Energie und Umwelt

Die Herausgeberin der Zeitschrift Sonnenenergie, also die SSES, hat einen Autor beauftragt, sogenannte populäre Seiten zur Technik der Sonnenenergienutzung zu verfassen. Hier die erste Folge zu diesem für die photovoltaische Nutzung wichtigen Thema Akkumulatoren.

Im Gegensatz zur Primärbatterie (galvanisches Element bzw. «Wegwerfbatterie»), die nach einer gewissen Zeit erschöpft ist, lässt sich eine Sekundärbatterie (Akkumulator) wieder aufladen. Die sogenannte «Autobatterie» müsste also «Auto-Akkumulator» heissen. Im folgenden unterscheiden wir zwischen diesen beiden Begriffen nicht sehr genau; es ist aber klar, dass unser Interesse vor allem den aufladbaren Akkumulatoren gilt, denn sie sind wichtige Bestandteile von kleinen Solarkraftwerken im Inselbetrieb bzw. von Solarmobilen.

Die Masseinheit für Energie (und Arbeit) ist «Joule». 1 Joule ist der Arbeitsvorrat (= Energie), der in einer Masse von 100 g steckt, die man um 1 m angehoben hat.

Oder: 1 Joule ist die Energie, die frei wird, wenn 1 Sekunde lang ein Strom von 1 A bei einer Spannung von 1 Volt fliesst.

Oder: Wird 1 Sekunde lang eine Leistung von 1 Watt erbracht, so wird die Arbeit 1 Joule geleistet.

1 Joule (abgekürzt: J) ist also ein recht kleiner Energiebetrag. 1000 J sind dann 1 kJ («Kilojoule»), 1000000 J sind 1 MJ («Megajoule»).

Die Masseinheit der Leistung ist «Watt». 1 Watt wird geleistet, wenn die Arbeit 1 Joule in der Zeit von 1 Sekunde erledigt wird.

Oder: Ein Strom von 1 Ampere bei einer Spannung von 1 Volt stellt eine (elektrische) Leistung von 1 Watt dar.

Ein Energiespeicher ist um so besser, je mehr Energie er in einem möglichst kleinen Volumen (gemessen in m³) oder bei möglichst

geringer Masse (gemessen in kg) speichern kann. Die «Energiedichte» erfasst das Verhältnis von gespeicherter Energie zu Volumen oder Masse (Masseinheit: «J/m³» oder «J/kg»).

Genauso kann man die Leistungsfähigkeit des Speichers beschreiben mit der «Leistungsdichte», die das Verhältnis von gespeicherter Leistung zu Volumen oder Masse beschreibt (Masseinheit: «W/m³» oder «W/kg»).

Elektrische Energie ist hochwertige Energie, die in andere Energieformen gut umwandelbar ist. Die Speicherung von elektrischer Energie in Akkumulatoren ist äusserst bequem, da sie dann sozusagen auf Knopfdruck abgerufen werden kann. Allerdings kann in Akkumulatoren, bezogen auf ihre Masse oder auf ihr Volumen, nur relativ wenig Energie gespeichert werden. Das zeigt der folgende Vergleich:

| | Energie
(MJ) | Netto-
masse
(kg) | Volumen
(m³) | Energie/
Masse
(MJ/kg) | Energie/
Vol.
(MJ/m³) |
|--------------------------------------------------|-----------------|-------------------------|----------------------------|------------------------------|----------------------------------------|
| Tafel Schokolade (chem.) | 2,2 | 0,1 | 1,1 10^-4 | 22 | 20 000 |
| Benzinkanister (chem.) | 730 | 17 | 20 10^-3 | 43 | 37 000 |
| Campinggasbombe (chem.) | 140 | 3,0 | 6 10^-3 | 46 | 23 000 |
| Schwungrad (hochfestes Material!) | | | | 1,3 | 1 100 |
| Autobatterie (elektr.) | | | | 0,13 | 360 |
| geladener Kondensator (sehr gutes Dielektrikum!) | | | | | 2,2 |
| stromdurchfl. Spule (supraleitend!) | | | | | 80 |
Anmerkung: Die Schreibweise 10^-4 bedeutet 0,0001.

Die Speicherung von chemischer Energie ermöglicht offensichtlich die höchsten Energiedichten, während die Speicherung von elektrischer Energie in elektrischen Feldern (in Kondensatoren) oder magnetischen Feldern (in Spulen) sogar noch kleinere Energiedichten erlaubt, als sie in Akkumulatoren möglich sind.

Der Anwender wünscht sich beim

Einsatz von Akkumulatoren, dass – während der ganzen Entladungszeit die Spannung unverändert hoch ist,

– während der Entladungszeit der Innenwiderstand unverändert tief ist, so dass der Entladestrom konstant bleibt,

– sowohl Lade- als auch Entladevorgang sehr kurz sein dürfen, – die Lebensdauer und damit die Zyklenzahl (Anzahl Ladungen/Entladungen) gross ist.

Diese sehr egoistischen Wünsche können natürlich nur teilweise erfüllt werden.

