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Der Kreislauf des Stroms
Strom fliesst in alle Richtungen: je nachdem, wo und wie viel produziert und wo und wie viel verbraucht wird. Er wird in Europa an einer Börse gehandelt – auch hier gilt das Gesetz von Angebot und Nachfrage, das den Preis bestimmt.
Wie wird Strom produziert? Wie kommt er in jeden Haushalt? In welchen Formen kann er gespeichert und wie am besten wiederverwendet werden?
Strom kann auf die verschiedensten Arten produziert werden. Im Kernkraftwerk, durch Sonnen-, Wind- und Wasserenergie oder in Kohlekraftwerken. Tatsächlich macht der Anteil der Kohlekraftwerke (KKW) im gesamten Stromnetz nur rund 26 % aus – und das ist das Doppelte davon, was die Kernkraftenergie weltweit ausmacht. Weitere 20 % kommen in Europa aus Sonnen-, Wind- und Wasserenergie und mehr als 50 % von fossilen Brennstoffen, wovon das meiste wiederum aus Kohlekraftwerken stammt.
Von der Quelle zum Verteiler
«Wenn er erst einmal produziert ist, kommt er ja von alleine ins Haus.» Fast.
Nach der Produktion wird der Strom für den Transport über längere Distanzen erst einmal mit einer Frequenz von 50 Hz (Wechselstrom) auf Höchstspannungsleitungen (bis 380 kV) übertragen. Kommt er näher ans Ziel, wird er auf Hochspannungsleitungen (110 kV) geleitet, von wo die ersten Verbraucher den Strom beziehen. An dieser Stelle sind es vor allem Unternehmen, die hohe Mengen an Strom benötigen, wie industrielle Abnehmer oder Eisenbahnen.
In einem nächsten Schritt geht der Strom auf Mittelspannungsleitungen über – mit einer Spannung von 1–50 kV. Erst danach wird er ins Stadt- oder Ortsnetz geleitet, wo er noch eine Spannung von 400 beziehungsweise 230 Volt hat. Jetzt ist der Strom in den Niederspannungsleitungen angekommen, von denen jeder Haushalt seinen Strom bezieht.
Der Weg zum Haus
Vom grossen Stromkreislauf kommt der Strom noch nicht direkt in die Häuser – zuerst läuft er noch über einen Verteilerkasten, bevor er zu den einzelnen Stromkästen in den Häusern weitergeleitet wird. Bis er am Haus ankommt, ist der Strom 3-phasig – auch Drehstrom genannt. Drehstrom deshalb, weil in diesen Stromleitungen 3 Phasen, also 3 Leiter, vorhanden sind. Jeder dieser Leiter hat dieselbe Spannung; allerdings sind die Spannungskurven, und somit bei jeder Kurve die Maxima, um ein Drittel der Sinusphase verschoben. So entsteht die Drehung, weshalb man den Strom eben auch Drehstrom nennt.
Stromspeicher
Es ist eine spannende Zeit, was das Speichern von Strom betrifft: Aktuell werden die neuesten Technologien getestet, wie zum Beispiel «smart grid». Es geht darum, den Strom bei Nutzungstiefs zu speichern und bei grösserer Nachfrage wieder ‚abrufen» zu können.
Speichern kann man aber jetzt schon, und zwar mit Batterien, wie sie jeder kennt. Diese Batterien werden ganz einfach aufgeladen und als Energielieferant verwendet. Genauso funktioniert es auch in einem Elektroauto.
Verteilung im Haus
Anders als beim Verteiler ausserhalb der Häuser verläuft der Strom im Haus meist einphasig. Er kommt von aussen (also 3-phasig) beim Stromkasten an und wird dort reduziert (also einphasig) auf die Dosen weitergeleitet. Die Dosen in allen Häusern sind so angelegt, dass jede Phase gleich belastet wird.
Allgemeines zur Stromnutzung
Die Nutzung von Strom ist vielseitig: Man braucht ihn täglich: zum Haare föhnen, um Kaffee zu machen et cetera. All das würde ohne Strom nicht funktionieren. Und bald gehört auch das Autofahren zu den Dingen, die man dem Strom verdankt. Das Nutzen von Strom ist aber «nicht ganz ohne». Er hat eine unglaublich starke Energie, mit deren Nutzung man sehr überlegt umgehen muss. Deshalb gibt es heute europäische Standards, denen die elektrischen Geräte entsprechen müssen, damit sie als «sicher» gelten können.
