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Hallo Welt!

Blei-Säure vs. Lithium-Ionen: Die beste Lösung für Solarprojekte

Batterieenergiespeichersysteme (BESS) sind ein integraler Bestandteil des Solarenergie-Ökosystems und ergänzen die Solarenergie, indem sie deren Schwankungen abmildern und sowohl die Widerstandsfähigkeit als auch die Netzstabilisierung verbessern.

Wiederaufladbare Batterietechnologien wie Blei-Säure und Lithium-Ionen sind im Solarsektor weit verbreitet. Welche anderen Eigenschaften zeichnen sie neben den Unterschieden in der chemischen Zusammensetzung aus? Und welches passt am besten zu Ihrem Solarprojekt?

Lass uns eintauchen.

Vergleich von Solarbatterien

Technologieüberblick: Blei-Säure vs. Lithium-Ionen

Erfunden Gaston Planté im Jahr 1859, Blei-Säure war die erste wiederaufladbare Batterie für den kommerziellen Einsatz.

Diese Batterien bestehen typischerweise aus zwei primären bleibasierten Platten (Elektroden) in einer Gitterstruktur. Die positive Elektrode ist mit Bleidioxid beschichtet und das negative Gegenstück besteht aus Bleischwamm. Beide Platten werden in eine Elektrolytlösung aus Schwefelsäure und Wasser getaucht.

Seit ihrer Erfindung wurde Bleisäure ständig weiterentwickelt und ihre verbesserte Version, die versiegelte ventilregulierte Bleisäure (VRLA), hat sich weithin durchgesetzt. Gel-Blei-Säure-Batterien, eine Variante der VRLA-Technologie, haben sich zu einer guten Wahl für Solarenergiesysteme und andere netzunabhängige Anwendungen entwickelt. Im Gegensatz zu herkömmlichen gefluteten Blei-Säure-Batterien ist bei diesen Batterien die Wahrscheinlichkeit geringer, dass Flüssigkeit ausläuft, und sie erfordern weniger Wartung.

Solar-Lithium-Ionen-Akku

Die Geschichte der Lithium-Ionen-Technologie lässt sich nachvollziehen zurück in die 1970er Jahre als MS Whittingham und seine Kollegen die erste „wiederaufladbare Lithiumzelle“ erfanden. 

Heutzutage besteht die positive Elektrode in einer Lithium-Ionen-Batterie aus einem Metalloxid oder Phosphat, während die negative Elektrode üblicherweise aus Lithiumkobaltoxid (LiCoO2) oder anderen Materialien besteht. Anders als bei der Blei-Säure-Technologie besteht der Elektrolyt in einer Lithium-Ionen-Batterie meist aus einem in organischen Lösungsmitteln gelösten Lithiumsalz, das den Fluss von Lithiumionen zwischen positiver und negativer Elektrode ermöglicht.

Leistungsvergleich für Blei-Säure vs. Lithium-Ionen

Die Variation in der chemischen Zusammensetzung führt zu einzigartigen Eigenschaften, die sich auf die tatsächliche Leistung dieser Batterien auswirken. Zu den wichtigsten Kriterien gehören Energiedichte, Ladeeffizienz, Entladetiefe, Lebensdauer, Größe und Gewicht, Kosten und mehr.

Energiedichte

Die Energiedichte ist die in einer Batterie gespeicherte Energiemenge im Verhältnis zu ihrer Größe und ihrem Gewicht. 

Das gravimetrisch Die Energiedichte von Blei-Säure-Batterien liegt zwischen etwa 30 und 50 Wh/kg, während die von Lithium-Ionen-Batterien bei etwa 150 bis 250 Wh/kg liegt. Das heißt, die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien ist etwa fünfmal höher als die von Blei-Säure-Batterien und liefert viel mehr Energie pro Masseneinheit.

Ladeeffizienz

Der Ladewirkungsgrad gibt an, wie viel vom Ladestrom in in der Batterie gespeicherte Energie umgewandelt wird. Diese Messung ist besonders wichtig für den Batterieeinsatz im Solarsektor, da die Solarenergie intermittierend ist und innerhalb begrenzter Betriebsstunden maximale Energie umgewandelt und gespeichert werden muss.

Die früheren Generationen von Blei-Säure-Batterien haben einen schlechten Wirkungsgrad von etwa 50 %. Trotz jahrzehntelanger Fortschritte liegt der maximale Wirkungsgrad noch nicht dauerhaft über 85 %. Dies führt zu einem hohen Energieverlust während des Ladevorgangs.