Die Kapazität (oder «Speicherfähigkeit») einer Batterie wird mit der Masseinheit («Ampere-Stunden» (abgekürzt: Ah) beschrieben. Dieses Produkt aus Strom und Zeit ist eigentlich die Ladung, die in der Batterie Platz hat. 10 Ah bedeutet, plump gesagt, dass aus der Batterie während 1 Stunde ein Strom

von 10 A oder während 10 Stunden ein Strom von 1 A bezogen werden kann. Allerdings sind die Verhältnisse nicht so einfach, wie das hier vorerst aussieht. Die Diagramme 1 und 2 zeigen, dass die Kapazität stark vom Entladestrom abhängig ist.

Der Entladestrom und die Zeit, während der er fliesst, beeinflussen direkt die Zyklientiefe. Darunter versteht man den Prozentsatz der Nennkapazität, bis zu der eine Bat-

terie entladen wird. Es gibt Photovoltaik-Batterien, die nur in Ausnahmefällen regelmässig unter 50% entladen werden dürfen. Die Zyklientiefe beeinflusst sehr stark die Lebensdauer der Batterie: Wird sie immer wieder massiv entladen, so «lebt» eine Batterie weniger lang, als wenn sie immer nur wenig ausgeschöpft wird.

Auch eine unbenutzte Batterie entlädt sich, allerdings recht langsam; man spricht von Selbstentladung. Die Selbstentladungsrate hängt stark vom Batterietyp, von der Bauweise und, wie das Diagramm 3 zeigt, von der Temperatur ab. Die Selbstentladung muss mit einem kleinen Ladestrom dauernd kompensiert werden.

Im folgenden betrachten wir Akkumulatoren, die für die Speicherung von elektrischer Energie in Elektromobilen oder Solaranlagen im Inselbetrieb in Frage kommen. Typisch für solche Anwendungen sind die vielen Zyklen; normale Batterien können im Solarbetrieb unter Umständen bereits in einem Monat verschleissen.

– Der Blei-Akku (z. B. die Autobatterie) benutzt folgende Reaktion:

Betrachten wir, auch stellvertretend für die anderen Typen, den Vorgang genauer:

Beim Laden überzieht sich ein Teil der Bleiplatten mit Bleidioxid (PbO₂). Das ist die Oxidation der Anode (= Pluspol der Batterie). Dieser Vorgang bedeutet, dass der Anode Elektronen entzogen werden. Gleichzeitig erhält die Kathode (= Minuspol der Batterie) Elektronen und wandelt dabei das Bleisulfat (PbSO₄) in reines Blei um. Das ist die Reduktion der Kathode. Beide Vorgänge haben zur Folge, dass in der Batteriesäure (= ver-

dünnte Schwefelsäure) der Anteil an Sulfat-Ionen steigt, die Dichte der Säure also zunimmt ( $>1,28 \text{ g/cm}^3$ ).

Beim Entladen läuft der Vorgang umgekehrt ab: Der Minuspol gibt Elektronen ab, der Pluspol nimmt Elektronen auf. Am Minuspol wird aus reinem Blei das Bleisulfat (Oxidation der Kathode), am Pluspol aus Bleidioxid ( $\text{PbO}_2$ ) auch Bleisulfat (Reduktion der Anode). Beide Vorgänge entziehen der Batterie-säure Sulfat-Ionen; ihre Dichte sinkt ( $>1,15 \text{ g/cm}^3$ ).

Charakterisierung: 2,1-Volt-Zelle; Energiedichte $1,3 \cdot 10^5 \text{ Joule/kg}$ ; Lebensdauer etwa 1000 Zyklen; Leistungsdichte 20 (Dauer) bis 100 (Spitzen) Watt/kg. Der Bleiakku ist relativ preiswert, hat aber keine lange Lebensdauer; er ist nicht zyklenfest und hat eine hohe Selbstentladungsrate. Das ist gerade beim Einsatz in Elektromobilen ein grosser Nachteil.

Blei-Säure-Batterien gibt es in offener oder versiegelter Form:

• offene: brauchen geringe Wartung, sind mit Kapazitäten von 10 bis 2000 Ah erhältlich; Laden mit hohem Wirkungsgrad möglich.
• versiegelte: Betrieb in beliebiger Position; absolut wartungsfrei; Kapazitäten 0,8 bis 110 Ah.

– Der Nickel-Kadmium-Akku beruht auf der Reaktion:

Charakterisierung: 1,2-Volt-Zelle. Wegen des Schwermetalls Kadmium ist dieser Typ teuer; Entsorgung und Recycling sind problematisch. Die Lebensdauer ist allerdings grösser als beim Bleiakku. Es gibt auch hier offene und versiegelte Ausführungen:

• offene: sehr lange Lebensdauer; auch bei Temperaturen bis $-40$ Grad Celsius noch einsatzfähig; Kapazitäten von 10 bis 1250 Ah.
• versiegelte: absolut wartungsfrei; 100 Prozent Entladung möglich; in Serieschaltung sind Spannungen bis 110 V möglich; Kapazitäten von 0,5 bis 15 Ah.