Haushaltsgeräte
Die Haushaltsgeräte haben einen vergleichsweise niedrigen Stromverbrauch. Wie hoch er bei den einzelnen Geräten ist, wird jeweils als «maximale Leistung» angegeben. Liegt diese beispielsweise bei einem Föhn bei 1000 W (= 1 kW), verbraucht man mit dem Betrieb dieses Geräts während einer Stunde 1 kW. Der Verbrauch liegt also bei 1 kWh (Kilowattstunde). Somit benötigen diese Geräte keine 3-phasigen Anschlüsse, sondern es genügen Steckdosen, bei denen der Strom nur einphasig bezogen wird. Es wird vom 3-phasigen Zugang also pro Haushaltssteckdose nur eine Phase weitergeleitet. Damit alle 3 Phasen aber gleich belastet werden, müssen die Geräte gleichermassen auf die Phasen aufgeteilt werden.
Solarspeicher: sinnvoll und rentabel
Den produzierten Solarstrom ins Netz einzuspeisen, ist nicht sinnvoll, da die Rückvergütung vergleichsweise «bescheiden» ausfällt. Es ist sinnvoller, die Energie zu speichern und zur Optimierung des Eigenverbrauchs zu nutzen.
Die Rahmenbedingungen zur Förderung von Solaranlagen und für die Vergütung von eingespeistem Strom verändern sich oft und stark. Tendenziell ist die Höhe der Förderungen rückläufig. Auch aus diesem Grund kommen viele Anlagenbesitzer auf die Idee, ihren produzierten Solarstrom zwischenzuspeichern, um ihn dann, zu anderen Zeiten, selbst zu verbrauchen. Die Kombination von folgenden Faktoren machen die Erhöhung des Eigenverbrauchs von Solarstrom mittels Speicher zunehmend spannend: Steigende Strompreise, gesetzliche Zulassung, Förderung von Eigenverbrauch und die interessante Entwicklung von Preisen und Kapazitäten bei den Speichern. Wer wegen Versorgungsbedenken sowieso mit einem zusätzlichen Insel-/Notstrom-/ Back-Up-System arbeitet, sollte dies unbedingt in Richtung Eigenverbrauch optimieren. Mit oder ohne Stromspeicher ist es sinnvoll, seinen Verbrauch dem Sonnenangebot anzupassen. Dies geht beispielsweise mit Zeitschaltuhren (für Kühl- und Gefriergeräte) oder intelligenten Steuerungen in Wasch- und Spülmaschine oder beim Backofen.
Um die Netze zukünftig von überhöhten sommerlichen Solarstrommengen zu entlasten, ist es sinnvoll, das mittägliche «Mehr» zu speichern und abends, im eigenen Haus, zu verbrauchen. Wer hier investiert, schafft zusätzliche Versorgungssicherheit, unterstützt den Aufbau einer dezentralen Stromversorgung und langfristig auch die Optimierung von Strom-Speichersystemen.
Wer Solarstrom produziert, kann diesen auch selber nutzen. Im Hinblick auf tiefere Förderbeiträge für die Einspeisung und im Hinblick auf steigende Preise für Strom aus der Steckdose, ist der Eigenverbrauch von Solarstrom auf jeden Fall empfehlenswert. Seit der Änderung des Energiegesetzes vor geraumer Zeit, ist der Eigenverbrauch in jedem Fall zugelassen. Neben der Abdeckung des üblichen Stromverbrauchs eines Haushalts kann mit Solarstrom beispielsweise auch eine Wärmepumpe betrieben oder ein Elektrofahrzeug aufgeladen werden. Je nach Stromanbieter sind die Möglichkeiten des Einsatzes von Solarstrom-Speichern und die Umsetzung eines hohen Eigenverbrauchs aber (noch) eingeschränkt.
Solarstrom-Speicher
Solarstrom-Speicher bieten die Möglichkeit, selbst produzierten Solarstrom zwischenzuspeichern, wenn der Zeitpunkt der Erzeugung des Solarstroms nicht mit dem direkten Verbrauch im Haushalt deckungsgleich ist.
