Speicherkapazität & Zyklenzahl – Kennzahlen Stromspeicher

Dieser Artikel erklärt die wichtigsten Kennzahlen von Stromspeichern wie Speicherkapazität, Zyklenzahl und Wirkungsgrad. Diese Kennzahlen sind entscheidend, um die Leistungsfähigkeit und Eignung eines Stromspeichers für bestimmte Anwendungen beurteilen zu können.

Die Speicherkapazität gibt an, wie viel Energie maximal im Speicher gespeichert werden kann. Sie ist eine der wichtigsten Kenngrößen zur Dimensionierung eines Stromspeichers. Die Zyklenzahl zeigt an, wie viele Ladezyklen ein Akku über seine Lebensdauer verträgt. Moderne Lithium-Ionen-Akkus erreichen bis zu 10.000 Zyklen. Der Wirkungsgrad beschreibt, wie viel Prozent der eingespeisten Energie wieder aus dem Speicher entnommen werden kann.

Dieser Artikel erläutert die genannten Kennzahlen ausführlich und veranschaulicht ihre Bedeutung anhand praxisnaher Beispiele. So wird deutlich, wie Speicherkapazität, Zyklenzahl und Wirkungsgrad die Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit eines Stromspeichers bestimmen.

Speicherkapazität / Nennkapazität

Die Speicherkapazität, auch Nennkapazität genannt, gibt an, wie viel Energie in einem Stromspeicher maximal gespeichert werden kann. Sie wird in der Einheit Kilowattstunden (kWh) angegeben und ist die wichtigste Kenngröße zur Dimensionierung eines Stromspeichers.

Die Nennkapazität gibt den Energieinhalt an, den der Speicher bei seiner Entladung abgeben kann, wenn er zuvor vollständig aufgeladen wurde. Je größer die benötigte Speicherkapazität, desto höher müssen also auch die Nennkapazität und damit die Größe bzw. die Anzahl der verwendeten Speicherzellen sein.

Die benötigte Speicherkapazität hängt unter anderem vom täglichen Energiebedarf und der Leistung der Stromerzeugungsanlage (z.B. einer Photovoltaikanlage) ab. Wird mehr Strom erzeugt als direkt verbraucht werden kann, muss der Überschuss zwischengespeichert werden. Auch für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung bei Dunkelheit oder an Regentagen muss ausreichend Kapazität vorhanden sein.

Die Nennkapazität ist daher die wichtigste Kenngröße bei der Dimensionierung eines Stromspeichers. Anhand des täglichen Energiebedarfs und der Erzeugungsleistung lässt sich die minimale Kapazität berechnen, die der Speicher aufweisen muss. Hierbei sollten auch Sicherheitsreserven für zukünftige Erweiterungen oder Leistungsschwankungen eingeplant werden.

Entladetiefe / DOD (Depth of Discharge)

Die Entladetiefe oder DOD (Depth of Discharge) gibt an, wie viel Prozent der Nennkapazität maximal aus dem Akku entnommen werden sollte, um die Lebensdauer nicht zu stark zu reduzieren.

Bei Blei-Säure-Akkus liegt die empfohlene Entladetiefe bei etwa 50% der Nennkapazität. Das bedeutet, der Akku sollte nicht unter die Hälfte seiner Kapazität entladen werden. Blei-Akkus altern schneller, wenn sie häufig tiefentladen werden.

Bei Lithium-Ionen-Akkus kann die Entladetiefe dagegen bis zu 95% der Nennkapazität betragen. Moderne Li-Ion-Akkus sind resistenter gegen Tiefentladung und können daher einen größeren Teil ihrer Kapazität nutzbar machen.

Die Einhaltung der maximalen Entladetiefe ist wichtig, um die Zyklenlebensdauer des Akkus nicht unnötig zu verkürzen. Je höher die Entladetiefe, desto schneller altern Akkus. Die empfohlene Entladetiefe sollte daher nicht überschritten werden.