Im Gegensatz dazu bieten Lithium-Ionen-Batterien eine Ladeeffizienz von über 90 %, wobei einige mit erstklassiger Technologie ausgestattete Produkte sogar einen Wert von fast 99 % erreichen.

Überwachung des Ladevorgangs von Solarbatterien

Entladungstiefe (DoD)

Kurz gesagt ist DoD eine Messung, die sich darauf bezieht, wie viel Kapazität der Batterie im Verhältnis zu ihrer gesamten geladenen Kapazität sicher entzogen werden kann.

Der DoD der meisten Blei-Säure-Batterien beträgt nur etwa 50 %. Mit anderen Worten: Benutzer müssen den Akku wieder aufladen, nachdem er etwa die Hälfte der geladenen Kapazität verbraucht hat; andernfalls wird es sich negativ auf die Lebensdauer auswirken.

Bei Lithiumbatterien beträgt der DoD 95 % oder mehr, was bedeutet, dass Sie die eingegebene und gespeicherte Energie effizient nutzen können.

Life Cycle

Bei dieser Messung handelt es sich um die Anzahl der vollständigen Ladezyklen, die ein Akku ohne nennenswerte Leistungseinbußen überstehen kann. Ein einzelner Zyklus wird gezählt, wenn ein Akku vom vollen Ladezustand in den vollständig entladenen Zustand übergeht.

Im Durchschnitt hat eine Blei-Säure-Batterie eine Lebensdauer von 300 bis 1500 Zyklen, was einer Nutzungsdauer von 1 bis 3 Jahren entsprechen kann. Lithium-Ionen-Batterien sind für ihre lange Lebensdauer bekannt und bieten eine Zyklenlebensdauer von etwa 2,000 bis 5,000.

Kosten

Ein weiteres wichtiges Maß für die Bewertung zwischen diesen beiden Batterien sind ihre Kosten.

Blei-Säure-Batterien kosten in der Regel etwa 75 bis 100 US-Dollar pro kWh, während Lithium-Ionen-Batterien zwischen 150 und 300 US-Dollar pro kWh kosten.

Einige werden denken, dass Blei-Säure-Batterien eine ideale Wahl für Projekte mit knappen Budgets sind. Aber immer, Die Kosten sollten nicht einfach gezählt werden. Die Kosten pro kWh sind hier die Anschaffungskosten einer Batterie. Insbesondere bei Solaranwendungen sollten Sie weitere Ausgaben im Zusammenhang mit der Batterienutzung einkalkulieren.

Batteriewartung

Zu guter Letzt sollten Sie auch die Wartungsdetails dieser Batterien berücksichtigen.

Versiegelte Blei-Säure-Batterien, der Haupttyp der in Solarprojekten eingesetzten Blei-Säure-Batterien, erfordern eine Überwachung ihrer Ladezyklen und regelmäßige Kontrollen der Belüftung.

Allerdings erfordern Lithium-Ionen-Batterien nach der Inbetriebnahme deutlich weniger Wartung. Die meisten dieser Batterien sind heute mit einem Batteriemanagementsystem (BMS) ausgestattet, um sicherzustellen, dass sie nicht überladen werden und bei normalen Temperaturen funktionieren.

Ladezeit sowie Gewicht und Größe des Akkus werden in der obigen Diskussion nicht behandelt. Sie korrelieren tatsächlich mit anderen Messungen wie Energiedichte, Ladeeffizienz und DoD.

Zusammenfassung: Welches ist am besten für Solarprojekte geeignet?

Nach einer kurzen Wiederholung der obigen Diskussion werden Sie feststellen, dass Lithium-Ionen-Batterien in den meisten Aspekten außer den Kosten besser abschneiden als Blei-Säure-Batterien. Warten Sie ... um genauer zu sein, es handelt sich um die ANFANGSKOSTEN.

Die Amortisationszeit von Solarprojekten

Die Lebensdauer von Solarmodulen beträgt in der Regel 25 Jahre, einige Premiumprodukte halten sogar bis zu 30 Jahre. Im Großen und Ganzen kann die geplante Lebensdauer eines Solarprojekts, egal ob Gewerbe- und Industrieprojekt oder Wohnprojekt, mindestens 10 Jahre betragen, oder? Einige großartige Solarprojekte können ihre Amortisationszeit um einiges verkürzen um 5 Jahren. Das bedeutet, dass sie für die gleiche Dauer das Vorhandensein von Solarbatterien benötigen.