Da der Zeitpunkt der meisten Sonneneinstrahlung selten auch der des höchsten Stromverbrauchs ist, ist es sinnvoll, den erzeugten Solarstrom trotzdem nutzbar zu machen. So lässt sich etwa der zur Mittagszeit erzeugte Strom in den frühen Morgen- oder späten Abendstunden verwenden. Durch Solarstrom-Speicher kann der Eigenverbrauch von Solarstrom signifikant gesteigert werden, was deutliche Einsparungen bei den Stromkosten mit sich bringt. Sie werden speziell für den Einsatz an Photovoltaik-Anlagen konzipiert und dienen einerseits als Pufferbatterien und andererseits zur längerfristigen Speicherung von Solarstrom. Überschüssige Energie kann ins öffentliche Netz eingespeist werden; die Einspeisevergütung ist in den letzten Jahren jedoch stetig gesunken. Es wird daher immer sinnvoller, eine möglichst große Menge des erzeugten Solarstroms für die eigene Nutzung zu verwenden.
Solarstrom-Speicher mit Lithium-Ionen-Technologie
Lithium-Ionen-Akkus sind in der Industrie noch nicht so lange vertreten wie Blei-Akkus.
Bewertung im Vergleich: Photovoltaik-Speicher mit Lithium-Ionen-Technologie sind bis dato deutlich teurer als Blei-Batterien. Dafür können Lithium-Ionen-Batterien im Vergleich deutlich öfter ent- beziehungsweise geladen werden (bis zu 7.000 mal), ausserdem deutlich tiefer entladen werden (bis nahezu 100 %) und erreichen einen Wirkungsgrad von bis zu 95 %.
Vor- und Nachteile eines chemischen Speichers
Energie zu speichern, ist einfach und schwierig zugleich. Einfach, da jede Lageänderung eines Objekts gleichzeitig auch eine Änderung der Energie darstellt. Schwierig deshalb, da daraus noch keine Elektrizität entsteht, welche wir eigentlich als Energieform brauchen.
Die verschiedenen Speicherarten lassen sich grob in folgende Kategorien einteilen:
- Chemischer Speicher (Batterie)
- Potenzieller Speicher (Höhenenergie, wie z. B. Wasserkraft)
- Kinetischer Speicher (z. B. Schwungrad)
- Thermischer Speicher (z. B. Warmwasser)
Fast die einzige Möglichkeit, Strom direkt zu speichern, ohne ihn zuerst umwandeln zu müssen, ist der chemische Speicher, welcher die Energie als Batterie oder Akku speichert. Somit ist der wichtigste Vorteil des chemischen Speichers bereits genannt. Die Umwandlungsverluste sind sehr klein und der Strom steht sofort zur Verfügung. Die Nachteile sind die altbekannten. Der chemische Speicher ist relativ gross und schwer, im Vergleich zur speicherbaren elektrischen Energie. Das ist aber bei der Installation in einem Haus nebensächlich, da das Gewicht sowie der Platzverbrauch meist gut integriert werden kann.
Anschlussarten Stromspeicher
Die Frage, ob man sich für einen Lithium-Ionen-Speicher oder eine Salzwasser-Batterie entscheidet, ist nicht die einzige, die sich ein Anlagenbetreiber zu stellen hat. Hinzu kommt auch die Frage, welche Art von Speichersystem es sein soll. Die Rede ist hier von der sogenannten Systemtopologie. Dabei lässt sich grundsätzlich zwischen einem AC-System und einem DC-System unterscheiden.
Die Begriffe AC und DC stehen in diesem Zusammenhang für «alternating current» und «direct current», also Wechselstrom und Gleichstrom. Wer sich mit dem Thema Photovoltaik auseinandergesetzt hat, der weiss, dass Photovoltaik-Module stets Gleichstrom erzeugen. Was genau hat es also mit den unterschiedlichen Speichersystemen auf sich? Diese Frage möchten wir im kommenden Abschnitt beantworten:
Wie funktioniert ein AC-Speichersystem?
AC-seitige Speichersysteme werden auf der Wechselstromseite der Solaranlage installiert. Der Solarspeicher wird somit nicht direkt mit den Solarmodulen verbunden, sondern per zwischengeschaltetem Batterie-Wechselrichter an das Hausstromnetz gekoppelt.