Nutzkapazität

Die Nutzkapazität gibt an, wie viel Kapazität des Stromspeichers bei Einhaltung der maximalen Entladetiefe tatsächlich genutzt werden kann. Sie ist damit kleiner als die theoretische Nennkapazität.

Die Nutzkapazität berechnet sich aus:

Nennkapazität x (1 – Entladetiefe in %)

Beispiel: Ein Stromspeicher mit 10 kWh Nennkapazität und einer maximalen Entladetiefe von 80% hat eine Nutzkapazität von:

10 kWh x (1 – 0,8) = 2 kWh

Es können also real nur 2 kWh geladen und wieder entladen werden, obwohl die Nennkapazität 10 kWh beträgt. Bei der Planung und Dimensionierung des Stromspeichers ist die Nutzkapazität daher die entscheidende Kenngröße. Nur sie gibt an, welche Energiemenge tatsächlich gespeichert und wieder abgegeben werden kann. Die Nennkapazität allein sagt wenig über die real nutzbare Kapazität aus.

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad ist eine wichtige Kenngröße von Stromspeichern. Er gibt an, wie viel Prozent der eingespeisten Energie wieder genutzt werden kann. Je höher der Wirkungsgrad, desto effizienter arbeitet der Speicher.

Man unterscheidet zwischen:

• Batteriewirkungsgrad: Dieser bezieht sich nur auf die Energieumwandlung innerhalb der Batterie selbst. Er liegt bei modernen Lithium-Ionen-Batterien zwischen 95 und 98%.

• Systemwirkungsgrad: Dieser umfasst neben der Batterie auch Verluste durch die Wechselrichter und das gesamte System. Der Systemwirkungsgrad liegt typischerweise zwischen 80 und 90%.

Ein hoher Wirkungsgrad ist wichtig, um die Selbstnutzung des Solarstroms zu maximieren und Netzeinspeisung zu vermeiden. Bei der Wahl des Stromspeichers sollte daher auf einen hohen Batterie- und Systemwirkungsgrad geachtet werden. Moderne Lithium-Ionen-Speicher können hier mit sehr guten Werten punkten.

Zyklenzahl

Die Zyklenzahl gibt an, wie viele Ladezyklen ein Akku über seine Lebensdauer hinweg aushält, bevor seine Kapazität auf ein unbrauchbares Maß absinkt. Sie ist eine wichtige Kennzahl für die Haltbarkeit von Akkus.

Bei modernen Lithium-Ionen-Akkus liegt die Zyklenzahl typischerweise zwischen 500 und 10.000. Je höher die Zahl, desto länger hält der Akku bei regelmäßiger Nutzung. Akkus auf Blei-Basis kommen dagegen oft nur auf 500 bis 1.000 Ladezyklen.

Die genaue Zyklenlebensdauer eines Akkus hängt von vielen Faktoren ab:

• Akku-Chemie: Lithium-Ionen-Akkus haben eine deutlich höhere Zyklenfestigkeit als Blei-Gel- oder Blei-Säure-Akkus.

• Pflege und Nutzung: Schonender Umgang verlängert die Lebensdauer. Tiefe Entladung und hohe Temperaturen wirken sich negativ aus.

• Ladeverfahren: Modernes Batteriemanagement mit exakter Ladesteuerung ermöglicht mehr Zyklen.

• Entladetiefe: Je weniger tief ein Akku entladen wird, desto länger hält er.

• Alterung: Selbst ohne Nutzung altert ein Akku und verliert über die Jahre an Kapazität.

Die Herstellerangabe zur Zyklenzahl gibt einen Richtwert für die zu erwartende Haltbarkeit beim Einsatz nach Spezifikation. In der Praxis können die real erreichbaren Zyklen abweichen.

Lebensdauer

Die Lebensdauer eines Stromspeichers hängt von zwei Faktoren ab:

• Zyklenzahl: Wie oft kann der Akku geladen und entladen werden, bis die maximale Kapazität deutlich nachlässt. Moderne Lithium-Ionen-Akkus erreichen oft Zyklenzahlen von 5.000 bis 10.000.

