PV Speicher: Nickel Eisen Akkumulator (NiFe) versus Lithiumtitanat Batterie (LTO)

Seitdem ich mich mit wiederaufladbaren Batterien beschäftige und das ist ja mittlerweile schon recht lang her, übt der Nickel Eisen Akku (NiFe) eine besondere Faszination auf mich aus. Die alte, aber sehr robuste Bauweise, die den NiFe Akku im Betrieb sehr unempfindlich macht, auch wenn er überladen bzw. tiefentladen wird, ist bemerkenswert. Zudem soll er sehr sehr lange halten, was ebenso interessant ist. Ich war immer der Meinung, das ist der Akku, den man in Photovoltaikanlagen als Batteriespeicher einsetzen sollte, eigentlich muss!

Doch wenn man sich ständig um Akkus kümmert, meist auf der Suche nach guten Batterien für künftige eFahrzeuge, dann muss man über den Lithium Titanat Akku stolpern.

Lithium-Titanat-Batterie

Lithium Titanat Akku, hier in einer 12V – 16Ah Batterie

Bei allen Akkus, die mit „Lithium“ beginnen, denkt man zwangsweise zuerst an Brand- und Explosionsgefahr. Umso größer wird das Interesse, wenn man feststellt, dass das beim Lithium Titanat Akku keineswegs der Fall ist, ganz im Gegenteil! Nun gut, hohe Betriebssicherheit ist schön, aber das macht noch keinen guten Heimspeicher aus. Menschen, die sich Photovoltaik Speicherbatterien anschaffen, um ihren eigenen Strom zu speichern um ihn dann selbst verwenden zu können, wollen nicht nach 10-15 Jahren Betrieb neue (teure) Batterien kaufen, weil die alten ihre praktisch nutzbare Speicherfähigkeit verloren haben. Auch hier wird der NiFe Akku zuerst genannt, da ihm eine sehr lange Lebenszeit vorausgesagt wird. Wie sieht es hier beim LTO Akku aus? Der verkraftet Zyklen (Entladen/Laden) von 15.000 bis 30.000 und manche sogar 40.000. Das kann ja nicht sein!? Ein solcher Akku würde uns alle überleben und man könnte ihn noch weitervererben bzw. weiterverwenden, denn mit 80% verbleibender Kapazität ist ein Akku im Haus als Solarspeicher noch lange gut.

Da sowohl der NiFe Akku als auch die Lithium Titanat Zelle für Photovoltaik Anwendungen bestens geeignet sind, möchte ich an dieser Stelle nach heutigem Stand der Dinge diese beiden Akkutypen gegenüberstellen:

 

(1) Die Lebensdauer bzw. die erreichbare Zyklenzahl

Wie oben bereits erwähnt, die erreichbare Nutzungsdauer ist eines der wichtigsten Kriterien zur Auswahl eines Heimspeichersystems für Solarstrom. Gehen wir davon aus, dass ein solcher Solarspeicher am Tag (24 Std.) einen Lade/Entlade Zyklus durchfährt. Natürlich gibt es auch Hausanwendungen mit beispielsweise sehr großer Solarfläche und besonders energiehungrigen Verbrauchen, sodass auch zwei tägliche Zyklen möglich sind. Bei einem normalen Einfamilienhaus aber wird es ein Vollzyklus am Tag sein (mehrere niedrige Teilzyklen können in dem Fall ruhig als ein Vollzyklus gerechnet werden). Es geht um die Vergleichbarkeit.
Es gibt den IEC Standard, der die erreichbaren Zyklen beim Zyklentest mit einer Lade/Entlade Belastung von 0,2C vorsieht bis nur noch 80% der Kapazität übrig sind. 0,2C bedeutet, man entlädt und lädt eine zB. 10Ah Zelle mit 2A. Man sollte aber bedenken, wenn eine Akkukapazität von nur mehr 80% erreicht ist, dann ist zB. in einem Elektroauto das Nutzungsende erreicht, aber ein Photovoltaik Heimspeicher kann noch lange weiter betrieben werden.

