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Hallo Welt!

Werden Ni-Cd-Batterien in Solarprojekten verwendet? [Vor- und Nachteile + Alternativen]

Die Geschichte der Nickel-Cadmium-Batterien (Ni-Cd) lässt sich bis vor über 100 Jahren zurückverfolgen, als ein schwedischer Erfinder eine wiederaufladbare Batterie mit Nickel- und Cadmiumelektroden entwickelte.

Als Projektentwickler oder Auftragnehmer wissen Sie möglicherweise, dass die Lithium-Ionen-Batterietechnologie weit verbreitet ist. Aber werden Ni-Cd-Batterien heute in Solarprojekten verwendet?

Wir gehen näher auf die Vor- und Nachteile dieses Solarbatterietyps ein. Dann werden Sie besser verstehen, warum sie als Batterielösung eine gute Wahl sind und warum nicht.

Werden Ni-Cd-Batterien in Solarprojekten verwendet?

Was sind Ni-Cd-Solarbatterien? Wie arbeiten Sie?

Ni-Cd-Batterien verwenden Nickeloxidhydroxid als Kathode und metallisches Cadmium als Anode. Der Elektrolyt enthält Kaliumhydroxid (KOH) mit einer Konzentration im Bereich von 20% bis 35% nach Gewicht.

Beim Laden wird Nickeloxidhydroxid (NiOOH) an der Kathode der Batterie unter Freisetzung von Elektronen wieder in Nickelhydroxid (Ni(OH)₂) umgewandelt. Währenddessen oxidiert Cadmium (Cd) an der Anode zu Cadmiumhydroxid (Cd(OH)₂), indem es die Elektronen aufnimmt, die von der Kathode durch den externen Stromkreis gewandert sind.

Beim Entladen fließt der elektrische Strom in umgekehrter Richtung. 

Das Nickelhydroxid (Ni(OH)₂) an der Kathode wird unter Aufnahme von Elektronen zu Nickeloxidhydroxid (NiOOH) reduziert. An der Anode gibt Cadmiumhydroxid (Cd(OH)₂) Elektronen ab und wandelt sich wieder in metallisches Cadmium (Cd) um.

Der KOH-Elektrolyt spielt weder bei der Lade- noch bei der Entladereaktion eine Rolle. 

Was sind die Vor- und Nachteile von Ni-Cd-Akkus?

Seit der Einführung von Ni-Cd-Batterien wurden mehrere neue Batterietechnologien auf den Markt gebracht, was wiederum die Vor- und Nachteile von Ni-Cd-Batterien in heutigen Anwendungen verdeutlicht.

Nachteile

Der Grund, in unserer Erklärung die Nachteile über die Vorteile zu stellen, ist die wachsende Besorgnis über die Umweltfreundlichkeit der Batteriespeichertechnologie.

Umweltrisiken

Wie die in ähnlicher Zeit erfundene Blei-Säure-Batterie enthalten auch Ni-Cd-Batterien giftige Elemente. Nickel und Cadmium werden mit verschiedenen Umweltproblemen in Verbindung gebracht. Obwohl die heutige Herstellungstechnologie das Leckagerisiko enorm minimiert hat, können diese Elemente bei unsachgemäßer Entsorgung immer noch zu Verschmutzung und Toxizität für Meeres- und Flussmündungsbiota führen.

Umweltgefährdung durch Cadmium in Ni-Cd-Batterien

Memory-Effekt

Der „Memory-Effekt“ bei Ni-Cd-Akkus bezieht sich auf das Phänomen, dass sie dazu neigen, eine Erinnerung zu behalten vorherige Ladestufen wenn es vor dem Aufladen nicht vollständig entladen ist.

Wir nennen es als einen der größten Nachteile, da es erhebliche Herausforderungen für die Lade- und Entladevorgänge mit sich bringt. Dieser Effekt kann ihre Anwendbarkeit in Solarspeicherprojekten aufgrund des Risikos einer verminderten Kapazität direkt einschränken.

Niedrige Energiedichte

Aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung und möglicher Materialfehler bieten Ni-Cd-Batterien keine hohe Energiedichte wie andere moderne Batterien. 