• Alterung: Zusätzlich zur Abnutzung durch Ladezyklen altern Akkus auch mit der Zeit, was die Gesamtlebensdauer begrenzt. Lithium-Ionen-Akkus können bei guter Pflege eine Lebensdauer von 10 bis 20 Jahren erreichen.

Die Lebensdauer bestimmt maßgeblich die Wirtschaftlichkeit eines Stromspeichers. Moderne Lithium-Ionen-Akkus bieten hier klare Vorteile gegenüber älteren Blei-Säure-Akkus, welche nur 1.000 bis 2.000 Zyklen erreichen und schneller altern. Durch die höhere Lebensdauer von Lithium-Ionen-Akkus von bis zu 20 Jahren amortisiert sich die Investition auch eher.

Akku-Typ

Bei Stromspeichern wird grundsätzlich zwischen Blei-Akkus und Lithium-Ionen-Akkus unterschieden.

Blei-Akkus zählen zu den ältesten Akku-Technologien und werden schon seit über 100 Jahren eingesetzt. Sie zeichnen sich durch eine vergleichsweise niedrige Anschaffungskosten aus. Allerdings ist ihre Zyklenzahl und Lebensdauer begrenzt. Moderne Blei-Akkus halten etwa 500-1000 Ladezyklen.

Lithium-Ionen-Akkus sind die modernste Akku-Technologie. Sie zeichnen sich durch eine sehr hohe Energiedichte und damit hohe Kapazität aus. Lithium-Ionen-Akkus haben eine deutlich höhere Zyklenzahl von bis zu 10.000 Ladezyklen und eine längere Lebensdauer von bis zu 20 Jahren.

Der Wirkungsgrad von Lithium-Ionen-Akkus ist mit 90-95% deutlich höher als bei Blei-Akkus mit 60-70%. Damit gehen bei Lithium-Ionen-Akkus deutlich weniger Energieverluste einher.

Insgesamt überwiegen bei Lithium-Ionen-Akkus die Vorteile, sodass sie die bevorzugte Technologie für moderne Stromspeicher sind. Die höheren Investitionskosten amortisieren sich aufgrund der längeren Lebensdauer und des höheren Wirkungsgrads rasch.

Anschlussart

Bei der Anschlussart von Stromspeichern wird zwischen AC- und DC-Kopplung unterschieden.

Bei der AC-Kopplung ist der Speicher nach dem Wechselrichter in das Stromnetz eingebunden. Er kann so Flexibilität für das Stromnetz bereitstellen und Netzdienstleistungen erbringen. Die AC-Kopplung hat jedoch Wirkungsgradverluste durch die zusätzliche Wandlung des Stroms.

Bei der DC-Kopplung ist der Speicher direkt an das Gleichstromnetz des Solar-Systems angeschlossen. Dies ermöglicht einen höheren Wirkungsgrad, da keine zusätzliche Wandlung stattfindet. Allerdings kann der Speicher nicht unabhängig vom Solar-System betrieben werden.

Die Wahl der Anschlussart hängt daher von der Nutzung ab. Soll der Speicher vorrangig als Puffer dienen, empfiehlt sich die effizientere DC-Kopplung. Sollen Netzdienstleistungen erbracht werden, ist die AC-Kopplung erforderlich. Bei größeren Speicherkapazitäten können auch Kombinationen aus AC- und DC-gekoppelten Speichern sinnvoll sein.

