Stromversorgung in Kleinwohnformen – Energiespeicher – Teil 4

Bis vor kurzem haben wir Privaten kaum elektrische Energiespeicher in grösseren Formen gekannt. Geläufig sind uns allen Alkalibatterien für Taschenlampen und andere elektronischen Geräte. Diese werden je länger je mehr mit Lithium-Polymer Akkus ersetzt, welche z.B. via USB wieder geladen werden können. Und natürlich sind auch die 12V Autobatterien allgemein bekannt, mit welchen die einen oder anderen Interessierten schon gearbeitet haben.

Speicher, welche Energie für das öffentliche Netz speichern, kennen wir eigentlich nur in Form des Speichersees bei der Wasserkraft. Erdöl oder Erdgas für Verbrennungsmotoren- oder Stromerzeugergeneratoren, sowie als Speicher für Heizenergie. Auch Naturgas gehört in diese Kategorie. Bei uns weniger in Gebrauch sind Braun- und Steinkohle. Atomkraft würde ich nicht direkt als Speicher bezeichnen.

Erdöl, Erdgas, wie auch Stein- und Braunkohle sind im Grunde genommen wie Holz, natürlich entstandene Energieträger. Es sind Pflanzen- und Tierablagerungen, welche über Jahrmillionen unter hohem Druck und Hitze zu Öl und Gas oder eben Kohle verwandelt wurden. Da Erdöl jedoch nur „abgebaut und verbraucht“, aber nicht wieder ersetzt und erneuert wird (oder nur äusserst langsam), ist es in Verruf gekommen. Der eingelagerte Kohlenstoff wird wieder freigesetzt und als CO₂ in die Atmosphäre abgegeben.

Der natürlichste und ursprünglichste Energiespeicher ist das Holz. Vereinfacht gesagt bildet die Pflanze mithilfe von Sonnenlicht -mittels Photosynthese – aus Kohlendioxid und Sauerstoff den Rohstoff Holz. Das Kohlendioxid wird also in Form von Kohlenstoff im Holz gebunden.

Wie wir alle wissen, wurde Holz seit Beginn unseres Seins als Energielieferant genutzt. Neben Heizen und Kochen wurde es in Form von Kohle zum Antrieb von Maschinen und Fahrzeugen verwendet. Holz kann in Blockheizkraftwerken neben Heizenergie auch elektrische Energie liefern. Es ist für alle zugänglich und jede und jeder könnte dafür sorgen, dass es sich wieder erneuert. Die Menge von 1 kg lufttrockenem Holz hat einen Heizwert von etwa 4 kWh und ersetzt damit ungefähr 2.5 l Heizöl. Jedoch ist diese Energieausbeute bei Holz mit 1:3 relativ bescheiden.

Kritisiert wird, dass beim Verbrennen von Holz der gebundene Kohlenstoff wieder freigesetzt wird und zurück in die Atmosphäre wandert. Was viele dabei vergessen ist, dass CO₂ für jede Pflanze lebenswichtig ist, weshalb z.B. CO₂-Düngung in Gewächshäusern für den Wachstums- und Reifeprozess eingesetzt wird, das CO2 wird also absichtlich freigesetzt.

Es gibt eine Möglichkeit zur Verbrennung von Holz ohne die Freisetzung von CO₂ in die Luft! Sie heisst „Pflanzenkohle“, eine der besten und einfachsten CO₂-Speicher. Dabei wird das Holz nicht verbrannt, sondern mit dem Pyrolyse-Verfahren vergast. Zurück bleibt Kohlenstoff in Form von Kohle, sie kann für verschiedenste Anwendungen genutzt werden.