Die folgenden Typen werden wegen ihrer geringen Verbreitung nur kurz erwähnt:

• Nickel-Eisen-Akku (z. T. in Renn-Solarmobilen)
• Silber-Zink-Akku (sehr teuer!)
• Natrium-Schwefel-Hochtemperaturzelle
• Lithium-Schwefel-Hochtemperaturzelle

Das Problem bei den Hochtemperaturzellen liegt in der sicheren und dichten Umhüllung des geschmolzenen Schwefels, der sehr aggressiv ist. Zudem: Hochtemperaturzellen müssen gewöhnlich durch eine Zusatzbatterie gestartet werden.

Man unterscheidet im Zusammenhang mit Batterien zwei Wirkungsgrade: Der Ah-Wirkungsgrad gibt das Verhältnis von der aus der Batterie entnehmbaren Ladung zu der der Batterie beim Laden zugeführten Ladung an. Dieser Wirkungsgrad ist typisch etwa 0,9 (oder 90 Prozent).

Der Wh-Wirkungsgrad ist das Verhältnis von bezogener zu zugeführter Energie. Dieser Wert ist immer tiefer als der Ah-Wirkungsgrad und liegt etwa bei 0,8 (oder 80 Prozent). Gerade Batterien in Solaranlagen werden immer wieder entladen und geladen. Das Laden muss von einer Laderegelung überwacht werden, denn eine entladene Batterie bezieht von einer Spannungsquelle (z. B. einem Solargenerator) einen langsam schwächer werdenden Strom, bis ihre Spannung sich der Speisespannung annähert. Erhöht jetzt die Spannungsquelle ihre Spannung, so kann die Batterie weiterhin Strom beziehen. Schliesslich wird sie ganz geladen sein. Wenn die Speisespannung jetzt immer noch über der Ladeschlussspannung der Batterie liegt, so beginnt die Batterie zu gasen: Sauerstoff, Wasserstoff, Knallgas entstehen. Eine versiegelte Batterie entwickelt jetzt einen beträchtlichen Innendruck, der bis zum Platzen führen kann. Der Regler muss jetzt dafür sorgen, dass nur noch so viel Strom zugeführt wird, wie zur Kompensation der Selbstentladung nötig ist (sog. Erhaltungsladung). Gewisse Regler überwachen umgekehrt bei der Entladung die Zyklientiefe und schalten gegebenenfalls den Strom ab (sog. Tiefentladeschutz). Natürlich können Regler je nach elektronischem Aufwand noch sehr viel mehr. Beim Umschalten auf Erhaltungsladung vernichten die einen den vom Solargenerator angebotenen Strom einfach in

Entnehmbare Kapazität C in Abhängigkeit vom Entladestrom
Batterie: Varta solar 82000.

Spannungsverlauf bei verschiedenen Entladeströmen. Die effektive Kapazität kann aus «Entladezeit – Entladestrom» ermittelt werden.

einem Widerstand, während andere nach vorgegebenen Prioritäten mehrere Batterien überwachen und nacheinander laden können.

Das Überwachen des Ladezustandes geschieht über Spannungswächter, die oft mit Ladereglern kombiniert sind. Ihre Aufgabe ist die Anzeige des Zustands bezüglich Laden/Entladen, aber zusätz-

lich auch des «Batterieinhalts», so dass man abschätzen kann, wie gross der Vorrat an gespeicherter Energie ist.

Der Einsatz von Akkumulatoren im Zusammenhang mit Solaranlagen erfordert eine sorgfältige Planung: Die Batterien müssen auf die Solar-

Selbstentladung unbenutzter Batterien, in Abhängigkeit der Standzeit. I = A600-Solarbatterie, II = Standard-Bleibatterie.

generatoren gut abgestimmt werden. Es lohnt sich zudem unbedingt, zusätzlich zu diesen beiden Grundkomponenten auch ein gutes Regel- und Überwachungssystem einzuplanen. Erst dadurch ist eine optimale Lebensdauer und eine hohe Zuverlässigkeit der ganzen Anlage sichergestellt.

Gegenwärtig ist für die hier in erster Linie betrachteten Anwendungen noch immer der Bleiakku der am meisten verbreitete Typ. Der Nickel-Kadmium-Akku ist bereits viel seltener.

Die Nachteile des Bleiakkus sind bekannt; aber vermutlich dauert es

noch sehr lange, bis eine echte Alternative zum Bleiakku auf dem Markt ist.

Dieter Kuhn, dipl. Physiker, 8057 Zürich

A. Stork: «Das private E-Werk», Verlag VTL, Hirschau, 1990, ca. Fr. 10.-; U. Muntwyler: «Praxis mit Solarzellen», Franzis-Verlag, München, 1990, etwa Fr. 15.-; W. Hagemann (Hrsg.): «Bleiakkumulator», Lehrmittelverlag W. Hagemann, Düsseldorf (Proj.-Folie).

Aus «Sonnenenergie» 3/91