Ein hochwertiger Lithium-Ionen-Akku kann etwa 10 Jahre halten. Auch wenn die Anschaffungskosten für Blei-Säure-Batterien niedrig sind, summieren sich die Gesamtkosten. Ganz zu schweigen von den damit verbundenen Arbeits- und Zubehörkosten.

Kundendienst und Lieferkette

Dabei geht es nicht um die Qualität der After-Sales-Services, sondern um die versteckten Kosten dahinter. 

Außergewöhnliche After-Sales-Services brauchen wie alle anderen auch Zeit. Zusätzlich zu den Ausrüstungskosten erfordert der Austausch von Blei-Säure-Batterien am Ende ihrer Lebensdauer im Rahmen Ihres Projektbetriebs bestimmte Verfahren innerhalb der Organisation und nimmt Zeit für Kommunikation und Koordinierung in Anspruch.

Bei Projekten in einer Region, in der noch keine zuverlässige lokale Solarlieferkette etabliert ist und das lokale Logistiksystem unzureichend ist, ist es für Betreiber ideal, auf zuverlässige Produkte mit längerer Lebensdauer zu setzen, um einen reibungslosen Projektbetrieb aufrechtzuerhalten.

Wie wäre es mit dem Problem des thermischen Durchgehens?

Möglicherweise erfahren Sie, dass es bei Lithium-Ionen-Batterien zu einem thermischen Durchgehen kommt, bei dem es sich um eine Kettenreaktion handelt, die im Allgemeinen durch Redoxreaktionen verursacht wird (Feng et al., 2019) und hohe Umgebungstemperaturen. 

Nach jahrelanger Verbesserung ist das Auftreten eines thermischen Durchgehens in diesen Batterien minimiert, was auf die Verwendung optimierter Materialien und Batteriestrukturen sowie fortschrittlicher BMS zurückzuführen ist. 

Diese BMS überwachen und verwalten verschiedene Parameter der Batterie über das Laden und die Wärmeverteilung hinaus, wie z. B. Zellspannung, Strom, Ladezustand und Gesundheitszustand. Sie tragen dazu bei, dass die Batterie unter kontrollierbaren und sicheren Bedingungen eine hervorragende Leistung erzielt.

Möglicherweise sind Sie immer noch besorgt über die Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien in Regionen mit heißem Klima, wie beispielsweise in vielen Ländern Afrikas oder des Nahen Ostens: Nigeria, Ägypten, Israel, Saudi-Arabien usw.

Seien Sie versichert. In den letzten Jahren hat die Lithium-Eisenphosphat-Batterie (LiFePO4), ein neueres Mitglied der Lithium-Ionen-Familie, ihre besonderen Vorteile unter Beweis gestellt.

Diese Batterien sind aufgrund ihrer thermischen und chemischen Stabilität für ihre hervorragende Sicherheit bekannt und bieten gleichzeitig einen längeren Lebenszyklus, eine erhöhte Stabilität in Umgebungen mit hoher Hitze und eine geringere Umweltbelastung.

Sie können über ihren Lebenszyklus hinweg kostengünstiger sein, obwohl die Anschaffungskosten höher sind als bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. 

Zusammenfassung

Es ist offensichtlich, dass Lithium-Ionen-Batterien mehr Vorteile bieten als Blei-Säure-Batterien.

Bei kurzfristigen Projekten kann Blei-Säure aufgrund der niedrigeren Preise möglicherweise besser abschneiden als ihre Mitbewerber. Dies gilt jedoch definitiv nicht für Solarprojekte, bei denen Nachhaltigkeit und das langfristige Wohlergehen der Menschen im Vordergrund stehen.

Denken Sie daran, dass die Lebenszeitkosten im Vordergrund stehen und praktischer sind als die Anschaffungskosten.

Kontinuierliche Innovationen im Lithium-Ionen-Batteriesegment machen es wettbewerbsfähiger. Die kontinuierliche Senkung der Produktkosten ist zweifellos eines der Hauptthemen im Arbeitsfeld der Forscher.
Übrigens, wenn es von minderer Qualität ist und/oder nicht ordnungsgemäß entsorgt wird, wird das Bleielement in Blei-Säure-Batterien freigesetzt große Risiken.

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