Daneben ist die korrekt veredelte Pflanzenkohle ein unglaublicher Speicher für Nährstoffe und Wasser und kann so die Bodenfruchtbarkeit massiv erhöhen und wiederherstellen. Diese Art des Kohlenstoffspeichers steht uns allen zur Verfügung. Mehr Informationen dazu auf www.kohlemachen.ch 😉

Wir möchten unsere selbst gewonnene Solarenergie für die Nutzung in der Nacht oder an bewölkten Tagen speichern.
Wie wir bei der Erzeugung von elektrischer Energie gehört haben, gibt es zwei Formen von elektrischem Strom, Gleichstrom (DC) und Wechselstrom (AC). Speichern können wir elektrische Energie nur in Form von Gleichstrom, diese muss also, falls sie in Form von Wechselstrom von der Erzeugerquelle kommt, in Gleichstrom gewandelt / gleichgerichtet werden. Wir sprechen daher immer von Gleichstrom, wenn wir über Energiespeicher sprechen.
Ebenfalls wichtig zu wissen ist, dass wir die elektrische Energie in Batterien und Akkus immer in einem chemischen Element speichern. Wir starten also einen elektrochemischen Vorgang in der Batterie. Zuerst zur Ladung, dann umgekehrt, zur Entladung.
Wir müssen uns darum immer an physikalische Gesetzmässigkeiten halten und bekommen immer eine Antwort auf unser Vorgehen.

Wenn man alles über einen Planer machen lässt, sind folgende Kosten zu erwarten: Dies ist ein Schätzwert, der auf Erfahrungswerten basiert. Es ist von Vorteil, wenn man dafür ca. 20’000.- Fr. budgetiert.

Die Spannungen variieren je nach Batteriechemie und Batterieaufbau.
Jede Batterie ist ein elektrochemisches Element und muss daher in ihren Spezifikationen betrieben und für einen sicheren Einsatz entsprechend überwacht werden. Je nach Zusammensetzung unterscheidet sich auch die Sicherheit von Batterien: Bleibatterien können beim Überladen hochexplosives und korrosives Knallgas erzeugen. Lithium Polymer Batterien können brennen und kaum gelöscht werden. Sie sind daher gerade bei grossen Leistungen mit Vorsicht zu behandeln. Lithium Eisenphosphat gilt als die sicherste Lithiumtechnologie momentan, sie kann zwar Rauch entwickeln, aber nicht brennen. Am sichersten und am einfachsten zu recyclen sind Salzwasserbatterien.

Lithiumbatterien haben eine sehr hohe Speicherkapazität pro Gewicht und Volumen, man spricht von ungefähr 3x höherer Leistung pro Gewicht und Volumen gegenüber Blei / AGM & Gel Batterien.
Eine Lithiumbatterie hat eine sehr hohe Effizienz von 95-99 % (Verlust beim Laden / Entladen) im Gegensatz zu herkömmlichen Bleibatterien, welche bei 75-80 % liegen.

Lithiumbatterie 2x 12.8V – 330Ah (4.2kWh)

Weiter punktet sie mit massiv höheren Lebens- / Zyklendauer, je nach Hersteller von 2000 Zyklen und mehr im Gegensatz zu 600-1000 Zyklen bei Bleibatterien. Damit ist die Wattstunde von Lithiumbatterien auf die Lebensdauer betrachtet günstiger als die von Bleibatterien. Jedoch erfordert auch die Lithiumbatterien eine entsprechende Überwachung und Ladekurve. Wird diese nicht eingehalten, ist der Verlust bei einem Defekt entsprechend höher.

Die Lithiumbatterien werden immer günstiger. Wie fast die gesamte Elektronik wird sie in Fernost gebaut. Auch der Metallabbau findet meist in Billiglohnländern unter schwierigen Bedingungen für die Arbeiter statt. Der Lithiumabbau verschlingt massive Mengen an Wasser und trocknet die umliegende Region bis zur Wüstenbildung aus. Chile ist eines dieser traurigen Beispiele.
Schaut man also genau hin, ist „elektrisch“ nicht immer so ökologisch und nachhaltig, wie man glauben könnte. Vielleicht bei uns Endverbraucher, aber kaum beim Produzenten.

