Blei-Akkumulatoren: alles Wichtige (einfach erklärt!)

Was ist ein Blei-Akkumulator?

Ein Blei-Akkumulator ist eine wiederaufladbare Batterie, die Strom mithilfe von Blei, Bleidioxid und verdünnter Schwefelsäure speichert. Der französische Physiker Gaston Planté erfand ihn vor mehr als 160 Jahren, er war die erste wiederaufladbare Batterie überhaupt. Im Alltag steckt die Technik in fast jedem Auto als Starterbatterie, außerdem in Gabelstaplern und in der Notstromversorgung von Rechenzentren.

In der Photovoltaik war der Blei-Akkumulator lange der übliche Batteriespeicher, weil er günstig, erprobt und unkompliziert ist. Als Heimspeicher am Netz ist er ein Auslaufmodell: Lithium-Ionen-Speicher haben ihn abgelöst, denn sie vertragen rund viermal so viele Ladezyklen und brauchen deutlich weniger Platz. Wer eine Solaranlage mit Speicher plant, sollte deshalb nicht mehr auf Blei setzen. Eine Berechtigung behält der Blei-Akku nur dort, wo er die meiste Zeit voll geladen bereitsteht und selten Energie abgeben muss.

Wie funktioniert ein Blei-Akku?

Ein Blei-Akku speichert Strom, indem seine beiden Elektroden zwischen zwei chemischen Zuständen wechseln. Im geladenen Zustand besteht die positive Elektrode aus Bleidioxid und die negative aus metallischem Blei, beide tauchen in verdünnte Schwefelsäure. Beim Entladen reagieren beide Elektroden mit der Säure zu Bleisulfat, dabei fließt der nutzbare Strom. Beim Laden läuft der Vorgang rückwärts.

Aus diesem Kreislauf ergibt sich die typische Schwäche der Technik. Bleibt ein Blei-Akku längere Zeit teilentladen, verfestigt sich das Bleisulfat auf den Platten und lässt sich nicht mehr vollständig zurückverwandeln. Fachleute nennen das Sulfatierung, sie gilt als Ursache für den Ausfall der Batterie. Ein Blei-Akku sollte deshalb regelmäßig ganz voll geladen werden. Diese Aufgabe übernimmt der Laderegler, der zugleich ein Überladen verhindert, denn dabei verliert die Batterie Wasser.

Welche Bauarten von Blei-Akkus gibt es?

Blei-Akkus gibt es in zwei Grundbauarten: mit flüssiger Säure und Nachfüllöffnung oder dicht verschlossen mit gebundener Säure. Die Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung spricht von geschlossenen und verschlossenen Batterien. Geschlossene Batterien haben abnehmbare Deckel oder Stopfen, durch die Gas entweicht und Wasser nachgefüllt wird. Verschlossene Batterien besitzen verschweißte Zellen mit Überdruckventilen und enthalten keinen auslaufenden Elektrolyten.

Zu den verschlossenen Bauarten gehören Gel-Batterien, bei denen die Säure zu einem Gel angedickt ist, und Vlies-Batterien, bei denen ein Glasfaservlies die Säure aufsaugt. Vlies-Batterien werden im Handel meist als AGM-Batterien angeboten, die Abkürzung steht für Absorbent Glass Mat. Beide Varianten gelten als wartungsfrei, weil das Nachfüllen von Wasser entfällt. Die Industrie ist insgesamt von der klassischen Bauart mit flüssiger Säure zu diesen ventilgeregelten Bauarten übergegangen.

Für eine Solaranlage im Wohnumfeld ist die verschlossene Bauart die naheliegende Wahl, da keine Säure austreten kann und die Kontrolle des Säurestands entfällt. Die Bauart mit flüssiger Säure verlangt dagegen regelmäßige Pflege: Der Wasserverlust muss ausgeglichen werden, damit die Batterie ihre Leistung behält. Belüftet werden müssen beide Bauarten, mehr dazu im Abschnitt zur Aufstellung.

Wie lange hält ein Blei-Akku und wie effizient ist er?