Die Energiedichte liegt typischerweise im Bereich von etwa 40-60 Wh/kg. Dieser Schwachpunkt schränkt die Gesamtkapazität der Batterien bei einem gegebenen Gewicht oder Volumen ein und macht sie zu einer weniger effizienten Wahl als Alternativen zur Energiespeicherung.

Geringerer Lebenszyklus und höhere Selbstentladungsrate

Ni-Cd-Akkus haben im Durchschnitt eine Lebensdauer von 1,000–2,000 Stunden. Sie ist höher als die von Blei-Säure-Batterien, kann jedoch nicht mit anderen fortschrittlichen Alternativen konkurrieren. 

Darüber hinaus können sich viele wiederaufladbare Batterien mit der Zeit selbst entladen, Ni-Cd-Batterien weisen jedoch eine höhere Selbstentladungsrate von etwa 10 bis 20 % pro Monat bei Raumtemperatur auf. Das bedeutet, dass sie im Leerlauf nach und nach einen großen Teil ihrer Ladung verlieren können. Da jedoch täglich Batterien in Verbindung mit Solarmodulen funktionieren müssen, stellt dies bei Solarprojekten möglicherweise kein großes Problem dar.

Möglicherweise teurer

At SolarBuy.comWir sind der Meinung, dass es nicht fair ist, die Kosten ausschließlich auf der Grundlage der Vorabkosten der Ausrüstung zu vergleichen.

Auch wenn Ni-Cd-Akkus von vornherein günstiger sein mögen, verursachen die vergleichsweise kürzere Lebensdauer, die geringere Energiedichte und der Memory-Effekt versteckte Kosten. Diese Kosten sind nicht sofort erkennbar oder leicht zu quantifizieren, wirken sich aber mit Sicherheit auf die Gesamtkosten eines Projekts aus.

Vorteile

Diese wiederaufladbaren Batterien verfügen dennoch über mehrere Vorteile, die unsere Beachtung verdienen.

Rau

Die Robustheit von Ni-Cd-Akkus beruht auf ihrer soliden Bauweise, die ihnen eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Stößen und Vibrationen verleiht.

Durch diese Funktion bleiben diese Batterien funktionsfähig Schwerlast Industrieanwendungen, bei denen Batterien grober und unsachgemäßer Handhabung ausgesetzt sein können.

Hohe Entladerate

Der niedrige Innenwiderstand, die chemische Zusammensetzung und die robusten Elektroden von Ni-Cd-Batterien ermöglichen eine schnelle Bereitstellung elektrischer Energie. Aufgrund dieser Funktion eignen sich diese Batterien für Anwendungen, die schnelle Energiestöße oder eine hohe Leistungsabgabe über einen kurzen Zeitraum erfordern.

Aber Solarprojekte erfordern normalerweise keine Batterien mit außergewöhnlich hohen Entladeraten. Vielmehr priorisieren sie oft andere Faktoren, einschließlich der Energiedichte und der Lebensdauer.

Gute Leistung bei extremen Temperaturen

Solarprojekte befinden sich an Standorten, an denen reichlich Sonneneinstrahlungsressourcen vorhanden sind. An einigen dieser Standorte herrscht möglicherweise heißes Klima.

Aufgrund ihrer robusten Konstruktion und chemischen Stabilität sind Ni-Cd-Solarbatterien für ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber extremen Temperaturen bekannt. Diese Batterien behalten ein relativ stabiles Entladungsprofil bei und können eine konstante Leistungsabgabe liefern. 

Untersuchungen zeigen, dass Ni-Cd-Akkus Temperaturen von bis zu 70 °C standhalten können. 

Auch bei kalten Temperaturen können diese Akkus eine zufriedenstellende Leistung erbringen. Während es bei kalten Bedingungen zu erheblichen Kapazitäts- und Effizienzproblemen kommen kann, sind diese Batterien im Vergleich zu einigen anderen Batteriechemikalien weniger anfällig für Schäden.

Alternativen zu Ni-Cd-Batterien in Solarprojekten

Darüber hinaus Ni-Cd-, Blei-Säure-, Lithium-Ionen- und Flow-Batterien sind verfügbare Optionen für die Energiespeichermodule in Solarprojekten.

