Im Rahmen der internationalen Energie- und Verkehrswende spielen leistungsfähige Batteriespeicher eine stetig wachsende Rolle. Doch Batterien haben die Eigenschaft, mit der Zeit zu altern und dabei einen Teil ihrer nutzbaren Speicherkapazität zu verlieren – ein Phänomen, das hinreichend von Smartphones oder Laptops bekannt ist. Während ein Akkutausch bei einem Mobiltelefon noch zu vergleichsweise geringen Kosten erfolgen kann, ist der Schaden einer frühzeitigen Alterung bei Heimspeichern mit bis zu 10.000 € allerdings erheblich größer.

Um Geschäfte mit Großbatterien wie Heim- und Gewerbespeicher abzusichern, geben Hersteller in Deutschland deshalb Zeitwertersatz-garantien von typischerweise 10 Jahren auf die Batteriespeicher. Kunden, die eine frühzeitige Alterung an ihrem Speichersystem beobachten, haben dann Anspruch auf eine Entschädigung durch den Hersteller.

Alterung von Heimspeichern im Feld

Um eine Einschätzung über das reale Verhalten von Heimspeichern im Feld zu erlangen, vermessen die Wissenschaftler des Speichermonitorings seit dem Jahr 2015 regelmäßig die Betriebsdaten und Kapazitäten von mehr als 20 privat betriebenen Speichersystemen. In untenstehender Abbildung sind die Alterungszustände der untersuchten Batterien dargestellt.

Es zeigt sich ein durchmischtes Bild: Während einige Speichersysteme auch nach mehr als fünf Jahren Betriebsdauer noch hervorragende Kapazitätswerte aufweisen, wurde eine Batterie bereits nach einem Totalausfall vom Hersteller ausgetauscht.  Zwei weitere Systeme sind „stille Garantiefälle“, da ihre Kapazität bereits unterhalb von 80% der nominalen Kapazität gefallen ist. Darüber hinaus liegen drei Batteriespeicher bereits bei nur noch 90% Restkapazität. Hier muss befürchtet werden, dass diese Speichersysteme bald zu Garantiefällen werden können.

Ein erster Hinweis auf gealterte Batterien

Doch wie merkt ein Speicherbetreiber überhaupt, dass seine Batterie möglicherweise frühzeitig gealtert ist und was kann dann getan werden? Um ein erstes Gefühl für den Zustand ihrer Batterie zu erhalten, geht der Blick von interessierten Speicherbetreibern meist in das Monitoringportal ihres Systems. Dort können die entladenen Energiemengen der letzten Tage und Monate oft auf die Wattstunde genau nachvollzogen werden. Sieht man von natürlichen Schwankungen der Batterieentladung in Abhängigkeit des Wetters oder des Stromverbrauchs ab, können sich hier bereits Trends erkennen lassen. Eine jährliche Reduzierung der maximalen Entlademenge von 1-2% ist dabei durchaus normal und elektrochemisch unvermeidbar. Ein stärkerer Rückgang der Kapazität kann aber auf eine fortgeschrittene Alterung in einem oder mehreren Batteriemodulen hinweisen.

Manuelle Kapazitätstests – etabliert, aber aufwändig

Die übliche Prozedur zur gerichtsfesten Prüfung der Batteriekapazität ist ein manueller Kapazitätstest, bei dem ein Techniker oder Sachverständiger vor Ort eine kontrollierte Vollladung, gefolgt von einer vollständigen Entladung durchführt. Dieses Testverfahren ist in der Batteriebranche etabliert, erfordert aber eine ausgebildete Fachkraft und viel Zeit: Je nach Größe und Typ des Speichersystems müssen beim Kunden bis zu zwölf Stunden Testdauer eingeplant werden – keine optimale Lösung. Eine Beschleunigung der manuellen Kapazitätstests durch die Verwendung von höheren Leistungen wirkt sich dagegen negativ auf die Messgenauigkeit aus. Bei Feldtests der RWTH Aachen zeigten sich hier Abweichungen von teilweise mehr als 6 Prozentpunkten.

Virtuelle Kapazitätstests – datenbasierte Innovation

Eine Alternative zur beschriebenen Methoden bieten sogenannte virtuelle Kapazitätstests. Dieses Verfahren wurde seit Mitte 2017 von Experten der RWTH Aachen entwickelt, um die Ermittlung der Restkapazitäten von Batteriespeichern im Feld genauer und effizienter zu gestalten. Zur Durchführung von virtuellen Kapazitätstests ist kein Technikereinsatz vor Ort erforderlich. Stattdessen wird der Alterungszustand der Batterie anhand ihres Betriebsverhaltens ermittelt. Dazu werden die vom Speicher automatisch erzeugten Logfiles mittels künstlicher Intelligenz ausgewertet und mit denen ähnlicher Speichersysteme verglichen. Anhand der Betriebsdaten von nur wenigen Wochen kann so eine präzise Aussage zum aktuellen Alterungszustand des Heimspeichers getroffen werden. Das entwickelte datenbasierte Testverfahren kann zukünftig dabei helfen, die aufwändige manuelle Ermittlung des Alterungszustandes zu ersetzen und schneller passgenaue Lösungen für die Speicherbetreiber und Hersteller zu finden.

