Letzte Aktualisierung: 25.11.2020

Technik, Vorteile und Kosten von Lithium-Ionen Akkus

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Wie funktioniert ein Lithium-Ionen Akku? Welche Vorteile hat dieser gegenüber einem Blei-Akku? Wann rechnet sich eine Lithium-Ionen-Speicher?

Ein Lithium-Ionen-Akkumulator (kurz: Lithiumionen-Akku oder Li-Ionen-Akku) ist der Oberbegriff für Akkumulatoren auf der Basis von Lithium-Verbindungen in allen drei Phasen, in der negativen, in der positiven Elektrode sowie im Elektrolyt, der elektrochemischen Zelle. Lithium-Ionen Akkus weisen im Vergleich zu anderen Akkumulatortypen eine hohe spezifische Energie auf, erfordern jedoch in den meisten Anwendungen elektronische Schutzschaltungen, da sie sowohl auf Tiefentladung als auch Überladung nachteilig reagieren.

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Solarstromspeicher werden mit Strom der Photovoltaikanlage beladen und bei Bedarf wieder entladen. Lange Zeit galten hierzu Blei-Akkus als ideale Speicherlösung. Akkus auf Lithium-Ionen-Basis weisen jedoch entscheidende Vorteile auf, obwohl die Anschaffung immer noch mit Mehrkosten verbunden ist, die sich jedoch durch gezielte Nutzung wieder amortisieren.

Technischer Aufbau und Speicherverhalten von Lithium-Ionen Akkus

Lithium-Ionen Akkus unterscheiden sich in ihrem allgemeinen Aufbau nicht grundsätzlich von Blei-Akkus. Lediglich der Ladungsträger ist ein anderer: Beim Beladen des Speichers "wandern" Lithium-Ionen von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode des Akkus und bleiben dort "gespeichert", bis man den Akku wieder entlädt. Als Elektroden werden in der Regel hochwertige Graphit-Leiter verwendet. Es gibt aber auch Varianten mit Eisen-Leitern oder Kobalt-Leitern.

Je nach eingesetzten Leitern ergeben sich dann auch unterschiedliche Spannungen der Lithium-Ionen Akkus. Der Elektrolyt selbst muss bei einem Lithium-Ionen Akku wasserfrei sein, da Lithium und Wasser eine heftige Reaktion auslösen. Im Gegensatz zu ihren Blei-Akku-Vorgängern treten bei modernen Lithium-Ionen Akkus (fast) keine Memory Effekte oder Selbstentladungen auf und die Lithium-Ionen Akku behalten lange Zeit ihre volle Leistung.

Lithium-Ionen-Stromspeicher bestehen in der Regel aus den chemischen Elementen Mangan, Nickel und Kobalt. Kobalt (Chemischer Fachausdruck: Cobalt) ist ein seltenes Element und verteuert daher die Herstellung von Li-Speichern. Zudem ist Kobalt umweltschädlich. Daher gibt es vielfältige Forschungsbemühungen, das Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Hochvoltbatterien kobaltfrei herzustellen.

Video-Animation zur Funktion eines Lithium-Ionen-Akkus

Vorteile von Lithium-Ionen Akkus gegenüber Blei-Akkus

Der Einsatz moderner Lithium-Ionen Akkus bringt eine Reihe von Vorteilen mit sich, die einfache Blei-Akkus nicht liefern können.

  • Zum einen besitzen diese eine wesentlich höhere Lebensdauer als Blei-Speicher. Ein Lithium-Ionen Akku ist in der Lage, über einen Zeitraum von knapp 20 Jahren Solar-Strom zu speichern.
  • Die Anzahl der Ladezyklen und die Entladetiefe sind ebenfalls um ein Vielfaches größer, als bei Blei-Akkus.
  • Aufgrund des unterschiedlichen Materialeinsatzes bei der Produktion sind Lithium-Ionen Akkus zudem wesentlich leichter als Blei-Akkus und auch kompakter. Bei der Installation nehmen diese also auch weniger Platz weg.
  • Auch in Sachen Selbstentladung weisen Lithium-Ionen Akkus bessere Speichereigenschaften auf.
  • Außerdem darf man nicht den Umwelt-Aspekt vergessen: Denn Blei-Akkus sind in ihrer Produktion aufgrund des eingesetzten Bleis nicht besonders umweltfreundlich.