Eine Alternative wären Salzwasserbatterien, welche bis vor kurzem in Österreich produziert wurden. (Der höhere Preis hat die Batterie offensichtlich nicht überleben lassen). Ein Nachteil der Salzwasserbatterie ist, dass sie im Bezug auf die Leistung und Volumen nicht mit der Lithiumbatterie mithalten kann. Man benötigt ein viel grösseres Volumen je Kapazität, gerade für hohe Leistungen. Dafür ist sie ungefährlich und kann komplett recycelt werden. Auch tiefe Temperaturen sind bei Salzwasserbatterien kein Problem, wohingegen Lithiumbatterien unter 0° je nach Batterie, nicht mehr geladen werden können. Tiefe Temperaturen verlangsamen den chemischen Prozess in jeder Batterie. Für Lithiumbatterien ist dies ein grosses Problem, was bei der Montage / Montageplatz berücksichtigt werden muss.

Da wir für Solarspeicher hohe Zyklen erwarten, sind Lithium oder Salzwasserspeicher üblich.
Es gibt noch eine Handvoll weiterer Speicher, auf welche ich jedoch hier nicht eingehen werde.
Da wir aber in einer kleinen Wohnform nur wenig Platz für Batterien haben, werden wir wohl den Schritt zu Lithiumbatterien einschlagen.

Wir wissen aus dem Beitrag Verbraucher, dass die „Leistung“ aus „Strom x Spannung“ resultiert.
So erkennen wir, dass der Strom für die gleiche Leistung bei kleinerer Spannung höher sein muss als bei hoher Spannung.

Um hohe Ströme ohne hohen Widerstand durch ein Kabel leiten zu können, benötigen wir dickere Kabel und „dickere“ Transformatoren zur Wandlung, was in einem höheren Bedarf von Kupfer resultiert. Höhere Spannungen sind also (bei gleicher Leistung) nicht nur besser, da sie dünnere Kabel benötigen, auch der Verlust beim Transport in der Leitung ist kleiner.
Da für jede Wandlung Verlust auftritt, versuchen wir die Wandlung, wann immer möglich, zu vermeiden.

Bei bis zu 50 Volt sprechen wir von Kleinspannungen, welche mit geringen oder keinen Vorschriften belegt sind. Daher sind die Speicher für Klein- bis Mittelanwendungen meist in 48V ausgeführt.
48V kommen aus der Entstehung der Batterieentwicklung. Bleibatterien sind aus 2 Volt Zellen zusammengebaut (6x2V=12V) Für grössere Fahrzeuge wie LKWs und Schiffe wird 24V eingesetzt (2x12V Batterie). So erkennt man die Entstehung von 48V Systemen.
Bei Lithium ist die Zellspannung nicht 2V, sondern 3.2V. Dies ergibt eine Batteriespannung von 12.8V – 25.6V oder 51.2V.

Zunehmend kommen auch Hochvolt-Speicher auf den Markt. Diese werden momentan für höhere Leistungen / Kapazitäten eingesetzt und sind darum für Kleinwohnformen kaum interessant.
Da es für den Fahrzeug- und Bootsmarkt ein Riesenangebot an 12V Geräten gibt, können wir mit 48V und einfachen Wandlern auch 12V Geräte betreiben und so auf die „rauf und runter“ Wandlung (48V -> 230V -> 12V) verzichten.

12V – Systeme sind nur für kleine Anlagen zu empfehlen. Bei grösseren Leistungen überwiegen die Vorteile der höheren Spannung. Ebenso sind 48V-Speicherbatterien kosten-h und regeltechnisch die bessere Wahl. Sie steuern, überwachen und schützen sich selbst.
Auch die Zertifizierung der Wechselrichter kann eine Rolle spielen, wenn ich überschüssige Solarenergie zurück ins öffentliche Netz speisen will. So sind oft nur Geräte mit 24V oder 48V dafür zertifiziert.

Die Nacht bis zum nächsten Sonnenschein zu überbrücken ist eine Sache, aber Tage oder Wochen ohne Sonne zu überbrücken, eine andere. Wir vernachlässigen die Nacht und denken in Tagen, wenn wir unsere Autarkie planen. Wir kennen unseren Verbrauch (ob berechnet oder über eine Zeitdauer gemessen) und rechnen damit.

