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Akkumulator

Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig. Weitere Bedeutungen werden unter Akkumulator (Begriffsklärung) aufgeführt.

Ein Akkumulator (auch: Akku, veraltet: Sammler) ist ein Speicher für elektrische Energie, meist auf Basis eines elektrochemischen Systems. Er besteht meist aus mehreren wiederaufladbaren Sekundär-Zellen, die zur Erhöhung der Gesamtspannung in Reihe geschaltet sind.

Von Funktion und Aufbau her werden Akkumulatoren häufig mit Batterien verwechselt. Diese sind nicht wiederaufladbar. Brennstoffzellen arbeiten ähnlich wie Batterien, jedoch mit einer kontinuierlichen Zufuhr von elektrochemisch reagierenden Substanzen.

In Kondensatoren wird elektrische Energie unmittelbar ohne chemischen Umweg gespeichert.

Inhaltsverzeichnis

Funktionsweise

In einem Akkumulator wird beim Aufladen elektrische Energie in chemische Energie gewandelt. Wird ein Verbraucher angeschlossen, so wird die chemische Energie wieder in elektrische Energie zurückgewandelt (siehe dazu: Galvanische Zelle). Beim Aufladen und Entladen von Akkumulatoren wird Wärme freigegeben, wodurch ein Teil der zum Aufladen aufgewandten Energie verloren geht. Das Verhältnis der entnehmbaren zu der beim Laden aufzuwendenden Energie wird als Ladewirkungsgrad bezeichnet. Er liegt meist bei etwa 80 %.

Die von einer elektrochemischen Zelle typische elektrische Nennspannung hängt von der Art der verwendeten Materialien ab.

Verwendung

Akkumulatoren kommen zur Anwendung, wo ein zeitweise oder gänzlich netzunabhängiger Betrieb von elektrischen und elektronischen Geräten erforderlich oder gewünscht ist.

Bereiche für den Betrieb netzferner Verbraucher sind beispielsweise Hütten in ländlichen Gegenden (etwa ein Drittel der Menschheit wird auf absehbare Zeit nicht an elektrische Netze angebunden sein), die nur über Solarzellen, Wind- oder Dieselgeneratoren versorgt werden. Hierzu zählen auch Telemetrie-Einrichtungen und Automaten, für die eine Netzanbindung zu kostspielig ist.

Ein bedeutendes Anwendungsgebiet von Akkumulatoren sind die sogenannten Starterbatterien für die Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen. Sie liefern über einen Anlasser die zum Start der Motoren (Diesel- und Ottomotoren sowie Gasturbinen) erforderliche Energie. Nach dem Start werden sie über die Lichtmaschine oder einen Anlassgenerator wieder geladen und dienen nun lediglich dem Ausgleich von Belastungsschwankungen des Bordnetzes.

Kraftfahrzeuge, Schiffe und sogar kleine Flugzeuge können auch ausschließlich elektrisch mit sogenannten Traktions-Akkumulatoren (Traktionsbatterien) betrieben werden. Einen kombinierten Betrieb mit Elektromotor und Verbrennungsmotor nennt man Hybridantrieb. Beide Einsatzgebiete von Akkumulatoren (Hybridbatterie) erfahren gegenwärtig eine starke Entwicklung.
Auch konventionelle U-Boot-Antriebe bestehen aus einem Dieselmotor (Benutzung zum Fahren und Laden bei ungetauchter Fahrt) und einem Akkumulator (Tauchfahrten).

Akkumulatoren dienen auch zur Überbrückung von Unterbrechungen in der stationären Energieversorgung. Wichtige Bereiche, die es mit einer Notstromversorgung abzusichern gilt, sind z. B. Rechenzentren, Alarmsysteme und lebenserhaltende Systeme in Krankenhäusern. Für Anlagen mit hoher Leistung werden Dieselgeneratoren eingesetzt. Bis diese die dafür nötige Drehzahl erreicht haben, übernimmt die meist mit Bleiakkumulatoren betriebene, viel schneller auf Spannungsunterbrechungen reagierende unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) die Energieversorgung. Es gibt aber immer noch Installationen, die eine Schwungmasse verwenden, die, solange die Netzversorgung vorhanden ist, in schneller Rotation gehalten wird und bei Ausfall des Netzes an den Dieselgenerator gekoppelt wird und diesen in wenigen Bruchteilen einer Sekunde zum Laufen bringen. Die Versorgungslücke, bevor der Dieselgenerator tatsächlich startet, gleicht die Schwungmasse aus: Sie liefert kurzzeitig mechanische Energie an den Generator. Der Vorteil dieser Konstruktion ist die Einfachheit: Es gibt keine (früher teure) USV und die Schwungmasse wird eingeklinkt, wann immer das Netz ausfällt.