Dimensionierung Stromspeicher

Bei der Dimensionierung des Stromspeichers sollten mehrere Faktoren berücksichtigt werden:

• Täglicher Strombedarf:
  • Der Speicher sollte groß genug sein, um den täglichen Strombedarf decken zu können. Als Faustformel gilt eine Speicherkapazität von 1-2 kWh pro 1 kW installierter Photovoltaik-Leistung.
• Autarkiegrad:
  • Je höher der gewünschte Autarkiegrad, desto größer sollte der Speicher dimensioniert werden. 100% Autarkie erfordert in der Regel eine sehr große Batteriekapazität. Als Kompromiss empfiehlt sich oft ein Speicher, der etwa 30-50% des Tagesstrombedarfs speichern kann.
• Entladetiefe:
  • Die maximale Entladetiefe bestimmt wie viel Prozent der Nennkapazität tatsächlich genutzt werden kann. Bei Blei-Akkus liegt sie bei 50%, bei Lithium-Ionen bei ca. 80-90%.
• Wirtschaftlichkeit:
  • Mit zunehmender Speichergröße steigen die Investitionskosten. Die optimale Dimensionierung ist ein Kompromiss zwischen Kosten, Autarkiegrad und Lebensdauer.
• Für die genaue Berechnung werden detaillierte Verbrauchs- und Ertragsdaten sowie Simulationen benötigt. Generell gilt: Lieber etwas größer dimensionieren um die Lebensdauer zu erhöhen.

Akku-Typen Vergleich

Bei der Wahl des Akkutyps für einen Solarstromspeicher gibt es verschiedene Optionen mit jeweiligen Vor- und Nachteilen:

Blei-Säure-Akku

• Vorteile:
  • Günstiger Anschaffungspreis
  • Ausgereifte und erprobte Technologie
  • Unproblematische Entsorgung
• Nachteile:
  • Geringer Wirkungsgrad von ca. 80%
  • Kurze Lebensdauer von ca. 5 Jahren bzw. 500 Ladezyklen
  • Nur 50% Entladetiefe möglich

Lithium-Ionen-Akku

• Vorteile:
  • Hoher Wirkungsgrad von über 90%
  • Lange Lebensdauer von 10+ Jahren bzw. 2.000-10.000 Ladezyklen
  • Hohe Entladetiefe bis 95% möglich
• Nachteile:
  • Höhere Anschaffungskosten
  • Noch junge Technologie
  • Problematische Entsorgung

Blei-Gel-Akku

• Vorteile:
  • Geringe Selbstentladung
  • Lange Haltbarkeit
  • Wartungsfrei
• Nachteile:
  • Teurer als herkömmliche Blei-Säure-Akkus
  • Geringer Wirkungsgrad
  • Begrenzte Zyklenfestigkeit

Redox-Flow-Akku

• Vorteile:
  • Hohe Zyklenfestigkeit
  • Lange Lebensdauer
  • Modulare und skalierbare Kapazität
• Nachteile:
  • Geringer Wirkungsgrad
  • Hohe Selbstentladung
  • Teuer in der Anschaffung

Zink-Luft-Akku

• Vorteile:
  • Hohe Energiedichte
  • Kostengünstig
  • Umweltfreundlich
• Nachteile:
  • Kurze Haltbarkeit
  • Geringer Wirkungsgrad
  • Komplexe Technologie

AC vs. DC Kopplung

Bei der Installation eines Solarstromspeichers gibt es zwei Möglichkeiten der elektrischen Anbindung:

• AC-Kopplung
• DC-Kopplung

Bei der AC-Kopplung wird der Solarstromspeicher nach dem Wechselrichter an das Hausnetz angeschlossen. Der Solarstrom wird also zunächst per Wechselrichter in AC-Strom gewandelt und dann in den Speicher eingespeist.

Vorteile:

• Einfache Installation, da kein zusätzlicher DC-Anschluss nötig ist
• Speicher kann komplett vom Wechselrichter gesteuert werden

Nachteile:

• Verluste durch doppelte DC/AC-Wandlung beim Laden und Entladen

Bei der DC-Kopplung wird der Speicher direkt an die Solarmodule oder zumindest vor dem Wechselrichter angeschlossen. Somit wird der Solarstrom als DC-Strom direkt eingespeichert.