Drei Praxisbeispiele

Im Folgenden werden die Ergebnisse der virtuellen Kapazitätstests an drei unterschiedlichen privat betriebenen Heimspeichern dargestellt. Die grauen Kreuze stellen dabei jeweils die mittels künstlicher Intelligenz ermittelten äquivalenten Tageszyklen der Batterie dar. Diese unterscheiden sich naturgemäß in Abhängigkeit des Wetters und des Stromverbrauchs. Es kann aber ein klarer Trend abgeleitet werden: In allen drei Abbildungen nehmen die maximalen Entlademengen (die grauen Kreuze am oberen Rand des Diagramms) mit der Zeit leicht ab, denn die Systeme altern. Dies ist elektrochemisch unvermeidbar und bis zu einem gewissen Grad tolerierbar, es zeigen sich jedoch erhebliche Unterschiede in der Geschwindigkeit der auftretenden Alterungsprozesse.

 

Geringe Alterung = lange Lebensdauer
Der erste analysierte Heimspeicher weist über einen Zeitraum von zwei Jahren einen Kapazitätsverlust von rund 6,8 Ah auf. Bei einer Nennkapazität von 190 Ah altert die Batterie demnach mit einer durchschnittlichen Rate von weniger als 2 % pro Jahr - ein gutes Ergebnis, das eine hohe Lebensdauer erwarten lässt.

Die zusätzlich in Rot dargestellten manuellen Kapazitätstests liegen um jeweils etwa 3 Prozentpunkte unterhalb der im realen Betrieb erreichbaren Werte. Die Ursache hierfür liegt in der Durchführung dieser Tests, bei der aus Zeitgründen eine hohe Entladeleistung gewählt wurde. Bei einem schnell durchgeführten manuellen Kapazitätstest wird die Entladeschlussspannung der Batterie vorzeitig erreicht, sodass der Speicher nicht vollständig entladen wird. Es zeigt sich hier und in den folgenden Beispielen, dass die Verwendung von virtuellen Kapazitätstests insbesondere zur Klärung von möglichen Garantiefällen deutlich besser geeignet sind.

Beschleunigte Alterung mit ungewissem Ausgang
Der zweite dargestellte Heimspeicher altert bereits deutlich schneller. Die jährliche Alterungsrate liegt bei fast 4% wobei die wesentlichen Kapazitätsverluste in zwei Stufen im 1. Quartal 2017 sowie ab dem 2. Quartal 2018 stattfinden. Während ein gewisser Rückgang der entladbaren Energiemengen zum Ende des Jahres aufgrund der schlechteren Wetterverhältnisse normal ist, zeigt ein Vergleich mit den anderen vermessenen Systemen, dass diese zur gleichen Zeit deutlich besser arbeiten. Obwohl das Speichersystem derzeit noch seinen Leistungsanforderungen genügt, lässt die bisherige Entwicklung der Kapazität darauf schließen, dass die Batterie bereits in wenigen Jahren zu einem Garantiefall werden kann.

Ein Frühausfall nach nur vier Jahren
Der dritte analysierte Heimspeicher mit einer Nennkapazität von 165 Ah erreichte seine 80%-Lebensdauergrenze bereits im 1. Quartal 2018, nach gerade einmal vier Jahren Speicherbetrieb und stellte seinen Betrieb kurz darauf ganz ein. Durch die regelmäßige Vermessung der Batteriekapazität durch die RWTH Aachen konnte der Betreiber beim Hersteller zwar schnell und problemlos einen Austausch seines Speichersystems erwirken, die entstandenen Ausfallzeiten und der organisatorische Aufwand für Abbau und Neuinstallation bleiben jedoch ein für Verbraucher vermeidbares Ärgernis.

Nächste Schritte

Die Thematik eines verbraucherfreundlichen Umgangs mit (frühzeitiger) Batteriealterung gewinnt in vielen Branchen rasant an Bedeutung. Die deutsche Heimspeicherbranche ist hier durch die Etablierung einer zehnjährigen Zeitwertersatzgarantie bereits mit positivem Beispiel vorangegangen. Innovative Methoden zur Batteriediagnose können den Bearbeitungsaufwand von Garantiefällen für Kunden und Hersteller erheblich reduzieren. Wir arbeiten derzeit daran, die Methodik der Branche und den Verbrauchern in Form einer Open-Source Lösung zur Verfügung zu stellen.

Für weitere Informationen zur Bestimmung der Alterung von Batteriespeichern sprechen Sie uns gerne an.