Nickel-Eisen-Akkumulator-50Ah

Eine kleine NiFe Zelle

Der NiFe Akku hat eine lange Lebensdauer, die meist in Jahren angegeben wird (30-50 Jahre). Da ein solcher Akku aber auch im total entladenen Zustand Jahrzehnte überstehen kann, heißt das einmal nicht viel. Tatsache ist, dass sich beim NiFe Akku nicht die Elektroden stark verbrauchen bzw. verändern (wie beispielsweise beim Blei Akku), sondern der Elektrolyt. Mich würde interessieren, wie die Kapazität eines NiFe Akkus nach zB. 5000 Zyklen mit realistischer Belastung und einer Entladetiefe (DOD) von 80% aussieht. Die genannte Lebensdauer beim NiFe Akku von 30-50 Jahren ist sicher nur mit mehreren Elektrolytwechseln erreichbar. Obwohl der NiFe Akku sehr umweltfreundlich ist, sein Elektrolyt ist jedoch hoch ätzend, was einen Wechsel sehr gefährlich bzw. kostspielig macht.
Ganz besonders von den ab 2018 in Deutschland angebotenen neuen NiFe Akkus aus der Ukraine würde ich mir dokumentierte Zyklentests erwarten, um die echte Lebensdauer zu kennen (ohne Elektrolytwechsel). Zahlen und Diagramme sind mir nur von den russischen KUSRK und den chinesischen ChangHong NiFe Zellen bekannt. Auf dem Foto ist ein Auszug aus dem Infofolder:
„CHANGHONG NF-S Series Nickel-Iron batteries for solar PV application“.

NiFe--Changhong.cyclelife

Man erkennt deutlich, dass diese Zellen bei Entladetiefen von ca. 80% keine 1500 Zyklen schaffen. Eine Entladetiefe von 80% ist aber für die solare Speicherung und die Versorgung der Verbraucher im Haus notwendig.
ChangHong NiFe Zellen werden in Europa angeboten und es gibt etliche Anlagen, alleine in Österreich, die mit diesen Zellen betrieben werden. Die Angaben der russischen Zellen sind ähnlich.
Der NiFe Akku mag keine sanften Lade/Entlade Zyklen, das ist so, als würde man ihn nur am Bauch kitzeln, mehr nicht. Er will gefordert werden, sprich er braucht ordentliche Ströme, sonst „schläft“ er ein und verliert an Leistung. Das bedeutet, dass man eine NiFe Speicherbank nicht überdimensionieren sollte und eine spezielle Ladeelektronik benötigt. Andere Akkus, eben auch Lithium Zellen, brauchen das nicht. Bei ihnen ist es egal, ob man hohe oder geringe Ströme entnimmt, die Leistung bleibt gleich.

Im Gegensatz dazu hat der Lithium Titanat Akku schwindelerregend hohe Zyklenzahlen und das bei einer sehr hohen Lade/Entlade Belastung, die in der Praxis eigentlich gar nicht auftritt. Eine kleine 3Ah Zelle von Toshiba wurde mit 10C, also 30A geladen und entladen, das Ganze bei 35°C und nach 40.000 Zyklen war noch 80% Kapazität vorhanden. Andere größere Zellen wurden mit 3C (laden und entladen) bei Raumtemperatur mit einer Entladetiefe von 100% (also wirklich leer) in den Zyklenbetrieb geschickt und es wurden 30.000 Zyklen erreicht bei 80% Restkapazität.

LTO-Cycle-Life

Auf der Abbildung ist ein Testverlauf einer LTO Zelle zu sehen, die mit 5C entladen und mit 1C geladen wurde (Entladetiefe 100%). Nach 3000 Zyklen war noch 95% Kapazität vorhanden, andere Lithium Ionen Batterien sind bei 3000 Zyklen und dieser Belastung entweder schon unbrauchbar oder bei ca. 80% (LiFePo4 Zellen). Man muss dazu sagen, dass bei Photovoltaikspeichern erst bei 60% Restkapazität vom Nutzungsende gesprochen wird, obwohl er dennoch weiterverwendet werden kann, sofern das mit der halben Kapazität möglich ist. Um die Nachhaltigkeit von Solarspeichern weiter zu verbessern, kann man, so wie die Batterien aus eAutos (70-80% Kapazität) in Heimspeichern weiterverwendet werden können, die alten und schwachen Heimspeicher (50-60%) sehr preiswert in kleineren Photovoltaikspeicheranlagen, die einen geringeren Speicherbedarf haben, wiederverwenden. Nach vielen vielen Jahrzehnten kommen dann wirklich unbrauchbare Batterien zur Entsorgung, die dann ganz sicher auch kein Thema mehr sein wird.
Warum der LTO Akku in der Disziplin „langes Leben“ so gut ist, ist keine Zauberei. Er ist ein moderner Akku bei dem Nano Technologie zum Einsatz kommt und der in der Herstellung bis jetzt immer teurer war als ein normaler Li Ion Akku. Auf Wikipedia können sie zum Thema Lithiumtitanat Akkumulator einige technische Details nachlesen.

