wasserstoff-Ionen zusammen und rekombiniert wieder zu Wasser. Nur ein minimaler Rest bleibt als Knallgas übrig und kann die Batterie über ein Ventil verlassen. Im Gegensatz zur typischen Gasung bei Batterien mit Flüssigelektrolyt sind Gel-Batterien daher sehr gasungsarm.

Bedingt durch den Elektrolytüberschuss, fällt die Säuredichte während einer Entladung, z. B. einer Tiefentladung, in Gel-Batterien daher auch nicht so stark ab wie z. B. bei AGM-Batterien. Der Grad der Entladung bestimmt jedoch die Lebensdauer einer Batterie. Deshalb wird empfohlen, die Gel-Batterie um nicht mehr als maximal 50 % zu entladen. Kurzfristig tiefere Entladungen sollten sofort wieder nachgeladen werden.

Der beim Laden an der positiven Anode entstehende Sauerstoff diffundiert durch das Gel hindurch zur negativen Kathode und rekombiniert sich dort mit Wasserstoffgas zu Wasser. (Grafik: energie-experten.org)
Der beim Laden an der positiven Anode entstehende Sauerstoff diffundiert durch das Gel hindurch zur negativen Kathode und rekombiniert sich dort mit Wasserstoffgas zu Wasser. (Grafik: energie-experten.org)

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Anwendungsfälle von Gel-Batterien

Ein Blei-Gel-Großspeicher mit 330 kWh Kapazität reguliert seit Mai 2015 im Rahmen des Modellvorhabens „Smart Grid Solar“ in Epplas, einem Ortsteil von Hof in Bayern, Spannungsspitzen durch Photovoltaik-Anlagen im Niederspannungsnetz. (Foto: IBC SOLAR)
Ein Blei-Gel-Großspeicher mit 330 kWh Kapazität reguliert seit Mai 2015 im Rahmen des Modellvorhabens „Smart Grid Solar“ in Epplas, einem Ortsteil von Hof in Bayern, Spannungsspitzen durch Photovoltaik-Anlagen im Niederspannungsnetz. (Foto: IBC SOLAR)

Da Gel-Batterien verschlossen sind und keine schädlichen Gase emittieren, sind sie zur Aufstellung in geschlossenen Räumen sowie im unmittelbaren Umfeld von Menschen geeignet. Da kein Wasser nachgefüllt werden muss, ist die Gel-Batterie auch dort sinnvoll einsetzbar, wo nur schwer an sie heranzukommen ist und ein Ausbau aufwändig bzw. teuer werden würde. Da sie zudem keiner vorgeschriebenen Betriebslage bedürfen, werden sie auch häufig in mobilen Anwendungen eingesetzt. Außerdem werden Gel-Batterien dort eingesetzt, wo höhere Umweltschutzauflagen (bei z. B. Wasserfahrzeugen) gelten.

Anwendungen im zyklischen Betrieb finden sich daher überwiegend in elektrischen Fahrzeugen, Wohnmobilen, Booten oder auch Rollstühlen. Im Dauerbetrieb werden Gel-Batterien in Warn- und Notstromanlagen, Telefon- und Solaranlagen eingesetzt.

Gel-Batterien als Solarstromspeicher

Blei-Gel-Batteriespeicher SolStore 16.2 Pb von IBC SOLAR (Foto: IBC SOLAR)
Blei-Gel-Batteriespeicher SolStore 16.2 Pb von IBC SOLAR (Foto: IBC SOLAR)

Gel-Batterien sind im Vergleich zu anderen Solarstromspeichern deutlich komplexer aufgebaut. So weisen die Batteriekästen in der Regel dickere Wandstärken auf und es werden andere, hochreine Bleilegierungen und Sicherheitsventile verwendet. Dies wirkt sich vor Allem auf das Gewicht aus. Die Energiedichte der Blei-Gel-Batterie liegt bei 30 WH/kg. Zum Vergleich besitzen Lithium-Ionen-Varianten Energiedichten von bis zu 190 WH/kg. Das ist auch der Hauptgrund, warum die Blei-Gel-Batterien mit zu den schwersten Speichern auf dem Markt zählen.

Neben dem Gewicht gibt es noch weitere Unterschiede. So wird eine Blei-Gel-Batterie insbesondere als Solarstromspeicher häufig mit einer kalendarischen Lebensdauer von zehn Jahren angegeben. Eine Lithium-Ionen-Batterie weist eine Lebensdauer von häufig über 15 Jahren auf. Zudem weist eine Gel-Batterie nur halb so viele maximale Ladezyklen wie Lithium-Ionen-Akkus auf und kann nur bis zu einer Entladetiefe von 50% entladen werden.