Der erzeugte Gleichstrom wird also zunächst von dem Solar-Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt, wodurch dieser im Haushalt genutzt werden kann. Überschüssiger Strom, der nicht direkt verbraucht wurde, wird vom Batterie-Wechselrichter erneut in Gleichstrom umgewandelt und im Solarspeicher gespeichert.
AC-Speichersysteme eignen sich aufgrund ihres Aufbaus ideal für Speichernachrüstungen. Denn mit einem passenden Batterie-Wechselrichter spielt auch die Grösse der Solaranlage keine Rolle. Auch bei Neuinstallationen können sich AC-Systeme, dank ihrer Flexibilität, allerdings durchaus als sinnvoll erweisen.
Wie funktioniert ein DC-Speichersystem?
Anders als AC-seitige Speichersysteme werden DC-Speichersysteme nicht auf der Wechselstromseite der Photovoltaik-Anlage angeschlossen. Stattdessen werden sie im Zwischenkreis des Wechselrichters gekoppelt. Das bedeutet: Der Solar- und der Batterie-Wechselrichter sind hier miteinander vereint. Man spricht daher auch vom sogenannten «Hybrid-Wechselrichter».
Der von der Solaranlage erzeugte Gleichstrom wird somit nicht zuerst in Wechselstrom umgewandelt, sondern kann direkt vom Solar-Speicher aufgenommen werden. Wird dieser Strom nun im Haushalt benötigt, wird der Speicher mit Hilfe des integrierten Solar-Wechselrichters entladen. Da der Strom somit nur einmal umgewandelt werden muss, fallen die Wandlungsverluste geringer aus und das System wird effizienter.
DC-Speichersysteme eignen sich aufgrund ihres Aufbaus allerdings meist nur bei Neuinstallationen. Zudem sind einige wichtige Punkte zu beachten. So muss die Spannung der in Reihe geschalteten Photovoltaik-Module an den Solarspeicher angepasst werden und auch die maximale Anlagengröße für die direkte Ladung des Speichers ist begrenzt. Insgesamt überzeugt das System neben dem hohen Wirkungsgrad jedoch mit einem geringeren Platzaufwand und einer weniger aufwändigen Installation.
Fazit
Vor allem bei neu installierten Solaranlagen kommen dabei heute vermehrt DC-seitige Speichersysteme zum Einsatz. Diese versprechen nicht nur eine einfachere und damit kostengünstigere Installation. Auch überzeugt ein DC-System in der Regel mit einer besonders hohen Effizienz und daher mit maximalen Erträgen.
Wer bereits eine Solaranlage besitzt und einen Stromspeicher nachrüsten möchte, der greift hingegen meist zum AC-System. Mit einem externen Batterie-Wechselrichter lässt sich der Solarspeicher in der Regel problemlos nachrüsten. Doch auch bei Neuanlagen kann die Installation eines AC-Speichersystems sinnvoll sein, da es durch hohe Flexibilität überzeugt.
Es ist auch gängig bei einem Neubau einer Photovoltaikanlage, ein AC-System als sehr flexible, zukünftige Variante vorzusehen.
Batterietypen und Anbieter
Für die Speicherung von Solarstrom gibt es eine Vielzahl von Akku-Typen. Die am häufigsten zum Einsatz kommenden Akkus sind Lithium-Ionen-Akkus. Blei-Säure oder Gel-Akkus sind deutlich günstiger, verlieren aufgrund geringerer Leistungs- und Energiedichte jedoch zunehmend an Relevanz. Die verschiedenen, und momentan mehr oder weniger auch am Markt verfügbaren, Strom-Speicher zeichnen sich durch die folgenden Merkmale aus:
Lithium-Ionen-Stromspeicher
Lithium-Ionen-Akkus zeichnen sich durch hohe Energie- und Leistungsdichte, hohe Zyklenfestigkeit sowie einen hohen Wirkungsgrad aus. Sie sind für fast alle Anwendungen geeignet und stellen die dominante und am weitesten fortgeschrittene Technologie in mobilen (beispielsweise Smartphones, elektrische Fahrzeuge) und in stationären Anwendungen rund um die Photovoltaik dar. Es gibt verschiedene Typen (Lithium-Mangan, -Kobaltdioxid, -Eisenphosphat, -Titanat et cetera).