Ein Blei-Akku erreicht bei tiefer täglicher Entladung rund 900 Ladezyklen und gibt etwa 78 Prozent des eingespeicherten Stroms wieder ab. Die Zyklenzahl stammt aus einer Auswertung des US-Forschungszentrums PNNL für Netzspeicher und gilt für eine Entladetiefe von 80 Prozent, also wenn bei jedem Zyklus vier Fünftel der Kapazität entnommen werden. Lithium-Ionen-Batterien kommen unter derselben Bedingung auf 3.500 Zyklen. Bei einem Zyklus pro Tag entsprechen 900 Zyklen knapp zweieinhalb Jahren und 3.500 Zyklen gut neuneinhalb Jahren (eigene Rechnung).

Wie viele Zyklen ein Blei-Akku tatsächlich schafft, hängt stark von der Entladetiefe ab. Das US-Energieministerium bezeichnet diesen Zusammenhang als eine der größten technischen Herausforderungen der Blei-Technik: Die Zyklenzahl steigt deutlich, wenn die Batterie flacher entladen wird. In der Praxis wird ein Blei-Akku deshalb größer ausgelegt, als es der Tagesbedarf verlangt, damit ein Teil der Kapazität als Reserve unangetastet bleibt. Für ein Referenzsystem mit 100 Megawatt Leistung setzt das Ministerium 1.370 Zyklen und eine kalendarische Lebensdauer von 12 Jahren an. Die kalendarische Lebensdauer beschreibt, wie lange die Batterie ohne nennenswerte Zyklenbelastung hält, etwa im Bereitschaftsbetrieb.

Beim Wirkungsgrad nennt das US-Energieministerium 78 Prozent für dieses Blei-Referenzsystem. Von 100 Kilowattstunden Solarstrom, die in den Blei-Akku fließen, kommen demnach 78 wieder heraus, 22 gehen als Wärme verloren. Hinzu kommt der Platzbedarf: Ein Blei-Akku speichert 25 bis 100 Kilowattstunden pro Kubikmeter, eine Lithium-Ionen-Batterie 150 bis 500. Ein Speicher mit 10 Kilowattstunden beansprucht damit als Blei-Akku 0,1 bis 0,4 Kubikmeter reines Batterievolumen, als Lithium-Ionen-Batterie 0,02 bis 0,07 Kubikmeter (eigene Rechnung).

Die Werte gelten für große Netzspeicher und dienen dem Vergleich der Techniken untereinander. Einzelne Produkte können je nach Bauart, Temperatur und Betriebsweise abweichen.

Blei oder Lithium: Was rechnet sich?

Im täglichen Betrieb rechnet sich ein Blei-Akku nur, wenn er pro Kilowattstunde Kapazität höchstens etwa ein Viertel eines Lithium-Speichers kostet. Der Grund liegt im Energiedurchsatz, also in der Strommenge, die ein Speicher über sein ganzes Leben abgibt. Der Kaufpreis allein sagt darüber nichts aus, denn ein günstiger Akku, der früh ersetzt werden muss, ist am Ende der teurere.

Die Rechnung dazu ist einfach. Eine Kilowattstunde Blei-Kapazität liefert bei 900 Zyklen und 80 Prozent Entladetiefe insgesamt 720 Kilowattstunden. Eine Kilowattstunde Lithium-Kapazität liefert bei 3.500 Zyklen 2.800 Kilowattstunden, also knapp das Vierfache (eigene Rechnung auf Basis der PNNL-Zyklenzahlen). Der niedrigere Wirkungsgrad und der größere Platzbedarf des Blei-Akkus sind darin noch nicht berücksichtigt.

Anders sieht es aus, wenn der Speicher kaum Zyklen fährt. Eine Notstrombatterie, die fast immer voll geladen wartet, altert vor allem kalendarisch. Hier zählt der niedrige Kaufpreis, und die geringe Zyklenfestigkeit fällt nicht ins Gewicht. Wer einen Heimspeicher für den täglichen Eigenverbrauch sucht, ist dagegen mit einem Lithium-Eisenphosphat-Speicher besser bedient.

