… ein Akku? … ein Solarakku? … eine Batterie?

 Allgemeine Beschreibung

 

„Akku“, „Solarakku“, „PV-Akku“ oder „Batterie“ sind umgangssprachliche Beschreibungen für ein und dasselbe Teil. Es geht um das Gerät im Stromkreislauf, das Energie speichert. Die elektrische Energie wird hier in chemischen Bindungen gespeichert. Nicht wieder aufladbare elektro-chemische Speicher heißen Batterien, oder fachlich korrekt Primärelemente. Das sind die Batterien, die weggeworfen werden müssen, wenn sie leer sind. Akkumulatoren sind wieder aufladbar und werden ich Fachkreisen als Sekundärelemente bezeichnet. Um diese Teile geht es uns, denn sie dienen uns dazu den Strom über Tag zu speichern und nachts wieder abzugeben. Solarakkumulutoren sind dabei auf die besonderen Anforderungen einer Photovoltaikanlage zugeschnitten. Vom grundlegenden Aufbau her unterscheiden sie sich aber nur wenig von der altbewährten Autobatterie, die auch ein Akkumulator ist.

 

Von außen sieht man bei so einem Akku nur  zwei Kontakte. Der eine ist der Minuspol (schwarz). Der andere ist der Pluspol (rot). Diese Kontakte stehen stark vereinfacht mit den Elektroden im Inneren in Kontakt. Je nach Akkutyp findet hier die chemische Reaktion statt und Energie kann gespeichert werden. Die klassische Autobatterie ist ein Bleiakkumulator. Dieses System ist wohl erprobt und entsprechend günstig in der Herstellung. Die ersten Solarakkus und die heutigen preiswerten sind daraus hervorgegangen. Sie sind robust und billig. Die Elektroden bestehen aus Blei. Neuere Akkutypen haben Nickel-Elektroden (NiMH) oder sie speichern die Energie über Lithium-Ionen (Li-Ionen)

Skizze eines Akkus im Schnitt
Skizzenhafte Darstellung eines Standard-Akkus

Zusammengefasst - Der Akku

Funktion

Ein Akku speichert Energie. Er kann nur mit Gleichstrom (DC) beladen werden und liefert ausschließlich Gleichstrom (DC).

 

Wichtige Kennwerte

Kapazität

Gibt an wie viel Energie im Akku gespeichert werden kann. Meist in Amperestunden (Ah) angegeben. Multipliziert mit dem Spannungsniveau erhält man Energiemenge in Wattstunden (Wh).

Spannungsniveau

Grundniveau der Spannung zwischen den Anschlüssen des Akkus. Die reale Spannung varriert je nach Ladezustand des Akkus um diesen Kennwert. Angabe erfolgt in Volt (V).

Ladeleistung

Gibt an wie viel Leistung eingetragen bzw. vom Akku abgegeben werden kann. Angabe in Watt (W).

Ladezyklus

Von der vollen Ladung bis zur Entladung ist ein Ladezyklus. Zwei halbe Zyklen ergeben auch einen ganzen.

Lebenszeit

eines Akkus wird entweder in Ladezyklen oder in Jahren angegeben. Meist definiert durch eine Restkapazität von 80% der ursprünglichen Kapazität.

Die Kennwerte eines Akkus am Modell

Für den Anwender ist das erst einmal zweitrangig. Wobei zu sagen ist, dass jedes System seine Berechtigung und sein Anwendungsfeld hat. Wichtig ist nur, dass der Laderegler <verlinken> auch den entsprechenden Akkutyp unterstützt und auf ihn eingestellt ist.

Alle Akkumulatoren besitzen einige gemeinsame Eigenschaften, wie die Lebenszeit, die in Ladezyklen angegeben wird, den Wirkungsgrad und die mögliche Entladetiefe. Die wichtigsten sind aber wohl die Kapazität und die Ladeleistung. Um alle Eigenschaften zu verstehen, hilft ein Vergleich. Ich stelle mir gerne den Akku als großen Turm vor, der mit Wasser gefüllt ist und einen Auslass hat.

Kapazität, Ladeleistung, Ladezyklen und Wirkungsgrad

Die Kapazität gibt an wie viel Energie gespeichert werden kann, also wie viel Wasser in den Turm passt. Man muss aber die nutzbare Kapazität beachten. Einige Akkutypen können fast vollständig entladen werden ohne Schaden zu nehmen, andere dürfen nur bis zu 50 % entladen werden. Das ist die Entladetiefe. In unserem Bild von dem Wasserturm entscheidet darüber die Position von dem Wasserauslass. Ist dieser tiefer gelegen, können wir mehr Wasser nutzen, als wenn er in der Mitte ist. Dann verbleibt auch immer eine Restladung in unserem Akku, die wir nicht benutzen können. Bleiakkumulatoren z.B. haben nur eine Entladetiefe von 50 %. Würde man sie tiefer entladen, würden sie Schaden nehmen. Der Turm braucht sozusagen den Wasserdruck von innen, sonst klappt er zusammen.

