28.000 Ladezyklen im Labor: Warum sonnen Batteriespeichertechnologien seit fast zehn Jahren testet

Als sonnen sein Batterielabor im Jahre 2011 in Wildpoldsried eröffnete, stand die moderne Batterietechnologie für Heimspeicher noch ganz am Anfang. Bereits seit Beginn nutzt sonnen dafür die Lithium-Eisenphosphat-Batterietechnik (LFP). Zwar galt dieser Typus damals schon als besonders langlebig, doch mangelte es naturgemäß an konkreten Erfahrungswerten in einem Heimspeicher. Viele Jahre und Tausende Ladezyklen später, untermauern Ergebnisse eines im Labor durchgeführten Langzeittests nun die Stärken dieser Speichertechnologie.

Ein Heimspeicher muss über einen langen Zeitraum zuverlässig seinen Dienst verrichten – denn nur dann ist er nachhaltig und ökonomisch sinnvoll. Ein entscheidender Punkt ist hier die Batterietechnik. Ob Elektroauto, E-Bike oder eben Stromspeicher, jeder Anwendungsbereich hat seine konkreten Anforderungen, welche die Batterien erfüllen müssen. Es gibt heute sehr viele Batterietechnologien von unzähligen Herstellern. Um verlässliche Daten über die Funktionsweise, die Lebensdauer oder die Sicherheit zu erhalten, hat sonnen bereits ganz am Anfang ein eigenes Batterielabor gegründet. Die Entwicklungsingenieure testen neue Batterien von verschiedenen Herstellern über lange Zeiträume, bevor sie dann in der sonnenBatterie zum Einsatz kommen dürfen. Ein wichtiger Punkt ist dabei die Lebensdauer.

Grundsätzlich altern alle Batterien und verlieren damit über die Zeit einen Teil ihres Speichervermögens und ihrer Leistung. Sie altern dabei durch zwei Faktoren: Zum einen verkürzt jedes vollständige Be- und Entladen – also ein Ladezyklus – ein kleines Stück weit die Lebensdauer einer Batterie. Zum anderen gibt es die kalendarische Alterung. Chemische Prozesse innerhalb der Batterie führen über viele Jahre hinweg auch dazu, dass die verbleibende Lebensdauer der Batterie abnimmt. Die Frage ist also: Wie oft können Batterien be- und entladen werden und wie äußert sich die kalendarische Alterung? Während die Hersteller von Batterien das mit Tests im Labor simulieren und hochrechnen, liefern Langzeittests noch realistischere Eindrücke.

Ein von sonnen begonnener Langzeittest, der jetzt schon fast acht Jahre andauert und weiter fortgesetzt wird, kommt nun zu interessanten Ergebnissen: Dazu wurde eine Lithium-Eisenphosphat-Batteriezelle deutlich härteren Bedingungen ausgesetzt, als es in einem Haushalt in vergleichbarer Zeit üblich wäre. Es herrschen also alles andere als Wohlfühlbedingungen im Labor für die Batterie. So wurde sie mehrmals am Tag vollständig be- und entladen, was die Batterie stärker belastet und im Haushalt in der Regel nicht passiert. Getestet wurde mit einer C-Rate von 1 und 100 Prozent Entladetiefen (Depth of Discharge). Das bedeutet, dass die Batteriezelle innerhalb einer Stunde vollständig beladen und innerhalb einer Stunde wieder vollständig entladen wurde. In einem durchschnittlichen Haushalt kann man jedoch nur von einer vollständigen Be- und Entladung am Tag ausgehen.

Unter diesen Voraussetzungen erreichte die Zelle bislang 28.000 Ladezyklen und kann immer noch rund 65 Prozent ihrer Ausgangskapazität vorweisen. Selbst nach den jetzt schon erreichten 28.000 Zyklen demonstriert dieses Ergebnis, dass das Lebensende der Zelle noch nicht erreicht wurde. Dieser Punkt ist üblicherweise dann erreicht, wenn Lithium-Ionen-Batterien rapide an Leistung verlieren. Ein Verhalten, das viele Menschen von ihrem Handy kennen, wenn es nach einigen Jahren immer häufiger geladen werden muss und immer kürzer durchhält.