Wie wird ein Blei-Akku sicher aufgestellt?

Ein Blei-Akku braucht einen belüfteten Aufstellort, weil beim Laden Wasserstoff entsteht. Der Ladestrom zersetzt einen Teil des Wassers im Elektrolyten, und der frei werdende Wasserstoff bildet mit Luft ein zündfähiges Gemisch, das Knallgas. Die Lüftung muss so bemessen sein, dass die untere Explosionsgrenze von 4 Volumenprozent Wasserstoff in der Luft sicher unterschritten bleibt. Die Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung beschreibt das für Ladestationen von Antriebsbatterien, das chemische Prinzip ist bei Solarbatterien dasselbe.

Auch verschlossene Gel- und Vlies-Batterien sind nicht gasdicht. Ihre Überdruckventile öffnen, sobald der Innendruck steigt, etwa bei zu hoher Ladespannung. Ein enger Schrank ohne Luftaustausch, ein Schlafraum oder ein Platz neben Zündquellen wie Heizkessel oder Funken bildenden Schaltern sind deshalb ungeeignet. Die Lüftung von Batterieräumen regelt die Normenreihe DIN EN 62485, auf die sich auch die Unfallversicherung stützt.

Beim Brandverhalten hat der Blei-Akku dagegen einen Vorteil. Sein Elektrolyt besteht aus Wasser und Schwefelsäure und ist nicht brennbar, das US-Energieministerium wertet das als grundlegenden Sicherheitsvorteil der Technik. Zu beachten bleibt die ätzende Säure: Bei Batterien mit flüssigem Elektrolyten gehören Schutzbrille und Handschuhe zur Wartung.

Praxis: Passt ein Blei-Akku zu meiner Anlage?

Ein Blei-Akku passt, wenn der Speicher selten tief entladen wird, Platz und Gewicht keine Rolle spielen und der Kaufpreis im Vordergrund steht. Typisch ist die Insel-Solaranlage am Gartenhaus oder an der Berghütte, die nur an Wochenenden genutzt wird. Ebenso passt er als Reserve für die Notstromfunktion, bei der die Batterie voll geladen auf den Stromausfall wartet. Auch Kälte spricht eher für Blei, denn die Technik gilt als sehr stabil bei niedrigen Temperaturen.

Gegen den Blei-Akku spricht der tägliche Einsatz im Wohnhaus. Dort wird der Speicher jeden Abend entladen und erst am nächsten Vormittag wieder gefüllt, er steht also viele Stunden teilentladen. Genau dieser Betrieb fördert die Sulfatierung und kostet Lebensdauer. Für diesen Zweck ist ein Lithium-Speicher die wirtschaftlichere Lösung.

Ein Fehler bei der Auslegung wird schnell teuer. Wer einen Blei-Akku zu klein wählt und ihn täglich fast leer fährt, muss nach den PNNL-Werten schon nach rund zweieinhalb Jahren Ersatz kaufen. Ein großzügig bemessener Akku, der nur flach entladen wird, hält deutlich länger.

Welche Alternativen gibt es?

Die wichtigste Alternative zum Blei-Akku ist die Lithium-Ionen-Batterie, für große Speicher kommen außerdem Redox-Flow- und Natrium-Schwefel-Batterien infrage. Lithium-Ionen-Batterien erreichen in der PNNL-Auswertung 3.500 Zyklen und 10 Jahre Lebensdauer und speichern pro Kubikmeter ein Mehrfaches an Energie. Im Heimspeicher hat sich die Variante Lithium-Eisenphosphat durchgesetzt.

Eine Redox-Flow-Batterie speichert die Energie in flüssigen Elektrolyten, die in getrennten Tanks lagern und durch die Zellen gepumpt werden. Leistung und Speichermenge lassen sich dadurch unabhängig voneinander auslegen. Laut der Internationalen Agentur für Erneuerbare Energien (IRENA) übertreffen Redox-Flow-Batterien oft 10.000 Vollzyklen, haben aber eine geringere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien, und ihr Wirkungsgrad lag in der Untersuchung zwischen 60 und 85 Prozent. Eingesetzt werden sie in Gewerbe und Netz, für das Einfamilienhaus sind sie zu groß.

