Degradation bezeichnet den fortschreitenden Verlust der Leistungsfähigkeit einer technischen Anlage durch Nutzung und Alterung. Bei einem Battery Energy Storage System (BESS), also einem Batterieenergiespeichersystem, zeigt sie sich vor allem in einer abnehmenden nutzbaren Speicherkapazität und/oder einer reduzierten Lade- und Entladeleistung. Durch steigende interne Verluste kann außerdem die Effizienz der Batterie beeinträchtigt werden. Auch PV-Module verlieren im Laufe ihrer Betriebszeit allmählich an Leistung.

Degradation auf einen Blick

• Bei Batteriespeichern entsteht Degradation sowohl zeitabhängig durch Kalenderalterung als auch nutzungsabhängig durch zyklische Alterung.
• Hohe Temperaturen, dauerhaft hohe Ladezustände, große Entladetiefen und hohe Lade- oder Entladeströme können die Alterung beschleunigen.
• Die reine Anzahl der Ladezyklen reicht für eine belastbare Bewertung des Batteriezustands nicht aus.
• Langzeitdaten zu Kapazität, Energiedurchsatz, Temperatur und Betriebsbedingungen können helfen, Alterungstendenzen und Auffälligkeiten zu erkennen.

Wie entsteht Degradation bei Batteriespeichern?

Die Alterung elektrochemischer Batteriezellen beruht auf verschiedenen chemischen und physikalischen Prozessen. Dabei kann ein Teil des aktiven Materials oder des zyklierbaren Lithiums verloren gehen. Gleichzeitig kann der Innenwiderstand der Zellen steigen. Der Batteriespeicher kann dadurch weniger Energie aufnehmen und abgeben, höhere interne Verluste verursachen oder nur noch eine reduzierte Lade- und Entladeleistung bereitstellen.

Grundsätzlich wird zwischen Kalenderalterung und zyklischer Alterung unterschieden. Beide Prozesse laufen in der Praxis gleichzeitig ab und lassen sich nicht immer eindeutig voneinander trennen.

Kalenderalterung entsteht mit zunehmender Zeit, auch wenn die Batterie kaum genutzt wird. Sie wird insbesondere durch hohe Zelltemperaturen und einen über längere Zeit hohen Ladezustand beschleunigt. Ein Batteriespeicher, der dauerhaft vollständig geladen und warm gehalten wird, kann daher auch ohne viele Ladezyklen deutlich altern.

Zyklische Alterung entsteht durch das Laden und Entladen. Wichtige Einflussfaktoren sind die Entladetiefe, der genutzte Ladezustandsbereich, die C-Rate, die Zelltemperatur und die Art der Lastwechsel. Viele flache Teilzyklen können die Batterie anders beanspruchen als wenige tiefe Vollzyklen. Deshalb beschreibt die bloße Anzahl vollständiger oder äquivalenter Vollzyklen den tatsächlichen Alterungszustand nur eingeschränkt.

Warum ist die Bewertung der Degradation wichtig?

Bei der Auslegung eines BESS muss berücksichtigt werden, welche nutzbare Kapazität und Leistung über die geplante Betriebsdauer verfügbar bleiben sollen. Je nach Systemarchitektur können Kapazitätsreserven, begrenzte Ladezustandsbereiche oder technisch vorbereitete spätere Erweiterungen vorgesehen werden. Ob eine spätere Erweiterung tatsächlich möglich ist, hängt unter anderem vom Zellalter, von Herstellerfreigaben sowie von der elektrischen und steuerungstechnischen Auslegung ab.

Im laufenden Betrieb ist die Degradation unter anderem für Eigenverbrauchsoptimierung, Lastspitzenkappung, Strompreisoptimierung und die Bereitstellung von Flexibilität relevant. Sinkt die nutzbare Kapazität, kann der Speicher weniger Energie verschieben. Eine reduzierte Leistung kann außerdem verhindern, dass kurzfristige Lastspitzen oder Leistungsanforderungen vollständig abgedeckt werden.

Auch bei Garantieprüfungen, Restwertbewertungen und der langfristigen Betriebsplanung spielen Alterungsdaten eine wichtige Rolle. Dabei müssen die tatsächlich erreichten Betriebsbedingungen mit den Annahmen aus Auslegung, Garantie und Betriebsstrategie verglichen werden.

Wie wird der Zustand eines BESS bewertet?

Eine zentrale Kennzahl ist der State of Health (SOH). Er beschreibt den Gesundheitszustand der Batterie im Verhältnis zu einem definierten Referenzzustand. Häufig wird dafür die aktuell nutzbare Kapazität mit der nutzbaren Kapazität im Neuzustand verglichen. Je nach Hersteller und Verfahren können jedoch auch Innenwiderstand, verfügbare Leistung oder weitere Zellparameter einfließen.

Der Vergleich muss unter definierten und möglichst vergleichbaren Messbedingungen erfolgen. Kapazität und verfügbare Leistung hängen unter anderem von der Temperatur, der C-Rate, dem untersuchten Ladezustandsbereich und den geltenden Betriebsgrenzen ab. SOH-Werte verschiedener Systeme oder Messverfahren sind deshalb nicht automatisch direkt vergleichbar.