Technische Kennzahlen von Lithium-Ionen-Akkumulatoren

Auf der anderen Seite muss man aber auch erwähnen, dass es aufgrund der langen Einsatzzeit von Blei-Akkus wesentlich aussagekräftigere Langzeitstudien als zu den noch sehr neuen Lithium-Ionen Akkus gibt, sodass auch deren Einsatz und damit verbundene Kosten besser und zuverlässiger kalkuliert werden können. Zudem ist das Sicherheitssystem moderner Blei-Akkus zum Teil noch besser als die von Lithium-Ionen Akkus.

Grundsätzlich ist auch die Sorge vor gefährlichen Defekten in Lithium-Ionen-Zellen nicht unbegründet: So können sich Dendriten, also spitze Lithiumablagerungen, an der Anode bilden. Die Wahrscheinlichkeit, dass diese dann Kurzschlüsse auslösen, und somit letztendlich auch einen Thermal Runaway (eine exotherme Reaktion mit starker, sich selbst beschleunigender Wärmeentwicklung) herbeiführen, ist besonders in Lithium-Zellen gegeben, die qualitativ niederwertige Zellkomponenten beinhalten. Durch Ausbreitung dieses Fehlers auf benachbarte Zellen (Propagation) folgen im schlimmsten Fall eine Kettenreaktion sowie ein Brand der Batterie.

Da aber immer mehr Kunden Lithium-Ionen Akkus als Solarbatterie einsetzen, führen Lerneffekte der Hersteller bei größeren Produktionsmengen auch zu weiteren technischen Verbesserungen der Speicherleistung und höherer Betriebssicherheit von Lithium-Ionen Akkus und auch weiteren Kostensenkungen. Der aktuelle technische Entwicklungsstand von Li-Ionen-Akkus lässt sich in folgenden technischen Kennzahlen zusammenfassen:

Technische Kennzahlen von Li-Ionen-Akkumulatoren
Anwendungen Photovoltaik, Elektromobilität, Laptop & Handys
Einsatzbereiche Spitzenlast, Schwarzstart, Minutenreserve
Wirkungsgrad 90% bis 95%
Speicherkapazität 1 kW bis mehrere MW
Energiedichte 100 bis 200 Wh/kg
Entladezeit 1 Stunde bis mehrere Tage
Selbstentladerate ~ 5% pro Jahr
Zyklenzahl 500 bis 3.000 (bei 80%iger Entladung)
Investitionskosten 1.000 bis 1.500 Euro pro kWh

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Speicherleistung und -kosten von Lithium-Ionen Akkus

Die Kosten für einen Lithium-Ionen Akku sind in der Anschaffung in der Regel höher als die für einen Blei-Akku. So kosten Bleibatterien mit einer Kapazität von 5 kWh aktuell durchschnittlich 800 Euro je Kilowattstunde Nennkapazität.

Vergleichbare Lithium-Systeme liegen hingegen bei 1.700 Euro je Kilowattstunde. Dabei ist allerdings die Spreizung zwischen den billigsten und den teuersten Systemen deutlich höher als bei Blei-Systemen. So gibt es z. B. auch Lithium-Akkus mit 5 kWh bereits ab 1.200 Euro pro kWh.

Trotz der in der Regel höheren Anschaffungskosten sind die Kosten eines Lithium-Ionen-Speichers pro gespeicherter Kilowattstunde auf die gesamte Laufzeit gerechnet aber günstiger, da Lithium-Ionen-Akkus länger Leistung liefern als Blei-Akkus, die nach einer bestimmten Zeit ausgetauscht werden müssen.

Man darf sich beim Kaufen eines Stromspeichers also nicht von höheren Anschaffungskosten erschrecken lassen, sondern muss die Wirtschaftlichkeit eines Lithium-Ionen Akkus immer auf die gesamte Nutzungsdauer und Anzahl der gespeicherten Kilowattstunden beziehen.