Die Natrium-Schwefel-Batterie arbeitet mit flüssigem Natrium und Schwefel bei hoher Temperatur. Sie kommt auf 4.000 Zyklen und 13,5 Jahre Lebensdauer, muss aber dauerhaft beheizt werden, was laufende Kosten verursacht. Auch sie ist eine Technik für Netzbetreiber und Industrie, etwa für den Lastausgleich an Windparks.

Wie werden Blei-Akkus recycelt?

Blei-Akkus werden fast vollständig gesammelt und wiederverwertet, das US-Energieministerium nennt eine Recyclingquote von 99 Prozent. Für Europa bestätigt die IRENA eine Quote von mehr als 99 Prozent und bezeichnet das Recycling von Blei-Säure-Batterien als wirtschaftlich. Der Kreislauf funktioniert, weil das zurückgewonnene Blei einen Marktwert hat und direkt in die Herstellung von Batterien zurückfließt.

Von der Sammelquote zu unterscheiden ist die Recyclingeffizienz. Sie gibt an, welcher Massenanteil einer Altbatterie tatsächlich als Rohstoff zurückgewonnen wird. In einer Jahresauswertung des Umweltbundesamts erreichten die Recyclingverfahren für Blei-Säure-Batterien in Deutschland 82,2 Prozent, gewonnen wurden unter anderem Blei und Schwefelsäure.

Für Betreiber heißt das: Ein ausgedienter Blei-Akku gehört nicht in den Hausmüll, sondern zurück zum Händler oder zu einer kommunalen Sammelstelle. Blei ist ein giftiges Schwermetall und die Säure ätzend, deshalb sollte die Batterie aufrecht und unbeschädigt transportiert werden.

Häufige Fragen

Fazit

Als Solarspeicher für das Wohnhaus ist der Blei-Akkumulator ein Auslaufmodell. Die Technik ist ausgereift, günstig und gut recycelbar, verträgt aber zu wenige tiefe Ladezyklen für den täglichen Betrieb. Mit 900 Zyklen bei 80 Prozent Entladetiefe liegt er weit hinter Lithium-Ionen-Batterien mit 3.500 Zyklen. Nur für die Inselanlage am Wochenendhaus und als Notstromreserve bleibt er eine vernünftige Wahl, sofern der Aufstellort belüftet ist und der Akku regelmäßig voll geladen wird.

Für den täglichen Betrieb am Wohnhaus lohnt der Blick auf die Speicherkosten pro Kilowattstunde statt auf den Kaufpreis. Wie lange die übrigen Bauteile einer Anlage halten, zeigt der Ratgeber zur Lebensdauer von Solarmodulen und Speichern.

Quellen und Methodik

Alle Zahlen stammen aus den folgenden Veröffentlichungen von Behörden und Forschungseinrichtungen. Die Werte zu Zyklen, Lebensdauer und Wirkungsgrad wurden für große Netzspeicher ermittelt und dienen dem Vergleich der Techniken, sie sind keine Herstellerangaben. Als eigene Rechnung gekennzeichnet sind der Energiedurchsatz (Zyklen mal Entladetiefe), die Umrechnung von Zyklen in Jahre und der Platzbedarf für 10 Kilowattstunden.

1. U.S. Department of Energy: Lead-acid Batteries Technology Strategy Assessment, DOE/OE-0032
2. Pacific Northwest National Laboratory: Energy Storage Technology and Cost Characterization Report, PNNL-28866, Tabelle ES.1
3. International Renewable Energy Agency (IRENA): Electricity Storage and Renewables, Costs and Markets
4. Umweltbundesamt: Altbatterien, Daten zur Verwertung und Recyclingeffizienz
5. Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung (DGUV): Fachbereich AKTUELL FBRCI-013, Explosionsschutz an Batterieladestationen