 

(2) Sicherheit

Sicherheit ist ein ganz wichtiges Thema, wenn man große Batteriespeicher im eigenen Haus in Betrieb hat. Hier muss ich sagen, ist der NiFe Akkumulator ganz klar im Nachteil. Sein Hauptproblem ist der flüssige Elektrolyt. Es müssen eine ganze Palette an Maßnahmen getroffen werden, um den reibungslosen Betrieb einer NiFe Speicherbank zu gewährleisten. Warum? Weil beim Laden Wasserstoff entsteht, beim schnellen Laden dementsprechend mehr. Ein Wasserstoff/Luft Gemisch entsteht, das man als Knallgas bezeichnet und das ist gefährlich. Daher muss der NiFe Akku in einem belüfteten Raum stehen. Außerdem braucht er ein Wasserstoffentlüftungssystem, wobei die neueren NiFe Akkus bereits zusätzlich Katalysatoren aufgesetzt haben, die den entstehenden Wasserstoff wieder in Wasser rückführen. Die Katalysatoren werden im Betrieb heiß und es gibt noch keine Langzeiterfahrung mit ihnen. Durch das Gasen beim Laden geht natürlich Wasser im Elektrolyt verloren, das nachgefüllt werden muss. Dies geschieht entweder händisch und bedingt eine Aufstellung in Treppenform der NiFe Zellen, damit man den Elektrolytstand schnell erkennen kann oder das Wassernachfüllen erfolgt automatisch. Ein Problem ergibt sich nur, wenn kein Wasser nachgefüllt wird (Defekt oder Vernachlässigung). Sinkt der Elektrolytstand unter ein bestimmtes Niveau, dann explodieren die Zellen beim Laden.

Nickel-Eisen-Akkumulator
Ganz klar, bei NiFe Batterien muss ein großer Aufwand betrieben werden, um die Sicherheit zu garantieren. Auch im Betrieb muss man die Zellen zumindest ab und zu im Auge behalten.

Lithium Titanat Batterien sind hier viel unkomplizierter. Man schraubt sie zusammen, schließt das BMS an und die Zellen können schon arbeiten. Um sie vor Staub, Schmutz und Feuchtigkeit zu schützen, können sie in geschlossenen Boxen oder Schränken verbaut werden.
An den LTO Zellen wurden umfangreiche Sicherheitstests durchgeführt, die alle keine Explosionen oder Brände zur Folge hatten. Hier wurden auch Tests mit in Serie geschalteten LTO Zellen gemacht: Kurzschlusstest, Überladung, Tiefentladung, der klassische Nageldurchstoßtest durch mehrere Zellen, die totale Verformung der Zellen. Bei Temperaturen von 130-150°C werden normalerweise Batterien im Kunststoffgehäuse undicht und normale Lithium Ionen Zellen explodieren, nur die LTO nicht, die halten Temperaturen bis 250°C aus.

Anmerkung: Batterien, egal welche und dazugehörende Elektronik sollten NIE in feuchten Räumen betrieben werden!!

 

(3) Integrierbarkeit in bestehende PV Solarsysteme

Bei diesem ebenfalls sehr wichtigen Punkt hat wieder der Lithium Titanat Akku die Nase vorne. Die meisten Solar Wechselrichter/Ladegeräte sind auf Ladekennlinien und Spannungsgrenzen von Blei Akkus oder Lithium Batterien ausgelegt und wichtige Werte wie Ladeschlussspannung oder Entladegrenze beim Entnehmen von Batteriestrom für die Verbraucher sind in gewissen Grenzen einstellbar. Hier passt der LTO Akku sehr gut zu den Lithiumeinstellungen, auch wenn er eine geringere Nennspannung von 2,4V hat. Da tut sich der NiFe Akku schon deutlich schwerer. Es gibt um einiges weniger Hardware, die sich mit ihm verträgt bzw. zu ihm passt und die, die es gibt, ist auch meist teurer.