Des Weiteren werden viele vorwiegend kleinere Akkuwerkzeuge und akkumulatorbetriebene Haus- und Gartengeräte eingesetzt.

Typen

Die Akkumulatortypen[1] werden nach den verwendeten Materialien bezeichnet:

Energiedichte

Bei sehr vielen Anwendungen ist die Energiedichte ausschlaggebend, mit der sich die Gesamtmasse des Akkumulators ermitteln lässt, wenn die zu speichernde Energiemenge vorgegeben ist. Als Hinweis gilt folgender einfache Zusammenhang: Je höher die Energiedichte, desto höher ist der Preis. Dieser liegt bei allen Akkus etwa bei 100 €/kWh.

Ein Vergleich zeigt die Vor- und Nachteile von Akkus gegenüber anderen Speicherverfahren.

Akkumulatortyp Energiedichte [Wh/kg] Besonderheit
Bleiakkumulator 30
Nickel-Metallhydrid-Akkumulator 60-80
Nickel-Cadmium-Akkumulator 40-60 EU-weit verboten
Lithium-Ionen-Akkumulator 120-140
Lithium-Titanat-Akkumulator 80 schnell-ladefähig
Lithium-Polymer-Akkumulator 140
Natrium-Schwefel-Akkumulator 120 350 °C, keine Selbstentladung

Ladungsmenge und Kapazität

Die Ladungsmenge, die ein Akkumulator speichern kann, wird in Amperestunden (Ah) angegeben und als „Kapazität“ (Nennkapazität) bezeichnet. Diese darf nicht verwechselt werden mit der Kapazität eines Kondensators, die anders definiert ist und in der Einheit Farad (F) angegeben wird.

Die beim Akku entnehmbare Kapazität hängt vom Entladeverfahren ab, also vom Entladestrom, von der Entladeschlussspannung des Akkus (der Spannung, bei der die Entladung beendet wird), und selbstverständlich vom Ladezustand. Es sind verschiedene Entladeverfahren üblich, u. a.: Entladung mit konstantem Strom, Entladung über konstanten Widerstand oder Entladung mit konstanter Leistung. Je nach Entladeverfahren besitzt der Akku eine andere Kapazität. In einer aussagekräftigen Angabe der Nennkapazität müssen daher sowohl der Entladestrom als auch die Entladeschlussspannung angegeben werden.

Generell nimmt die entnehmbare Kapazität eines Akkumulators mit zunehmendem Entladestrom ab. Grund hierfür sind sowohl die zunehmenden Verluste am Innenwiderstand des Akkus als auch die Tatsache, dass die chemischen Prozesse im Akku mit begrenzter Geschwindigkeit ablaufen. Die Verringerung der entnehmbaren Kapazität mit zunehmendem Entladestrom unterscheidet sich bei den verschiedenen Akkutypen erheblich.

Für die entladestromabhängige Kapazität haben sich zeitabhängige Angaben eingebürgert. So gibt die C20-Kapazität die verfügbare Energiemenge an, wenn der Akku innerhalb von 20 Stunden mit einem gleichmäßigen Entladestrom bis zur Entladeschlussspannung entladen wird. Multipliziert man die Nennkapazität (Maßeinheit: Ah) mit der Nennspannung (Maßeinheit: Volt), so ergibt sich der Energiegehalt (Maßeinheit: Wh).

Um die Spannung zu vervielfachen, werden mehrere Zellen gleicher Kapazität in Reihe geschaltet. Die Zellen können dabei in einem gemeinsamen Gehäuse zusammengefasst werden, wie es zum Beispiel bei der Fahrzeug-Starterbatterie üblich ist, die meist aus sechs Zellen für insgesamt 12 Volt Nennspannung besteht. Mechanisch und elektrisch verbundene Akkumulatoren werden auch Akkupack genannt.