Da eine Blei-Gel-Batterie durchaus bis zu 8 Stunden benötigen kann, um einen vollen Ladezyklus durchzuführen, kann es in den Wintermonaten zu Problemen kommen. Denn in der dunklen Jahreszeit bleibt nach dem Eigenverbrauch nicht genug Strom übrig, um die Blei-Gel-Batterie einen vollen Ladezyklus durchlaufen zu lassen. Und genau hier wird es kritisch: Werden die Blei-Gel-Batterien über einen längeren Zeitraum nicht vollgeladen, sinkt deren Batteriespannung merklich ab. Sobald ein kritischer Spannungswert unterschritten wurde, leidet darunter die Lebensdauer der Blei-Gel-Batterie. Entsprechend moderne Steuerungsgeräte schalten in einem solchen Fall den Speicher ab, um ihn vor Beschädigung zu schützen. Lithium-Ionen-Batterien können innerhalb einer Stunde einen vollen Ladezyklus durchführen und haben somit auch in den Wintermonaten keine Probleme.

Für den Einsatz als Solarstromspeicher spricht hingegen die Wartungsfreiheit. Wer sich allerdings die Mühe machen möchte, der kann auch eine regelmäßige Wartung einer Blei-Säure-Batterie (Flüssigkeitskontrolle, schonendes, unterschiedliches Laden bis zur Gasung) selbst durchführen und so die Nutzungsdauer verlängern. Mit Eigenleistung erhält man so einen Solarstromspeicher zu einem noch günstigeren Preis.

Allerdings muss man bei eingeschränkten Platzverhältnissen beachten, dass man bei gleichgroßen Gehäusen, Gel-Batterien etwas weniger Kapazität und mehr Gewicht haben. Im Falle eines Batterietypenwechsels müssen zudem Ladegerät und Solarregler geprüft werden, ob sie weiterhin genutzt werden können, da verschlossene Solar-Gel-Batterien eine nicht so hohe Ladeschlussspannung aufweisen dürfen.

Unterschiede von Gel- und AGM-Batterien

Gel-Batterien wurden häufig mit AGM-Batterien gleichgesetzt bzw. vorsätzlich von Stromspeicher-Herstellern als Gel-Batterie beworben. Dies ist jedoch falsch, denn AGM-Batterien wurden für andere Anwendungen wie z. B. Starterzwecke entwickelt und insbesondere für Anwendungen mit sehr vielen elektrischen Verbrauchern. Bein Einsatz von AGM-Batterien als Stromspeicher muss zudem beachtet werden, dass sie aufgrund Ihrer Konstruktion einen sehr hohen Kaltstart haben, demgegenüber allerdings nicht zyklenfest sind und auch nicht tiefentladen werden können. Werden Gel- und AGM-Batterien falsch eingesetzt, beeinflußt dies wesentlich die Lebensdauer.

Vor- und Nachteile der Blei-Gel-Batterie

Die Blei-Gel-Batterie bringt ein paar entscheidende Vorteile mit sich, die bei der Kaufentscheidung und Wahl der passenden Speicherlösung helfen können.

  • Blei-Gel-Batterien sind in der Lage, sehr hohe Stromstärken zu erzeugen (hohe Leistungsspitzen)
  • Die Blei-Gel-Batterie ist die kostengünstigste Speicherlösung im PV-Bereich
  • Die Blei-Gel-Batterie ist besonders robust aufgebaut. Das macht sie wartungsarm und besonders belastbar

Selbstverständlich gibt es aber auch eine Reihe Nachteile, die beim Einsatz einer Blei-Gel-Batterie auftreten können.

  • Verglichen mit Lithium-Varianten hat die Blei-Gel-Batterie ein wesentlich höheres Gewicht
  • Temperaturen von über 45 Grad verträgt die Blei-Gel-Batterie nicht wirklich gut, eine Zusatzkühlung muss her
  • Die Lebensdauer in der PV-Anlage liegt nur bei knapp 10 Jahren, Lithium-Varianten schaffen mindestens 15 Jahre.

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"Vor- und Nachteile von Gel-Batterien" wurde am 14.03.2016 das letzte Mal aktualisiert.