Für eine aussagekräftige Zustandsbewertung sollten unter anderem folgende Größen gemeinsam betrachtet werden:

• nutzbare Lade- und Entladekapazität,
• maximal verfügbare Lade- und Entladeleistung,
• kumulierter Energiedurchsatz,
• Ladezustands- und Temperaturverläufe,
• Lade- und Entladeraten sowie Betriebsgrenzen,
• Warnungen, Zellabweichungen und Daten des Batteriemanagementsystems.

Eine belastbare Kapazitätsbestimmung kann kontrollierte Lade- und Entladetests erfordern. Aus einem einzelnen Ladezustandswert oder einer kurzfristigen Leistungsmessung lässt sich die Degradation nicht zuverlässig ableiten.

Degradation bei PV-Modulen

Bei PV-Anlagen zeigt sich Degradation hauptsächlich als langfristiger Rückgang der verfügbaren Modulleistung. Davon abzugrenzen sind vorübergehende oder anderweitig verursachte Mindererträge, beispielsweise durch Verschmutzung, Verschattung, ungünstige Witterung, Wechselrichterverluste, Abregelung oder technische Defekte.

Eine Bewertung erfordert daher normalisierte Langzeitdaten. Dabei werden Ertrag und Leistung unter anderem im Verhältnis zu Einstrahlung, Modultemperatur und Anlagenverfügbarkeit betrachtet. Erst wenn andere Ursachen berücksichtigt wurden, lässt sich ein dauerhafter Leistungsrückgang fundiert beurteilen.

Degradation mit EcoPhi überwachen

EcoPhi kann relevante Betriebswerte eines BESS erfassen und historisch dokumentieren, sofern diese über die jeweilige Geräteschnittstelle verfügbar sind. Dazu können Ladezustand, Temperaturen, Lade- und Entladeleistungen, Energiedurchsatz, Betriebsgrenzen sowie Meldungen des Batteriemanagementsystems gehören.

Langzeitverläufe können Auffälligkeiten, veränderte Betriebsbedingungen oder Hinweise auf mögliche Kapazitäts- und Leistungsverluste sichtbar machen. Die Daten können außerdem dazu dienen, Betriebsstrategien hinsichtlich Temperatur, Ladezustandsbereich und Beanspruchung zu überprüfen.

Eine belastbare SOH-Bestimmung ist jedoch nur möglich, wenn geeignete Batteriedaten und eine klar definierte Bewertungsmethode verfügbar sind oder ergänzende Testverfahren durchgeführt werden. Monitoringdaten allein ersetzen keine zellchemische Diagnose oder kontrollierte Kapazitätsmessung. Die konkret verfügbaren Werte hängen vom BESS, dem Batteriemanagementsystem und den unterstützten Schnittstellen ab.

Degradation zusammengefasst

Degradation kann im Laufe der Zeit die nutzbare Kapazität und die verfügbare Leistung eines Batteriespeichers reduzieren. Ihr Verlauf hängt sowohl von der Zeit als auch von den konkreten Betriebsbedingungen ab. Langzeitdaten unterstützen die Zustandsbewertung, eine genaue SOH- oder Kapazitätsbestimmung kann jedoch zusätzliche Batteriedaten und definierte Tests erfordern.

Häufig gestellte Fragen zur Degradation

Was ist der Unterschied zwischen Kalenderalterung und zyklischer Alterung?

Kalenderalterung entsteht zeitabhängig und findet auch bei geringer Nutzung statt. Zyklische Alterung wird durch Lade- und Entladevorgänge verursacht. In einem real betriebenen Batteriespeicher wirken beide Alterungsarten gleichzeitig.

Wie lässt sich die Degradation eines Batteriespeichers reduzieren?

Geeignete Temperaturbedingungen, begrenzte Ladezustandsbereiche und eine an die Batterietechnik angepasste Lade- und Entladeleistung können die Alterung verringern. Welche Betriebsweise sinnvoll ist, hängt von der Zellchemie, der Anwendung und den Herstellervorgaben ab.

Reicht die Anzahl der Ladezyklen zur Zustandsbewertung aus?

Nein. Die gleiche Anzahl an Zyklen kann je nach Entladetiefe, Temperatur, C-Rate und Ladezustandsbereich zu unterschiedlich starker Alterung führen. Energiedurchsatz, nutzbare Kapazität, verfügbare Leistung und Betriebsbedingungen müssen ebenfalls berücksichtigt werden.

Kann ein Monitoring-System den SOH bestimmen?

Ein Monitoring-System kann relevante Betriebs- und Langzeitdaten erfassen und Hinweise auf eine Alterung liefern. Eine belastbare SOH-Bestimmung setzt zusätzlich geeignete Batteriedaten, vergleichbare Messbedingungen, eine definierte Berechnungsmethode und gegebenenfalls kontrollierte Kapazitätstests voraus.