Energieeffizienz von alternativen Batteriespeichersystemen im Vergleich zu Systemen auf Lithium-Ionen-Basis

PV-Batteriesysteme gewinnen vor allem im Heimspeicherbereich aufgrund von steigenden Netzbezugskosten und sinkenden Einspeisevergütungen immer mehr an Relevanz. Dabei hatten Lithium-Ionen-Speicher im Jahr 2022 einen Marktanteil von über 98 %. Die Abhängigkeit von einem Material bzw. einer Batterietechnologie stellt eine Gefährdung der deutschen Klimaschutzziele dar, weshalb die Forschung und Entwicklung von alternativen Batteriespeichersystemen immer mehr an Bedeutung gewinnt. Damit sich auch diese PV-Speicher auf dem Markt etablieren können, müssen sie gegenüber herkömmlichen Lithium-Ionen-Speichern konkurrenzfähig werden.

Geringere Leistungsfähigkeit und hohe Umwandlungsverluste

Zwei alternative Batteriespeicher wurden vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gemäß des Effizienzleitfadens für PV-Speichersysteme vermessen. Die Leistungsfähigkeit der untersuchten alternativen Speichersysteme beim Laden und Entladen hängt direkt vom Lade- und Entladezustand der Batterie ab. Infolgedessen verringert sich die Ladeleistung der beiden getesteten Systeme mit zunehmendem Ladezustand der Batterie. Ähnlich dazu reduziert sich ihre Entladeleistung mit abnehmendem Ladezustand der Batterie. Die beiden alternativen Speichersysteme erreichen ihren maximalen Umwandlungswirkungsgrad im Lade- und Entladebetrieb bei Leistungen zwischen 0,3 kW und 0,8 kW. Bei niedrigeren Leistungen kommt es zu Leerlaufverlusten im Wechselrichter, wodurch die Umwandlungseffizienz mit abnehmender Leistung sinkt. Bei hohen Leistungen nehmen Schaltverluste und ohmsche Verluste innerhalb des Wechselrichters zu. Dadurch vermindern sich die Umwandlungswirkungsgrade bei höheren Leistungen. Die beiden alternativen PV-Speichersysteme haben vergleichsweise geringe Batteriewirkungsgrade. Das Natrium-Ionen-System hat einen mittleren Batteriewirkungsgrad von 79 %. Der Natrium-Nickelchlorid-Speicher erreicht vor allem aufgrund seiner internen elektrischen Batterieheizung lediglich einen mittleren Batteriewirkungsgrad von etwa 71 %. Im Vergleich zu den alternativen Speichern haben hocheffiziente Lithium-Ionen-Speicher mittlere Batteriewirkungsgrade von mehr als 95 %.

Lithium-Ionen-, Natrium-Ionen- und Natrium-Nickelchlorid-Speicher im Anwendungstest

Auf Basis der Ergebnisse des Anwendungstests konnte das Verhalten der Systeme im realen Betrieb analysiert werden. Aus dem Vergleich der drei Batterietechnologien lassen sich folgende Rückschlüsse auf das Betriebsverhalten der alternativen Batteriespeicher ziehen: Im realen Betrieb zeigen die beiden alternativen Batteriespeicher eine Reduktion der Ladeleistung mit zunehmendem Ladezustand der Batterie. Obwohl die Speicherkapazität des Lithium-Ionen- und des Natrium-Ionen-Systems fast übereinstimmen, ist der Ladevorgang des Lithium-Speichers im Anwendungstest um bis zu 8 h früher abgeschlossen als der des Natrium-Ionen-Speichers. Der Natrium-Nickelchlorid-Speicher erreicht innerhalb des Anwendungstests nicht seinen vollständigen Ladezustand. Grund dafür ist die größere Speicherkapazität des Systems. Im Entladebetrieb zeigen die beiden alternativen Batteriespeicher ein ähnliches Verhalten. Zusätzlich dazu reduziert sich für beide Speicher die Entladeleistung mit zunehmendem Entladezustand der Batterie. Dadurch kann der Lithium-Ionen-Speicher über einen längeren Zeitraum größere elektrische Lasten bedienen. Das ist einer der Hauptgründe, weshalb das Lithium-System im gesamten Anwendungstest etwa 3 kWh mehr als der Natrium-Ionen-Speicher wieder abgeben kann. Im Entladefall spielt die Reduktion der nominellen Leistung für den Natrium-Nickelchlorid-Speicher eine untergeordnete Rolle, da der Speicher aufgrund seiner Batteriegröße häufig vom Entladebetrieb direkt in den Ladebetrieb übergeht.

Simulation mit Simbat und PerModAC

Die mit Simbat ermittelte AC- und DC-Energieabgabe sowie die DC-Energieaufnahme weicht stärker von den gemessenen Werten ab als bei PerModAC. Die Differenz zwischen den beiden Simulationsmodellen liegt zwischen einem und 3 Prozentpunkten. PerModAC erreicht eine bessere Abbildungsgenauigkeit durch die Berücksichtigung der leistungsabhängigen Umwandlungswirkungsgrade des Batteriewechselrichters. Im Vergleich dazu nutzt Simbat feste Werte, wodurch größere Abweichungen auftreten. Die Abweichung der mit Simbat simulierten AC-Energieaufnahme liegt bei 8 %, wohingegen PerModAC eine doppelt so hohe relative Abweichung aufweist (16 %). Die Ursache dafür ist allerdings nicht eindeutig, da in diesem Fall zwei Simulationsereignisse auftreten. Beide Simulationsmodelle vernachlässigen die Abhängigkeit der Ladeleistung von dem Ladezustand der Batterie, wodurch die Abweichung der AC-Energieaufnahme mit jeder Ladephase steigt. Da PerModAC die Stand-by-Leistung berücksichtigt, nimmt die AC-Energieaufnahme über den ganzen Zeitraum, vermehrt allerdings an den letzten beiden Tagen, deutlich zu.