Welche Kennzahlen gibt es für Batteriespeicher?

Definition

Kennzahlen von Batteriespeichern liefern wichtige Informationen über die technischen Eigenschaften der Stromspeicher. Sie machen verschiedene Modelle untereinander vergleichbar und bieten wichtige Anhaltspunkte für die möglichen Einsatz- und Vermarktungsmöglichkeiten. Investoren können sie daher zur Schätzung ihrer Renditechancen heranziehen.

Kapazität

Die Kapazität gibt die Menge der nutzbaren Energie an, die eine Batterie speichern kann. Gemeint ist also die Energie, die ein Akku nach der Speicherung freigeben kann. Sie wird für gewöhnlich in Wattstunden (Wh) beziehungsweise mit den Einheitenpräfixen Kilo- (kWh) oder Mega- (MWh) angegeben.

Leistung

Die Leistung ist die Geschwindigkeit, mir der eine Batterie die gespeicherte Energie abgeben kann. Angegeben wird - wie bei der Kapazität das Maximum. Die gängige Maßeinheit ist Watt (W) beziehungsweise eben die Vielfachen Kilowatt (1 kW = 1000 W) oder Megawatt (1 MW = 1000 kW).

C-Rate

Die C-Rate gibt an, wie lange es dauert, eine Batterie vollständig zu laden oder zu entladen. Zur Berechnung der C-Rate wird die Leistung durch die Kapazität geteilt. Wird beispielsweise eine vollständig geladene Batterie mit einer Kapazität von 100 kWh mit 50 kW entladen, so dauert dieser Vorgang zwei Stunden, und die C-Rate beträgt 0,5C oder C/2.

Als Spezifizierung einer Batterie gibt die C-Rate für Gewöhnlich die maximale C-Rate an. Je höher also diese Kennzahl ist, desto schneller kann die Batterie geladen und entladen werden. Das Laden und Entladen mit maximaler Leistung kann jedoch die Lebensdauer der Batterie verkürzen. Die Wahl einer C-Rate unterhalb des Maximalwerts kann die Batterie schützen.

Die maximale C-Rate hängt weitgehend von der verwendeten Technologie ab. Lithium-Ionen-Batterien können in der Regel höhere C-Raten liefern als Blei-Säure-Batterien. Redox-Flow-Batterien können mit sehr niedrigen und sehr hohen C-Raten gebaut werden.

Eine niedrige C-Rate ist in der Regel für die Mobilität wichtiger als für Batteriespeichersysteme, die zur Lastverschiebung, z. B. von Tag auf Nacht, eingesetzt werden.

Wirkungsgrad und Effizienz

Der Wirkungsgrad gibt den Prozentsatz der nutzbaren Energie an, die nach einer oder mehreren Umwandlungsschritten noch in der erwünschten Form verfügbar ist. Wenn nicht anders angegeben, ist damit bei Batteriespeichern immer der elektrische Wirkungsgrad gemeint. (Bei Blockheizkraftwerken ist neben dem elektrischen auch der thermische Wirkungsgrad relevant.)

Hat ein Lithium-Ionen-Akku einen Wirkungsgrad von 96 %, gibt er also von einer Kilowattstunde Strom, die er aufnimmt, 960 Wattstunden wieder ab. Ob ein Batteriespeicher seinen optimalen Wirkungsgrad tatsächlich erreicht, hängt maßgeblich vom Batteriemanagementsystem (BMS) ab.

Bei vielen technischen Geräte unterscheiden sich Effizienz und Wirkungsgrad. So hängt die Energieeffizienz eines E-Autos nicht nur von den Wirkungsgraden der technischen Teile (Akku, Motor etc.) ab, sondern auch von Faktoren wie Luftwiderstand, Bereifung und Fahrweise. Bei Batteriespeichern kann Selbstentladung (s.u.) die Energieeffizienz durch schmälern. Ein überdimensionierter Stromspeicher, dessen Kapazität und Leistung nur selten ober gar nie genutzt werden, ist in mehrerer Hinsicht ineffizient.