Wie wir im Beitrag Energieerzeugung gesehen haben, sind vor allem die Monate November bis März (im Beispiel gemessen am Standort Ufenau auf dem Zürichsee) problematisch.
Wie auch erwähnt, ist die Entscheidung, ohne öffentliches Netz oder Backup-Generator auskommen zu wollen, massgebend für die Batteriedimensionierung.
Wollen wir ganz ohne Backup auskommen, müssen wir die Batterie massiv überdimensionieren. Was in der Realität kaum jemand macht. In abgelegenen Gebieten steht meistens ein Generator als Backup zur Verfügung, um einen Ausfall des Batteriesystems oder dessen Wartung überbrücken zu können.

Unseren Tagesverbrauch (inkl. Nacht) wollen wir sicher speichern können. Um eine Idee über das gesamte Jahr zu erhalten, eignet sich wiederum der Rechner des europäischen Photovoltaic Geoagraphical Information System. Dort kann ich Parameter einfach anpassen und habe auf Knopfdruck die Resultate.

Rechnen wir mit zwei Beispielen, basiert auf zwei Batterieoptionen, um eine Idee zu bekommen:

1. mit ca. dem 1.5-fachen unseres Tagesbedarfes, mit 2400 Wh als Speicher,
Batterieoption 12V 200Ah oder 24V 100Ah auch für Rückspeisung

2. mit ca. dem 3-fachen unseres Tagesbedarfes, mit 5200 Wh als Speicher,
Batterieoption 48V kleinste selbst geregelte Batterie auch für Rückspeisung

Aus der Grafik zum durchschnittlichen Ladezustand der Batterien über das Jahr hinweg, sehen wir nun, wie oft unsere Batterie in den Wintermonaten erwartungsgemäss leer sein wird.

Wir können sagen, dass mit der 2.4 kWh Batterie, die Batterie in den Wintermonaten an knapp jedem zweiten Tag leer sein wird und wir Backup-Energie benötigen.
Dagegen haben wir mit einer 5.2 kWh Batterie an weniger als sechs Tagen pro Monat leere Batterien und dies nur während drei Wintermonaten.
Haben wir mehr Solarfläche zur Verfügung, kann eine Erhöhung der Solarleistung Sinn ergeben. Wir können die Parameter in den Berechnungen anpassen und sehen, was dabei herauskommt.

Müssen wir das letzte Stück zur hundertprozentigen Autarkie durch eine Batterie decken, sollten wir die Kapazität erhöhen oder eine Backup-Option wählen.

In Anbetracht der hohen Menge an überschüssiger Energie, welche wir im Sommer nicht nutzen können, sehen wir, dass das öffentliche Netz, falls vorhanden, als Backup durchaus sinnvoll ist. Je nach Ertrag und Netzbezugskosten, können wir die im Winter benötigte Energie durch die im Sommer zurückgespeiste Energie ausgleichen.

Weitere Speichermöglichkeiten der überschüssigen Energie liegen bei der Erhitzung von Wasser mithilfe eines Boilers. Dies kann automatisch über den Ladezustand der Batterie gesteuert werden.
Natürlich kann ich auch mein E-Fahrzeug oder E-Fahrrad mit überschüssiger Energie laden. Was sich bei Fahrrädern gerade im Sommer als perfekt erweist.

Eine andere Überlegung kann sein, an sonnenreichen Tagen elektrische Kochgelegenheiten zu nutzen und ein Gas-Backup für weniger sonnige Tage und den Winter zu installieren. Dasselbe kann auch mit den Heizungsoptionen in Betracht gezogen werden.

Mit diesen Informationen und dem Rechner des europäischen Photovoltaic Geographical Information Systems, hast du nun die Werkzeuge in der Hand, um eine unabhängige oder netzgekoppelte Stromversorgung für dein Projekt zusammenzustellen.

Der vierte Pfeiler, die Wandlung, werden wir im letzten Teil der Serie noch anschauen. Die Parameter der „Wandler – Geräte“ sind durch die bis jetzt definierten Kriterien gegeben. Jetzt gilt es noch, aus dem Angebot auszuwählen.

Übersicht der Serie:

• Teil 1 – Übersicht
• Teil 2- Die Verbraucher
• Teil 3 – Energieerzeugung
• Teil 4 – Energiespeicher
• Teil 5 – Energiewandlung