Wir erinnern uns, mit jedem Ladezyklus verliert die Batterie ein ganz klein wenig ihrer Lebensdauer. Rechnet man das herunter, benötigt die Batteriezelle etwa 800 Ladezyklen, um ein Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität zu verlieren.

Man kann jetzt durchaus die Frage stellen, welchen Wert solche Ergebnisse haben und wer überhaupt so oft laden soll. Aktuell gehen wir davon aus, dass ein Heimspeicher in Deutschland für den durchschnittlichen Eigenverbrauch eines Haushalts nur etwa 250 Ladezyklen im Jahr benötigt – weniger als 1 % der jetzt im Labor insgesamt gemessenen Zyklen. In anderen Ländern wie etwa Italien oder Australien können es auch mehr sein. Da sonnen internationale Märkte beliefert, müssen also auch diese Anforderungen berücksichtigt werden.

Bei sonnen gehen wir jedoch davon aus, dass in Zukunft mehr Ladezyklen benötigt werden, als für den heutigen Eigenverbrauch. Dieser ist in der Regel noch sehr stark davon geprägt, dass lediglich der normale Haushaltsstrom von PV-Anlage und Speicher abgedeckt wird. Durch die zunehmende Nutzung von E-Autos, könnten Speicher zum Beispiel stärker gefordert werden. Ganz konkret können wir heute schon beobachten, dass durch den Einsatz der sonnenBatterie in unserem virtuellen Kraftwerk (VPP) die Anzahl der benötigen Ladezyklen steigt, weil die sonnenBatterien neben dem Eigenverbrauch auch für Netzdienstleistungen genutzt werden. Diese Entwicklung steht erst ganz am Anfang und wird in den kommenden Jahren noch mehr Schwung aufnehmen.

Unsere Testergebnisse zeigen also, dass die von sonnen verwendete Batterietechnologie diesen Herausforderungen bereits jetzt gewachsen ist und damit auch zukunftsfähig ist.

Eine hohe Anzahl von Ladezyklen ist außerdem ein generelles Qualitätsmerkmal für die Batterien, ob sie nun voll genutzt werden oder nicht. Hier wieder ein Rechenbeispiel zur Veranschaulichung: Wenn eine Batterie nach z.B. 10.000 Ladezyklen immer noch 80 % ihrer Ausgangskapazität aufweisen kann, dann verliert sie rein rechnerisch nach 500 Zyklen etwa ein Prozent ihrer Kapazität. Eine Batteriezelle, die nach 3.000 Ladezyklen bereits 80 % der Ausgangskapazität erreicht, verliert bereits nach 125 Zyklen ein Prozent der Kapazität. Das bedeutet, dass z.B. nach vier Jahren Eigenverbrauch mit 250 Ladezyklen im Jahr bei der ersten Batteriezelle noch 98 %, bei der anderen nur noch 92 % der ursprünglichen Kapazität zur Verfügung stehen.

Warum Batterien für Heimspeicher eigene Anforderungen haben?

Lithium-Ionen-Batterien für Heimspeicher haben ein spezielles Anforderungsprofil, das sich beispielsweise von Elektroautos oder der Konsumelektronik unterscheidet. Aufgrund der im eigenen Batterielabor gewonnenen Erkenntnisse, verwendet sonnen bisher einzig LFP-Batterien, da nur sie unsere zentralen Anforderungen an Sicherheit, Langlebigkeit, Leistungsfähigkeit und Umweltverträglichkeit erfüllen konnten.

Zum Vergleich: Eine herkömmliche Smartphone-Batterie schafft üblicherweise etwa 500 vollständige Ladezyklen¹. sonnen hat außerdem typische Elektroauto-Batteriezellen getestet, die nach etwa 2.000 bis 4.000 Ladezyklen ihr Lebensende erreichten². Für die Elektromobilität sind diese Batteriezellen bestens geeignet, da sie eine hohe Energiedichte haben. Das heißt, sie bieten ein optimales Verhältnis von Gewicht, Platz und Leistung. Geht man von einer Reichweite von 250 km pro Ladezyklus aus, dann entsprechen 3.000 Ladezyklen etwa 750.000 km. Also durchaus ein Traumwert für ein Auto. Für die sonnenBatterie wären diese Batteriezellen jedoch nicht geeignet, da man allein mit dem reinen Eigenverbrauch in Deutschland schon nach etwa 10 Jahren sehr nah an das Ende der Lebensdauer kommen würde.