Da verschiedene Projekte unterschiedliche Konfigurationen und Installationsbedingungen haben, besteht der Entscheidungsprozess darin, die Vor- und Nachteile der einzelnen Technologien abzuwägen.

Batteriespeichermodul für großes Solarprojekt
„Canadian Solar“ (Ausschnitt) von blmcalifornia ist mit der Public Domain Mark 1.0 gekennzeichnet.

Blei-Säure-Batterien sind kostengünstige Optionen für verschiedene Arten von Solarprojekten, insbesondere für solche mit einem knappen Anfangsbudget und für solche in einer Region, in der die Versorgung mit anderen neueren Batterietechnologien nicht gewährleistet werden kann.

Lithium-Ionen-Batterien sind hinsichtlich des Marktanteils derzeit führend auf dem Weltmarkt und machen etwa 60–65 % des gesamten Energiespeichermarkts aus. Obwohl ihre Produktkosten höher sind als die von Ni-Cd-Batterien, übertreffen Lithium-Ionen-Batterien Ni-Cd in einigen kritischen Kriterien für Solarprojekte, darunter Energiedichte, Ladeeffizienz, DoD und Lebenszyklus.

Bemerkenswert ist, dass bei Lithium-Ionen-Batterien ein dramatischer Kostenrückgang von ca 97 Prozent seit ihrer Einführung. Aufgrund laufender Innovationen in der Materialwissenschaft gepaart mit Skaleneffekten ist ein anhaltender Preisverfall absehbar.

Unter den verschiedenen Arten der Lithium-Ionen-Technologie nehmen Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LiFePO4) einen wachsenden Anteil ein. Dieser Batterietyp ist für seine überlegene thermische und chemische Stabilität bekannt, weist eine bessere Toleranz gegenüber erhöhten Temperaturen auf und bietet gleichzeitig eine viel längere Lebensdauer und eine höhere Energiedichte als Ni-Cd-Batterien. In den letzten Jahren verzeichnete die Branche eine stetig zunehmende Akzeptanz dieser Batterien, da sie für ihre langfristig stabile und zuverlässige Leistung bekannt sind.

Schließlich sind Flow-Batterien, die jüngsten aller hier diskutierten Batterien, für ihre deutlich längere Lebensdauer bekannt, selbst im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien. Damit eignen sie sich ideal für Solarprojekte, die auf eine langfristig reibungslose Anwendung abzielen. Dennoch sind Flow-Batterien die bislang teuerste Batterietechnologie.

Ni-MH: Eine weitere Solarbatterie auf Nickelbasis

Ni-MH-Akkus wurden teilweise als Reaktion auf die dringende Notwendigkeit erfunden, die mit Ni-Cd-Akkus verbundenen Umweltauswirkungen anzugehen.

Diese Batterien bestehen aus Nickel, Kobalt und einigen Seltenerdelementen. Sie sind dadurch umweltfreundlicher Abwesenheit von giftigem Cadmium. Darüber hinaus gelten sie aufgrund eines weniger komplexen Recyclingprozesses und einer verbesserten Energiedichte und Ladeeffizienz als bessere Wahl als ihr Gegenstück auf Nickelbasis.

Zusammenfassung

Wir können daraus schließen, dass es so ist sehr ungewöhnlich Ni-Cd-Batterien in Solarprojekten einzusetzen. Es gibt einige bessere Alternativen, die den inhärenten Anforderungen von Solarprojekten gerecht werden und eine höhere Dichte, eine stabilere Leistung und eine längere Lebensdauer mit sich bringen.

Ni-Cd-Batterien basieren auf einigen besonderen Merkmalen und finden ihren Platz in der Luft- und Raumfahrt, im Verteidigungswesen, im Gesundheitswesen, in der Automobilindustrie und in industriellen Anwendungen.
Insgesamt liegt der Marktanteil von Ni-Cd-Akkus lediglich bei etwa oder unter 5 %. Die Europäische Kommission hat erlassene Verordnung die Verwendung cadmiumhaltiger Batterien in bestimmten Branchen zu verbieten.

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