 

(4) Allgemeine Vergleichsdaten

Es gibt natürlich noch eine Reihe von Daten und technischen Werten, die immer wieder herangezogen werden um Akkuzellen miteinander zu vergleichen. Die meisten fallen zu Gunsten des Lithium Titanat Akkumulators aus, sind aber für die Verwendung im Photovoltaik Heimspeicher nicht so wichtig. Dazu gehören die Nennspannung und die Energiedichte. Diese Werte sind beim LTO um den Faktor 2 bzw. 2-3 höher, als beim NiFe. Auch der nutzbare Temperaturbereich ist beim LTO viel größer als beim NiFe. Aber wie gesagt, das ist nicht relevant, wenn man davon ausgeht, dass Speicherbänke idealerweise in einem warmen Kellerraum stehen. Bei Raumtemperatur haben die meisten Akkutypen sehr gute Leistungsdaten.

Vergleich-Energiedichte-PV-Speicher
Sowohl der NiFe als auch der LTO Akku sind sehr nachhaltige Akkutypen, denn alleine die lange Haltbarkeit und Lebensdauer machen beide interessant. Bei der hohen nutzbaren Zyklenzahl des LTO braucht man sich auch um die Entsorgung der Lithium Zellen keine Sorgen machen, was immer als ein Argument gegen alle Arten von Lithium Akkus vorgebracht wird. „Grün“, umweltfreundlich und ungiftig sind beide. Lithium gibt es fast überall auf der Welt und auch Nickel ist kein Element das bei der Gewinnung Probleme bereitet.
Ein Vorteil des NiFe Akkus ist seine Unverwüstlichkeit. Man könnte den Batteriespeicher abschalten und 20 Jahre stehen lassen und trotzdem kann man ihn zu 100% wiederbeleben. Das geht beim LTO nicht. Dieser benötigt, so wie alle Lithium Akkus, ein Batterie Management System (BMS) das das gesamte Akkupack und die Einzelzellen vor Überladung und Tiefentladung schützt. Würde man einen Lithium Titanat Akku mehrere Jahre ohne Verwendung stehen lassen, würde er sich tiefentladen (von selbst) und wäre unrettbar kaputt bzw. er hätte keine praktisch nutzbare Kapazität mehr. Da das als Hausspeicher aber eher nicht vorkommen wird, ist das auch nur eine theoretische Überlegung.

 

(5) Schlussbemerkung – Fazit

Der Lithium Titanat Akku ist ein moderner, zeitgemäßer Akku mit überdurchschnittlichen Eigenschaften (Sicherheit, Lebensdauer), den man perfekt als Photovoltaik Speicherbatterie einsetzen kann. Einfache Installation und Anpassung an die Solar Elektronik passen gut zu dem unauffälligen, problemlosen Betrieb. Selbst wenn das BMS, obwohl es ein elektronisches Bauteil ohne bewegte Teile ist, kaputt geht, tauscht man es aus und die Anlage funktioniert wieder.
Der NiFe Akku war immer eine gute Alternative zum Blei Akku oder zu den verbotenen – weil giftigen – Nickel Cadmium Batterien. Aber mittlerweile ist er technologisch und auch in der Handhabung ein in die Jahre gekommener Akkumulator, der nur mehr echte Fans anspricht oder im industriellen Einsatz seine Berechtigung findet.
Das Hauptargument, das immer gegen den Lithium Titanat Akku gesprochen hat, nämlich der hohe Preis, ist keines mehr. Heute stehen NiFe Akku und LTO Akku auf annähernd gleichem Preisniveau.

Als Obmann des Vereins ZukunftsWerkstatt Verkehr ist es mir ein Anliegen die Erfahrungen mit vielversprechenden neuen Batterietypen mit interessierten Menschen zu teilen bzw. will ich so weit gehen, noch Anfang 2018 eine eigenes Vertriebssystem für einen Lithium Titanat Akku aufzubauen. Ich habe im letzten Jahr ein LTO Batterie Modul entwickelt, das sowohl im Haus als Solarspeicher als auch als mobiler Speicher für andere Anwendungen eingesetzt werden kann.
Ebenso wird die Einsatzmöglichkeit im elektrischen Motorrad, wovon zwei gerade in Entwicklung sind, überprüft.

Wenn diesbezüglich Fragen oder Anregungen auftreten, würde ich mich freuen, wenn Sie mir schreiben:

kontakt

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