Welche Lebensdauer haben Energiespeichersysteme?

Die Lebensdauer von ein Energiespeichersystem Die Lebensdauer gibt an, wie lange der Akku noch ausreichend nutzbare Kapazität besitzt, um seinen Zweck zu erfüllen. Die meisten modernen Lithium-Ionen-Systeme halten etwa 10 bis 15 Jahre oder mehrere tausend Lade- und Entladezyklen. Die tatsächliche Lebensdauer hängt davon ab, welcher Wert zuerst erreicht wird. Dieser Wert wiederum ist abhängig von der Zyklenzahl, der Temperatur, der Entladetiefe und dem Schwellenwert, der das Ende der Lebensdauer definiert. Zwei identische Systeme können Jahre auseinanderliegen und daher ausgemustert werden.

Zyklische Lebensdauer vs. Kalenderlebensdauer in Energiespeichersystemen

Die Lebensdauer eines Energiespeichers wird anhand zweier Kennzahlen bestimmt: der Zyklenlebensdauer und der Kalenderlebensdauer. Das Ende der Lebensdauer ist erreicht, wenn eine der beiden Kennzahlen die nutzbare Kapazität auf etwa 70 bis 80 Prozent der ursprünglichen Nennkapazität reduziert. Die Zyklenlebensdauer gibt an, wie viele vollständige Lade- und Entladezyklen die Zellen durchlaufen, bevor die Kapazität abnimmt. Die Kalenderlebensdauer beschreibt die langsamere Alterung, die mit der Zeit eintritt, selbst wenn das System im Leerlauf ist.

Oft wird fälschlicherweise angenommen, die Lebensdauer sei eine feste Anzahl von Jahren. Dabei wird jedoch die Wechselwirkung der beiden Grenzwerte außer Acht gelassen. Nehmen wir ein System, das für 6.000 Zyklen ausgelegt ist und täglich zwei vollständige Zyklen durchläuft. Es verbraucht sein Zyklusbudget in etwa acht Jahren (6.000 ÷ 2 ≈ 8), lange bevor die kalendarische Angabe relevant wird. Der erste Test ist daher einfach: Vergleichen Sie die angegebene Zykluszahl mit der tatsächlichen täglichen Auslastung, bevor Sie sich auf die Jahresangabe im Datenblatt verlassen.

Wird ein System allein anhand der Zyklenlebensdauer dimensioniert, ohne die tägliche Fördermenge zu berücksichtigen, erweist sich die geschätzte Lebensdauer oft schon frühzeitig als unzutreffend. Der Betreiber muss dann Module mitten in der Garantiezeit austauschen.

Typische Lebensdauer je nach Batteriechemie

Die typische Lebensdauer reicht von etwa 3 Jahren bei herkömmlichen Blei-Säure-Batterien bis zu rund 20 Jahren bei Redox-Flow-Batterien, abhängig von der chemischen Zusammensetzung. Die heute dominierenden Lithium-Batterien liegen dazwischen und unterscheiden sich je nach Zelltyp.

Die unten aufgeführten Bereiche entsprechen typischen Nennwerten oder häufig angegebenen Werten. Die tatsächlichen Werte können je nach Entladetiefe, Ladestrom, Temperatur, Zellkonstruktion und dem verwendeten Lebensdauerende variieren. Betrachten Sie diese Werte als Richtwerte, nicht als Garantien.

LFP ist das Arbeitspferd für stationäre Speicher. Es vereint eine hohe Zyklenzahl mit besserer thermischer Stabilität als nickelreiche Materialien, was entscheidend ist, wenn ein System über ein Jahrzehnt täglich im Einsatz ist. NMC und NCA kommen dort zum Einsatz, wo die Energiedichte im Vordergrund steht, hauptsächlich EV-Akkus. Manche ESS-Systeme nutzen sie ebenfalls, abhängig von Kosten, Plattform und Sicherheitsarchitektur. Unabhängig von der chemischen Zusammensetzung verringern sich diese Bereiche unter realen Betriebsbedingungen.

Was bestimmt die Lebensdauer eines Systems?

Vier Betriebsvariablen bestimmen die Lebensdauer von Energiespeichern: Temperatur, Entladetiefe, Ladestrom und Zyklusfrequenz. Keine dieser Variablen wirkt isoliert, und ihr Einfluss ist unterschiedlich.

Die Temperatur ist einer der wichtigsten Einflussfaktoren. Wärme, insbesondere ungleichmäßige Wärmeverteilung im Akku, beschleunigt sowohl die kalendarische als auch die zyklische Alterung. Deshalb entscheidet oft das Wärmemanagement, nicht nur die Nennkapazität, darüber, ob ein System seine Nennlebensdauer erreicht. Wie das Temperaturfenster gehalten wird, Die Optimierung der Kühlplattenkonstruktion und die Wahl des Kühlmittels stellen eine separate Ingenieursaufgabe dar, die wir gesondert behandeln. Der Kernpunkt ist jedoch einfacher: Ungleichmäßige Kühlung beeinträchtigt nicht nur die Leistung, sondern auch die Lebensdauer.

Die Entladetiefe bestimmt, wie stark die Zelle in jedem Zyklus beansprucht wird. Hält man den Arbeitsbereich weder bei 0 noch bei 100 Prozent, erhöht sich die Anzahl der nutzbaren Zyklen. Daher arbeiten die meisten stationären Systeme mit einer begrenzten Entladetiefe anstatt mit Volllastzyklen. Lade- und Entladerate stellen eine zusätzliche Belastung dar. Hohe Leistung erzeugt interne Wärme, sodass ein System, das für schnelle Reaktionszeiten stark beansprucht wird, schneller verschleißt als ein schonend betriebenes.