Mögliche Anbieter: BYD, Varta, Sonnen, ads-tec, E3DC, LG Chem und so weiter
Blei-Säure-Speicher
Der Blei-Säure-Akkumulator ist der bedeutendste Strom-Speicher in Bezug auf die weltweit installierte Batteriekapazität (alle Anwendungen, beispielsweise Notstromversorgung, Starterbatterie für Verbrennungsmotoren). Auch das Recycling ist zu einem grossen Teil gewährleistet. Sie sind kostengünstiger als Lithium-Ionen-Speicher, weisen dafür aber andere Nachteile, wie beispielsweise einen schlechteren Wirkungsgrad und geringere Zyklenfestigkeit, auf.
Mögliche Anbieter: Varta, Banner, FIAMM, YUASA, Ansmann, Mean Well, Multipower, Panasonic und so weiter
Redox-Flow-Speicher
Beim Redox-Flow-Speicher befinden sich die Elektrolyte in externen Tanks. Energie und Leistung sind deshalb unabhängig skalierbar. Bisher ist die Technologie noch wenig verbreitet, sie besitzt aber Potenzial für mittlere und grosse Systeme.
Mögliche Anbieter: Voltstorage, EcoFlow, Schmid EverFlow, Jena Batteries und andere
Salz-Batterie beziehungsweise ZEBRA (zero emission battery research activities)-Batterie
Bei dieser Technologie werden feste Elektrolyte und flüssig-feste Elektroden verwendet. Für den Betrieb sind hohe Temperaturen notwendig (circa 270–350 °C). Es handelt sich um eine sehr umweltverträgliche Batterie, da diese einfach zu recyceln ist und praktisch keine kritischen Stoffe enthält. Die Technologie ist noch wenig verbreitet und findet heute hauptsächlich in Pilotprojekten Anwendung.
Mögliche Anbieter: Innovenergy
Salzwasser-Batterie
Noch weiter verbreitet als Salz-Batterien sind Salzwasser-Batterien, die auch als Massenprodukt verfügbar sind. Die Technologie ist ausgereift und zu 100 % rezyklierbar. Die Batterie ist nicht brennbar, enthält umweltfreundliche Materialien und weist eine hohe Lebensdauer auf. Allerdings ist die Energiedichte wesentlich geringer als bei Lithium-Ionen-Batterien. Zum Vergleich: Die Batterie erreicht 12 bis 24 Wattstunden (Wh) pro Liter; Lithium-Ionen-Varianten bringen es auf 500 Wh pro Liter. In der Konsequenz bedeutet das: Eine Salzwasser-Batterie braucht, bei gleicher Leistungsfähigkeit, mehr Volumen als eine Lithium-Variante, kann aber in jedem normalen Heizungskeller installiert werden. Zum anderen ist die Batterie eher für gleichmäßige Ladungsvorgänge geeignet.
Mögliche Anbieter: BlueSky Energy
Strom-Speicher im Einsatz
Die Solarholzbauer setzen aktuell vor allem folgende Produkte für die Stromspeicherung ein:
- DC-gekoppeltes System
- BYD (build your dreams) HVM/HVS
Bei den Hochvolt-Varianten der «BYD-Battery-Box Premium Line» wird zwischen der kleineren HVS und der größeren HVM unterschieden. Die Premium Line ist mit Fronius GEN24 Plus (HVS/HVM) und Fronius Symo Hybrid (HVM) kompatibel. Die Kapazitäten der kombinierbaren Batterien reichen von 5,1–10,2 kWh (HVS) sowie 8.3–22.1 kWh kWh (HVM). Fronius realisiert damit echten Notstrom. Im Notstromfall können somit auch Drehstromverbraucher betrieben werden.
Die «Battery-Box Premium HVS/HVM» basiert, wie ihr Vorgänger auch, auf Lithium-Eisenphosphat – eine der sichersten Speichertechnologien. Die Batterie ist modular aufgebaut und kann um 2,6 kWh (HVS) beziehungsweise 2,8 kWh (HVM) Schritte erweitert werden. Somit steht auch einer nachträglichen Vergrößerung des Speichers nichts im Wege.
Der Installations- und Inbetriebnahmeprozess kann durch die Bodenmontage wieder schnell und einfach durchgeführt werden.