Ladezyklen E-Auto

Parallel zum Test der einzelnen Batteriezelle testet sonnen außerdem auch Batteriemodule. Ein Batteriemodul besteht aus vielen einzelnen Batteriezellen. Eine aktuelle sonnenBatterie mit einer Größe von 11 kWh besteht zum Beispiel aus vier Batteriemodulen zu je 2,75 kWh. In einem Batteriemodul werden die Batteriezellen vom Batteriemanagementsystem (BMS) gesteuert, so dass sie sich im Idealfall immer im Wohlfühlbereich befinden und aufeinander abgestimmt sind.

Ein Batteriemodul, das aus über 200 Batteriezellen des gleichen Typs wie die oben erwähnte Batteriezelle besteht, hat im Rahmen eines Labortests bereits über 10.000 Ladezyklen erreicht und kann dabei noch 83 % seiner ursprünglichen Kapazität vorweisen. Der Wert liegt damit über der von sonnen garantierten dieser Anzahl von Zyklen.

Ladezyklen Lebenszyklus Batteriemodul

Bleibt noch die Frage nach der kalendarischen Alterung. Diese liegt bei der getesteten Batteriezelle bei mittlerweile knapp 8 Jahren. Natürlich lassen sich daraus keine Rückschlüsse auf die zukünftige Alterung schließen, aber bisher ist das ein Faktor, der sich nicht auf die Funktion der Batterie auswirkt. Dazu kommt, dass die harten Testbedingungen des mehrmaligen Be- und Entladens am Tag innerhalb kurzer Zeit zu einer stärkeren Erwärmung der Batteriezelle führen, als das normalerweise der Fall wäre. Diese höheren Temperaturen beschleunigen auch die kalendarische Alterung. Insofern gehen wir davon aus, dass das Ergebnis bereits einer längeren kalendarischen Alterung als im Normalgebrauch entspricht.

Neben der Tatsache, dass LFP-Batterien kein Kobalt enthalten und zuverlässige Sicherheitseigenschaften versprechen, bestätigen die Testergebnisse nun auch deren außerordentliche Zyklenfestigkeit. Je langlebiger eine Batterie ist, umso länger können die dafür verwendeten Ressourcen genutzt werden. Dies erhöht die Nachhaltigkeit und verbessert die Ressourceneffizienz. Ein einfaches Beispiel dazu: Ein theoretisches Batteriemodul mit einer Größe von 1 kWh und einer Lebensdauer von 3.000 Ladezyklen kann 3.000 kWh speichern. Der Einfachheit wegen sind Kapazitätsverlust und Wirkungsgradverluste jetzt mal außen vorgelassen. Das gleiche Batteriemodul mit 10.000 Ladezyklen kann 10.000 kWh speichern. Da beide Batterien etwa den gleichen Ressourcenaufwand bei der Produktion benötigen, ist die langlebigere Batterie mehr als dreimal effizienter. Mit dem gleichen Ressourcenaufwand lässt sich also dreimal mehr Energie nutzen, bevor eine neue Batterie produziert werden muss.

Da das Ende der Lebensdauer noch nicht erreicht ist, werden die Langzeittests der Batteriezellen und -module weiter fortgesetzt.

Wie entsteht eigentlich eine sonnenBatterie?

Unsere Vision bei sonnen ist saubere und bezahlbare Energie für alle. Das Herzstück dieser Vision ist die sonnenBatterie, unser Solarstromsspeicher für ein neues Energiezeitalter. Darin steckt unser gesamtes Know-How, das wir uns als Pioniere im Energiespeichermarkt seit über zehn Jahren aufgebaut haben. Also schaut euch an, wie die Reise einer sonnenBatterie aussieht – von der ersten Idee, über die Produktion bis hin zur Installation des Stromspeichers zu Hause.

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¹ Vgl. u.a. https://www.researchgate.net/publication/312963977_Durability_and_cycle_frequency_of_smartphone_and_tablet_lithium-ion_batteries_in_the_field; https://www.apple.com/de/batteries/service-and-recycling/
² Die Ergebnisse beziehen sich ausdrücklich nur auf die von sonnen durchgeführten Tests.

Erschienen am: 05.08.2021