Auch im praktischen Einsatz zeigt sich die Alterung ungleichmäßig. Befindet sich ein Rack in einem nicht klimatisierten Außengehäuse, verblassen die Module an der Gehäusewand in der Regel zuerst. Dies sollte überprüft werden, bevor man annimmt, dass ein gesamtes Rack gleichmäßig altert.

Wie man die Lebensdauer von Energiespeichersystemen verlängert

Um die Lebensdauer zu verlängern, müssen dieselben Faktoren kontrolliert werden, die sie verkürzen: Temperatur, Entladetiefe und Laderate. Kein einzelnes Additiv oder eine bestimmte Einstellung reicht dafür aus.

• Zellen im thermischen Fenster halten. gut abgestimmtes Wärmemanagementsystem ist der wirkungsvollste Schritt, da die Temperatur sowohl die Taktgeber als auch die anderen Taktgeber beeinflusst und jeden anderen Fehlerpfad verschlimmert.
• Begrenzen Sie die Entladetiefe. Stellen Sie das Batteriemanagementsystem auf einen konservativen Bereich ein. Sie opfern jetzt etwas Kapazität für viele weitere Ladezyklen später.
• Reduzieren Sie dauerhaft hohe Ladeströme, sofern die Anwendung dies zulässt. Geringere Leistung pro Zyklus bedeutet weniger Wärmeentwicklung und langsameren Verschleiß.
• Verfolgen Sie die Kapazität im Laufe der Zeit. Regelmäßige Zustandsprüfungen erkennen ein schwächelndes Modul, bevor es die gesamte Kette beeinträchtigt.

Bevor Sie eine Zehnjahresgarantie akzeptieren, fragen Sie nach den zugrunde liegenden Bedingungen: Entladetiefe, Lebensdauerende, Ladestrom, Umgebungstemperatur und garantierter Durchsatz. Eine Angabe ohne diese Bedingungen ist eine Marketing- und keine technische Angabe.

Wenn ein Energiespeichersystem das Ende seiner Lebensdauer erreicht

Das Lebensende ist nicht durch einen Totalausfall, sondern durch eine Kapazitätsgrenze gekennzeichnet. Üblicherweise sinkt die nutzbare Kapazität auf etwa 70 bis 80 Prozent. In diesem Stadium kann das System weiterhin laden und entladen, speichert aber deutlich weniger Kapazität. Das weitere Vorgehen hängt davon ab, wie viel Kapazität die Anwendung abgeben kann. Drei Möglichkeiten bieten sich an: Umnutzung, Austausch oder der Austausch der leistungsschwächsten Module.

Zellen, die nach einer anspruchsvollen Anwendung ausgemustert wurden, eignen sich oft noch für weniger anspruchsvolle Aufgaben. Akkus, die aus Elektrofahrzeugen oder häufig zyklisch genutzten Geräten stammen, können in einem zweiten Leben jahrelang in stationären Anwendungen mit geringerer Leistungsanforderung eingesetzt werden. Ihre Restkapazität ist ausreichend, wenn Spitzenleistung nicht im Vordergrund steht.

Es hilft auch, die verschiedenen Lebensdauern eines Systems zu unterscheiden. Die Garantiezeit ist die vom Hersteller garantierte Laufzeit, üblicherweise gekoppelt an Durchsatz oder Kapazitätserhalt. Die Nutzungsdauer beschreibt, wie lange das System für seinen eigentlichen Einsatz geeignet bleibt. Die wirtschaftliche Lebensdauer ist der Zeitpunkt, an dem ein Austausch finanziell sinnvoller ist als der Weiterbetrieb. Diese drei Phasen stimmen selten überein, und der Zeitpunkt des Austauschs ist entscheidend. Gesamtbetriebskosten mehr als die im Jahresbericht ausgewiesene Zahl.

Eine Unterscheidung ist aus Sicherheitsgründen wichtig. Der Kapazitätsverlust am Ende der Lebensdauer ist allmählich und zu erwarten. Verwechseln Sie ihn nicht mit thermisches Durchgehen, was ein separates Sicherheitsereignis mit anderen Ursachen und Präventionsmaßnahmen darstellt.

Schlussfolgerung

Die Lebensdauer lässt sich nicht mit einer einzigen Zahl beantworten. Drei Faktoren sind entscheidend, und der Käufer hat Einfluss auf alle drei: die chemische Zusammensetzung, die Auslastung und die Betriebstemperatur.

In unserer Arbeit zu Wärmeleitmaterialien und Flüssigkeitskühlplatten für Energiespeichersysteme und Elektrofahrzeugakkus hat sich ein Muster bestätigt: Systeme, die ihre Nennlebensdauer erreichen, halten die Temperatur im gesamten Akku im optimalen Bereich, nicht nur am Sensor. Die Kapazität nimmt tendenziell zuerst an den Zellen ab, die von der Kühlung vernachlässigt werden, wie z. B. an Rack-Randmodulen oder solchen an einer Gehäusewand. Wir betrachten eine gleichmäßige Temperaturverteilung als entscheidend für die Lebensdauer, da die Angaben im Datenblatt nur unter realen Betriebsbedingungen gültig sind.

Wenn Sie ein Energiespeichersystem dimensionieren oder Risiken minimieren, beginnen Sie mit dem Betriebszyklus und der thermischen Kennlinie und stimmen Sie diese anschließend auf die von Ihnen spezifizierte chemische Zusammensetzung ab. Gerne prüfen wir gemeinsam mit Ihnen einen thermischen Ansatz im Hinblick auf Ihre angestrebte Lebensdauer und Ihr Betriebsprofil. Teilen Sie uns dazu bitte Ihre Anforderungen an das Speichermodul und den Betriebszyklus mit.

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