Die Ladeleistung gibt an wie viel Strom maximal entnommen werden kann, also wie viel Wasser durch den Auslass strömen kann, ohne dass dieser kaputt geht. Das ist besonders wichtig für netzferne Anwendungen, also für uns mit unserem Gartenhaus.

Jeder Akku verliert an Kapazität während seiner Benutzung. Je öfter er geladen und entladen wird, desto mehr Kapazität büßt er ein. Man spricht hierbei von Ladezyklen. Die Lebensdauer eines Akkus ist als die Anzahl an Ladezyklen angegeben, bis die Akkukapazität auf 80 % der ursprünglichen Kapazität abgefallen ist. Im Prinzip ist der Akku auch danach noch benutzbar. Nur speichert er eben nicht mehr so viel Energie. In unserem Modell könnten wir uns das als Kalkablagerungen vorstellen. Je öfter wir neues Wasser durch den Turm jagen, desto mehr Kalk lagert sich ab und das Volumen in dem wir Wasser speichern können nimmt ab.

Weil die Welt nicht ideal ist, kommt dann noch der Wirkungsgrad zum Tragen. Nicht die komplette Energie, die wir in den Akku stecken, können wir auch wieder entnehmen. Den Anteil den wir wirklich wieder rausholen können, gibt der Wirkungsgrad an. Bildlich gesprochen können das die Verluste in den Leitungen zu unserem Turm sein. Nicht alles was rein sollte, kommt auch wieder raus. Außerdem wurde ein bisschen gepfuscht und der Turm ist nicht ganz dicht. Deswegen verliert er auch mit Zeit an Wasser, wie jeder Akku, der sich langsam aber sicher selbst entlädt. Das kann dann zum Problem werden, wenn durch die Selbstentladung so viel Energie verloren geht, dass die Restkapazität unterschritten wird. Wie gesagt, kann das zu Schäden am Akku führen. Deswegen sollte ein Akku, der nicht benutzt wird, regelmäßig geladen werden. In der Regel reicht das alle drei Monate, aber es kommt eben auf den Akku und seinen Zustand an.

Modellhafte Darstellung eines Akkus als Wasserspeicher

Kurz gefasst

  • Kapazität entspricht dem Volumen
  • Der Zu- und Ablauf bestimmt die Ladeleistung
  • Einmal voll aufladen ist ein Ldezyklus
  • Der Wirkungsgrad beschreibt die Verluste
  • Tiefenentladung zerstört den Akku
  • Höhere Temperaturen beschleunigen die Reaktionen

Tiefenentladung und der Einfluss der Temperatur

Auch wenn ich Tiefenentladung schon weiter oben angesprochen habe, will ich nochmal darauf eingehen. Denn es ist wichtig, sonst ist der Akku kaputt und das schöne Geld zum Fenster rausgeworfen. Die Geräte, die an den Akku geschlossen werden, sollten immer einen Tiefentladeschutz haben, der auf den Akkutyp angepasst ist. Ein Tiefentladeschutz misst die Spannung des Akkus und schaltet den Verbrauch ab, wenn die kritische Spannung unterschritten wird. Da unterschiedliche Akkutypen unterschiedliche kritische Spannungen haben, muss die Elektronik des angeschlossenen Gerätes auch mit dem Akkutyp umgehen können. Gute Laderegler <link> und auch Wechselrichter <link> haben diese Funktion.

Es gibt noch zwei grundlegende Einflüsse der Temperatur auf den Akku. Grundsätzlich kann man sich merken, wenn es wärmer ist, passieren die chemischen Reaktionen schneller. Das heißt bei höheren Temperaturen nimmt die Selbstentladung zu. Also ist es besser, den Akku im kühlen Keller zu verwahren, als auf dem heißen Dachboden. Andersrum kann das auch dazu führen, dass ein Akku im Winter streikt und kaum Strom abgeben kann, wenn er kalt ist. Dann heißt es den Akku gut einpacken, hegen und pflegen, zu Not warm reiben, und dann liefert er auch wieder den verlangten Strom.

Skizzierter Wechselrichter

Von Gleichstrom zu Wechselstrom

Wie funktioniert ein Wechselrichter?

Skizzierter Ladereglers

Die Schaltzentrale der Anlage

Wie funktioniert ein Laderegler?