Mit folgenden Formeln lassen sich alle wesentlichen Kennzahlen eines Lithium-Ionen-Stromspeichers für PV-Anlagen berchnen:

1) Nennkapazität * Ladezyklen = Theoretische Speicherkapazität

2) Theoretische Speicherkapazität * Wirkungsgrad * Entladetiefe = Nutzbare Speicherkapazität

3) Anschaffungskosten / Nutzbare Speicherkapazität = Kosten pro gespeicherter kWh

Berechnungsbeispiel für einen Vergleich von Blei- und Li-Ionen-Akku nach den Kosten pro gespeicherter kWh
  Blei-Akku Lithium-Ionen Akku
Nennkapazität 5 kWh 5 kWh
Zyklenlebensdauer 3300 5800
Theoretische Speicherleistung 16.500 kWh 29.000 kWh
Wirkungsgrad 82% 95%
Entladetiefe 65% 90%
Nutzbare Speicherkapazität 8.795 kWh 24.795 kWh
Anschaffungskosten 4.000 Euro 8.500 Euro
Speicherkosten pro kWh 0,45 Euro / kWh 0,34 Euro / kWh

Anmerkung: Sämtliche Werte sind Schätzwerte und können von aktuellen Anschaffungskostendeutlich differieren. Zudem sind in obigem Beispiele KEINEFörderungen oder Zuschüsse berücksicht. Denn mit einem Zuschuss pro Kilowattpeak PV-Leistung bis zu 600 € bzw. 660 € lässt sich der Preis für einen Photovoltaik Speicher um einige tausend Euro senken. Daher empfehlen wir, immer anhand eines bzw. mehrerer Angebote für Solarstromspeicher die Wirtschaftlichkeit individuell je nach Einsatz und auf Grundlage aller Kosten und Förderungen zu berechnen.

Für eine Kurzeinschätzung, ob sich ein Stromspeicher überhaupt lohnt, können Sie zudem unseren Online-Stromspeicherrechner nutzen.

Hersteller und Modelle von Lithium-Ionen-Akkus

Momentan gibt es recht viele Hersteller bzw. Anbieter von Lithium-Ionen Akkus. Die Wenigsten stellen diese jedoch selbst her, sondern greifen auf Lithium-Ionen Akkus anderer Hersteller zurück, kombinieren diese und versehen sie mit einer für die Speicherung des PV-Stroms entsprechend angepassten Laderegelung (Batteriemanagementsystem), die für den ordnungsgemäßen und störungsfreien Betrieb jeder einzelnen Speichereinheit sowie des Gesamtsystems sorgt.

So gibt es Lithium-Speicherkonzepte, die eine Reihenschaltung so steuern, dass volle und leere Zellen gleichzeitig betrieben werden können, und modular aufgebaute Speicherkonzepte, deren Lithium-Ionen-Akkus herstellerunabhängig ausgetauscht werden können. So kann ein Stromspeicher schrittweise an neue Entwicklungen angepasst und auch günstiger betrieben werden.

Lithium-Ionen-Stromspeicher in Solarkraftwerken

Am 16.09.2014 wurde in Schwerin Lankow der bisher größte kommerzielle Batteriespeicher zur Erbringung von Regelenergieleistungen auf Lithium-Ionen-Basis vom Energieversorger WEMAG und dem Berliner Unternehmen Younicos in Betrieb genommen. Der 5MW/5MWh Lithium-Ionen-Solarstromspeicher mit 25.600 Lithium-Manganoxid-Zellen stammt vom südkoreanischen Hersteller Samsung SDI. Die 1.600 Trays mit jeweils 16 einzelnen Lithium-Akkus sollen das Stromnetz stabilisieren, auch bei schwankender Einspeisung erneuerbarer Energien.

Die Lithium-Ionen-Akkus liefern ihre Leistung innerhalb von Sekundenbruchteilen und stellen damit das Regelpotenzial einer konventionellen 50 MW Turbine bereit. Dadurch wird Kapazität frei, die für Strom aus Wind und Sonne genutzt werden kann. Der Schweriner Lithium-Batteriespeicher soll trotz seines Pilotcharakters wirtschaftlich am Primärregelenergiemarkt betrieben werden.

Europas erster 2 MWh-Großspeicher zur Regelenergiebereitstellung von Solarstrom wurde am 26.11.2014 von der BELECTRIC GmbH an das Solarkraftwerk Alt Daber in Brandenburg angeschlossen.

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