Vorteile:

• Höherer Gesamtwirkungsgrad, da Verluste durch DC/AC-Wandlung vermieden
• Solarstrom kann auch bei Netzausfall genutzt werden

Nachteile:

• Komplexere Installation mit DC-Verkabelung
• DC/AC-Wandler nötig zum Laden des Speichers
• Mehr Komponenten und höhere Kosten

Für kleinere Anlagen ist die AC-Kopplung üblich. Bei größeren Anlagen und steigendem Eigenverbrauch lohnt sich die DC-Kopplung aufgrund des höheren Wirkungsgrads.

Häufige Fragen

Wie dimensioniere ich meinen Stromspeicher richtig?

Bei der Dimensionierung des Stromspeichers sollten mehrere Faktoren berücksichtigt werden:

• Täglicher Strombedarf: Hierbei wird der durchschnittliche tägliche Verbrauch zugrunde gelegt. Faustregel: 1 kWh Speicherkapazität pro 1 kWh Tagesverbrauch.

• Leistung: Die Leistung des Speichers sollte für die maximale Last ausgelegt sein, z.B. für Spitzen beim Kochen. Richtwert: 1 kW Speicherleistung pro 1 kW Maximal-Last.

• Autarkiedauer: Möchte man die Solarenergie für mehrere regenarme Tage speichern? Dann entsprechend größer dimensionieren.

• Entladetiefe: Blei-Akkus sollten nur bis 50% entladen werden, Li-Ionen bis 95%. Dementsprechend mehr Speicherkapazität einplanen.

• Erweiterbarkeit: Es empfiehlt sich, Erweiterungsmöglichkeiten für zukünftigen Mehrbedarf einzuplanen.

Welcher Akku-Typ ist der beste für einen Solar-Stromspeicher?

Für Solarstrom-Speicher eignen sich am besten Lithium-Ionen-Akkus. Sie haben eine hohe Energiedichte, lange Lebensdauer und hohen Wirkungsgrad. Nachteile sind die höheren Kosten. Blei-Akkus sind robust und günstiger, haben aber geringere Zyklenfestigkeit.

Bei Li-Ionen-Akkus unterscheidet man LFP- und NMC-Zellen. LFP haben eine sehr hohe Zyklenfestigkeit, NMC höhere Energiedichte. Für Solaranwendungen eignen sich LFP-Zellen aufgrund der vielen Ladezyklen meist besser.

Was ist der Unterschied zwischen AC- und DC-Kopplung?

Bei AC-Kopplung liegt der Speicher hinter dem Wechselrichter, bei DC-Kopplung davor.

Vorteile AC: Einfache Installation, kein zusätzlicher Wechselrichter nötig, kompatibel mit öffentlichen Netz.

Vorteile DC: Höherer Wirkungsgrad, intelligentere Steuerung, kleinere Batterie möglich.

AC eignet sich für einfache Nachrüstung, DC für Neuanlagen und Optimierung.

Fazit

Die wichtigsten Kennzahlen von Stromspeichern wie Speicherkapazität, Entladetiefe, Zyklenzahl und Wirkungsgrad sollten bei der Auswahl und Dimensionierung eines Solar-Stromspeichers beachtet werden.

Die Speicherkapazität gibt an, wie viel Energie maximal gespeichert werden kann und ist entscheidend für die korrekte Dimensionierung. Die Entladetiefe zeigt, zu welchem Prozentsatz die Kapazität maximal entnommen werden sollte, ohne den Akku zu schädigen.

Der Wirkungsgrad ist ein Maß dafür, wie effizient der Speicher arbeitet. Moderne Lithium-Ionen-Akkus können bis zu 10.000 Ladezyklen erreichen und haben eine hohe Lebensdauer.

Wichtig ist auch die Wahl des richtigen Akku-Typs. Lithium-Ionen-Akkus haben einen höheren Wirkungsgrad und größere Zyklenfestigkeit als herkömmliche Blei-Säure-Akkus.

Die Kennzahlen ermöglichen es, den optimalen Stromspeicher für die eigenen Bedürfnisse auszuwählen und langfristig Kosten und Ressourcen zu sparen.