Beim Aufladen kommen, je nach Akkutyp, verschiedene Ladeverfahren zur Anwendung. Der Ladevorgang wird dabei durch einen Laderegler gesteuert.

Die Haltbarkeit bzw. Brauchbarkeitsdauer von Akkumulatoren wird mit der Zahl von Lade-/Entlade-Zyklen angegeben, nach der der Akkumulator nur noch eine bestimmte Lade-Kapazität hat. Die Normen DIN 43539 Teil 5 und IEC 896 Teil 2 geben dazu verschiedene Verfahren und Richtwerte an.

Die Leerlaufspannung kann als Indiz für die Qualität eines Akkumulators dienen: Im Laufe der Lebensdauer sinkt aufgrund von chemischen Reaktionen (Alterung) die Leerlaufspannung bei vollständig geladenem Akku ab.

Entsprechend dem Wear Level, der Abnutzung das Akkumulators, sinkt im Verlauf der Lebensdauer die Ladekapazität und damit auch die Energiedichte.

Selbstentladung - Empfohlene Lagerung

Wird ein Akku nicht verwendet, so verliert er über die Zeit einen Teil seiner gespeicherten Energie. Diesen Vorgang nennt man Selbstentladung. Das Maß der Selbstentladung hängt von Typ und Alter des Akkus sowie von der Lagertemperatur ab.

Für die Lagerung von Akkus wird meistens folgendes empfohlen: (Hinweis: Der Ladezustand ist relativ gesehen zur Entladeschlussspannung. Das heißt, wenn ein Akku einen Ladezustand von 0 % aufweist, dann ist damit gemeint, dass er seine Entladeschlussspannung erreicht hat, bei NiCd- und NiMH-Akkus liegt diese z. B. bei 0,9 V bzw. 1,0 V.)

Sanyo hat im August 2006 einen modifizierten NiMH-Akku namens Eneloop auf dem Markt gebracht, der einer Selbstentladung von lediglich 15 % pro Jahr unterliegt. Es handelt sich hierbei um sogenannte LSD-Akkus (Low Self Discharge), die aufgrund ihrer geringen Selbstentladung als bereits vorgeladene Akkus verkauft werden und daher im Gegensatz zu herkömmlichen Akkus vor der ersten Benutzung durch den Käufer nicht aufgeladen werden müssen. Ähnliche Akkus haben Conrad Electronic unter dem Namen Endurance, Ansmann unter dem Namen maxe, Uniross unter dem Namen Hybrio und Varta unter dem Namen Ready2Use herausgebracht. Auch hierbei soll es sich um modifizierte NiMH-Akkus handeln, die problemlos mit jedem NiMH-Ladegerät geladen werden können.

(Alle Angaben zur Selbstentladung beziehen sich auf Raumtemperatur)

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Kriterien für die Auswahl eines Akkumulatortyps für eine bestimmte Anwendung sind unter anderem:

Aus der Anwendung der oben genannten Kriterien ergeben sich für jeden Akkutyp einige typische Anwendungsgebiete, wobei insbesondere bei NiCd-, NiMH- und Li-Ion-Akkus die Übergänge fließend sind:

Alternativ zu Akkus werden heute zunehmend Brennstoffzellen als Energieträger diskutiert, da diese ein deutlich geringeres (günstigeres) Leistungsgewicht haben. Hierbei ist allerdings bei Vergleichen mit Akkumulatoren auch das Gewicht des Treibstoff-Behälters zu berücksichtigen, der meistens Wasserstoff enthält. Zu vergleichen sind korrekter Weise hier das Brennstoffzellen-System einschließlich Treibstoff und Behälter mit dem (voll aufgeladenen) Akku. Die höheren Kosten beschränken den Einsatz nach bisheriger Planung aber auf hochwertige Geräte wie Laptops. Konkurrierende Energiespeicher sind auch Hydraulikspeicher sowie elektrochemische Stromquellen wie die Redox-Flow-Zelle.

Einzelnachweise

  1. Optionen zur Speicherung elektrischer Energie in Energieversorgungssystemen mit regenerativer Stromerzeugung

Literatur