- AC-gekoppeltes System
- VARTA Element
Der «VARTA element» als AC-Komplettsystem, mit integriertem Batteriewechselrichter, ist sowohl für Nachrüstungen als auch für Neuinstallationen perfekt geeignet.
Erhältlich in 3 Leistungskapazitäten ist der «VARTA element» für jedes Eigenheim perfekt geeignet. Die Speicherkapazität kann zudem bei gestiegenen Anforderungen in der Zukunft nachträglich mit einem zusätzlichen Batteriemodul erweitert werden.
Bei Bedarf kann die Speicherkapazität nachträglich und jederzeit durch die Verbindung von bis zu 5 VARTA Energiespeicher mit dem VARTA-Link erweitert werden.
Der «VARTA element» ermöglicht eine direkte Kommunikation mit verschiedenen Photovoltaik-Wechselrichtern – ohne zusätzliche Hardware.
Im VARTA Online Portal sind manuelle Einstellungen der Photovoltaik-Ertragsoptimierung möglich, um Ertragsverluste durch Photovoltaik-Abregelung zu vermeiden.
Tipp vom Fachmann: Falls sowieso verfügbar, ist auch ein Elektroboiler ein «Stromspeicher». Mit entsprechender Ansteuerung, allenfalls einem neuen Heizeinsatz, fungiert dieser als sehr kostengünstige «Batterie». Natürlich kann man dann nur das Warmwasser nutzen, aber davon braucht man ja auch in den ertragreichen Monaten am meisten.
Recycling
Beim Recycling von Lithium-Ionen-Akkus können erste Erfolge verzeichnet werden. So gibt es einige Firmen, wie etwa die Redux Recycling GmbH, die zum Teil eine Rückgewinnungsquote von bis zu 70 % erreichen, d. h. dass 70 % der Ausgangsstoffe wiederverwendet werden können.
Kritisch zu sehen sind allerdings die Abbaubedingungen des Lithiums, das zu Wasserverknappung in den jeweiligen Regionen führen kann. Gemäss den Aussagen des Batterieforschers Maximilian Fichtner, Direktor am Helmholtz-Institut für elektrochemische Energiespeicherung in Ulm, werden für die Kapazität von 64 kWh – also eines typischen Elektroautos – 2.840 Liter Wasser verdunstet. Fichtner hat ausgerechnet: Das entspreche dem Wasserverbrauch bei der Produktion von 250 Gramm Rindfleisch, 10 Avocados oder ½ Jeans. Ein umweltverträglicherer Abbau könnte eventuell im Erzgebirge in Deutschland erfolgen. Auch die Abbaubedingungen von Kobalt sind sehr kritisch zu sehen. Allerdings ist Kobalt in hohem Masse ein Nebenprodukt des Kupferabbaus und daher müsste zuerst ein Ersatz für Kupfer gefunden werden. Eine bessere Recyclingquote in den nächsten Jahren, und somit ein effizienterer Umgang mit Lithium sowie der Verzicht auf Kobalt, könnten die Umweltauswirkungen verringern. Bei Blei-Speichern ist das Recycling seit Jahren etabliert. Bei Salz-Batterien liegen praktisch keine umweltschädlichen Komponenten vor. Das Recycling von Stromspeichern in der Schweiz erfolgt durch INOBAT.
Lebensdauer
Stromspeicher mit Lithium-Ionen-Akkus sind auf eine Lebensdauer von 10 bis 20 Jahren und mehr ausgelegt. Die Hersteller von Stromspeichern mit Lithium-Ionen-Akkus geben in der Regel eine sieben- bis zehnjährige Produktgarantie auf die eingesetzten Zellen. Bei Redox-Flow-Batterien sind mehr als 10.000 Ladezyklen möglich, die dann Lebensdauern von 20 Jahren und mehr garantieren. Bleiakkus können als ungenügend geregelte Starterbatterie oft nur 2 bis 4 Jahre einsetzbar sein, als hochwertige Ausführungen jedoch bis zu 10 Jahre ihre Funktion erfüllen. Für Salz- beziehungsweise ZEBRA-Batterien werden Lebensdauern von mehr als 15 Jahre und Zyklenfestigkeiten bis zu 4.500 Zyklen erwartet. Für Salzwasser-Batterien wird ebenfalls eine Lebensdauer von 15 und mehr Jahren angegeben.