Gesamtwirkungsgrad

Im Englischen wird zum Teil unterschieden zwischen Energy Conversion Efficiency und Round-trip Efficiency, wobei der erste Begriff verwendet wird, um den Wirkungsgrad jedes einzelnen Schrittes (zum Beispiel der Umspannungsprozesse beim Ein- und Ausspeichern) anzugeben. Round-trip Efficiency wird auf Deutsch auch Gesamtwirkungsgrad genannt.

Lebensdauer

Nach einer branchenüblichen Definition hat ein Batteriespeicher das Ende der Lebensdauer erreicht, wenn seine tatsächliche Ladekapazität unter 80 % der ursprünglichen Nennkapazität fällt. Die Degradation hängt von zwei wesentlichen Faktoren ab:

Die zyklische Alterung gibt an, wie häufig ein Batteriespeicher voraussichtlich vollständig auf- und entladen werden kann, bevor er das Ende der Lebensdauer erreicht.

Die kalendarische Alterung bezieht sich auf die Degradation, die unabhängig von der Nutzung entsteht, zum Beispiel durch Korrosion einzelner Komponenten. Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit können einen wesentlichen Einfluss auf die kalendarische Lebensdauer haben.

Selbstentladungsrate

Geladene Akkumulatoren verlieren mit der Zeit Energie, auch wenn sie nicht genutzt werden. Die Selbstentladungsrate gibt an, wie viel Prozent der Energie innerhalb eines bestimmten Zeitraums (meist 1 Monat) unter welchen Bedingungen (meist 20 Grad Celsius) verloren geht. Temperatur und Ladestand können die Selbstentladungsrate beeinflussen, hauptsächlich hängt sie aber von der Technologie ab: Lithium-Ionen-Batterien beispielsweise haben eine geringere Selbstentladerate als Blei-Akkus. Eine niedrige Selbstentladungsrate sorgt für einen höheren Gesamtwirkungsgrad.

Temperaturbereich

Die optimale Betriebstemperatur der meisten Batteriespeicher liegt um die 20 Grad Celsius. Sie tolerieren aber Temperaturen zwischen 5 und 30 Grad Celsius. Manche Technologien sind temperaturtoleranter als andere. Je nach Klima kann dies für die Wahl entscheidend sein. 

Spannungsbereich

Diese Kennzahl gibt den Wert der elektrischen Spannung (Volt) des Stroms an, den der Batterie sicher und effizient speichern und abgeben kann. Der Spannungsbereich eines Akkumulators hängt maßgeblich von der Speichertechnologie und der Leistungselektronik ab.

Energiedichte

Zwei Arten von Energiedichten sind zu unterscheiden: Die volumetrische Energiedichte gibt das Verhältnis von Speicherkapazität (s.o.) zum Volumen der Batterie an, eine mögliche Maßangabe wäre also Kilowattsunden pro Liter (kWh/L) oder Megawattstunden pro Kubikmeter (MWh/m³). Die gravimetrische Energiedichte gibt die Kapazität im Verhältnis zum Gewicht an, zum Beispiel in Kilowattstunden pro Kilogramm (kWh/kg). 

Beide Kennzahlen sind bei Speicherkraftwerken häufig nebensächlich. Bei häuslichen Batteriespeichern oder Großspeichern in urbanen Räumen können sie eine Rolle, wenn der Platz begrenzt ist und eventuell die Statik von Gebäuden zu berücksichtigen ist.

Absolut entscheidend ist die Energiedichte hingegen in der Elektromobilität. Die geringe gravimetrische Energiedichte verfügbarer Akku-Technologien verhindert bisher, dass der Flugverkehr elektrifiziert werden kann. 

Leistungsdichte

Analog zur Energiedichte kann auch die Leistungsdichte von Batteriespeichern relevant sein. Sie kann entsprechend in Kilowatt pro Liter (kW/L) beziehungsweise Kilowatt pro Kilogramm (kW/kg) angegeben werden.