Funktionsweise der Stromspeicher für PV-Anlagen
Im Prinzip funktioniert ein PV-Stromspeicher genauso wie die Akkus einer Autobatterie. Beim Aufladen wandeln die Akkumulatoren des Stromspeichers die aus der Sonnenenergie gewonnene elektrische Energie in chemische Energie um.
Wird nun Strom benötigt, verwandeln die Akkus die chemische Energie im Speicher zurück in elektrische Energie. Sind die Akkumulatoren entladen, können diese erneut aufgeladen werden. Die meisten Solarspeicher ermöglichen mehrere tausend Ladezyklen.
Ein Stromspeicher besteht aus einem Akku, einem Batteriemanagement sowie einer Speicherregelung. Die Funktion des Batteriemanagements ist es, die gängigen Stromverbraucher im Haushalt mit Solarstrom zu versorgen und den optimierten Speicherbetrieb zu sichern.
Die Steuerung regelt, inwieweit der erzeugte Solarstrom in das öffentliche Stromnetz eingespeist, zum Laden des Stromspeichers verwendet oder direkt den Stromabnehmern im Haushalt bereitgestellt wird. Meist sind Stromspeicher so programmiert, dass der Solarstrom vorwiegend für den Eigenbedarf genutzt werden kann.
Abbildung: Entwicklung des stationären Batteriespeichermarkts in Deutschland. Abbildung nach
Figgener, Hecht et al.
Grafik: RWTH Aachen
Aus welchen Teilen besteht ein Speichersystem für eine Solaranlage?
Jedes Speichersystem besteht aus folgenden Komponenten:
- Batterie
- Batterie-Management-System (BMS)
- Laderegler
- Wechselrichter
- Energie-Management-System (EMS)
- Monitoring-System (um den Stromverbrauch aus dem Speicher bzw. öffentlichen Netz im Blick zu behalten)
Die optimale Speicherkapazität eines Stromspeichers für Solaranlagen
Die Speicherkapazität gibt an, wie viel Solarstrom man bei einer Aufladung maximal speichern kann. Stromspeicher lassen sich für jede Haushaltsgröße und jeden Bedarf individuell anpassen und sind in variablen Speicherkapazitäten für Solarenergie erhältlich.
Die übliche Speicherkapazität für Ein- und Mehrfamilienhäuser liegt bei etwa 4 kWh bis 16 kWh.
Welche Speichergröße für Ihren Haushalt optimal ist, hängt von der Größe Ihrer PV-Anlage, vom durchschnittlichen Stromverbrauch sowie dem persönlichen Eigenverbrauch ab.
Tipp: Die Speicherkapazität Ihres Batteriespeicher sollte grundsätzlich so groß sein, dass auch an Tagen, an denen die Sonne nicht scheint, möglichst viel Strom aus dem Speicher bezogen werden kann. Ein größer dimensionierter Solarspeicher kann dann Sinn machen, wenn Du neben Haushaltsstrom auch Elektrofahrzeuge mit Eigenstrom versorgen möchtest.
Warum lohnt sich die Investition in einen Stromspeicher?
Für Sie als Anlagenbetreiber ist der Betrieb eines Stromspeichers sinnvoll, da Sie damit Ihren selbst erzeugten (günstigen) Solarstrom speichern können. Die Batteriespeicher speichern überschüssigen, aktuell nicht benötigten Strom für eine spätere Nutzung. Dieser lässt sich dann verbrauchen, wenn die Sonne nicht scheint und die PV-Module keinen Strom erzeugen können.
Sie müssen den Strom also nicht ins Netz einspeisen, zumal die Garantie der Einspeisevergütung ohnehin jedes Jahr geringer wird. Mit Stromspeichern können Sie Ihren Eigenverbrauchsanteil von Ihrem Einfamilienhaus mit durch PV-Anlagen produziertem Solarstrom von ca. 30% auf ca. 80% erhöhen. Auf diese Weise lassen sich Ihre Stromkosten erheblich senken und die Wirtschaftlichkeit Ihrer Solaranlage erhöhen.
Darüber hinaus sprechen viele weitere Vorteile für Photovoltaik mit Stromspeicher, u.a. geringe Investitionskosten, lange Lebensdauer bei niedrigem Wartungsaufwand, die Umweltfreundlichkeit uvm.
Bei einem angenommenen Stromverbrauch für einen 4-Personen-Haushalt von 4.000 Kilowattstunde (kWh)/Jahr und einem Strompreis von 30 Cent je Kilowattstunde (kWh) erhältst du eine Stromrechnung in der Höhe von 1.200 Euro/Jahr.
Mit einer Photovoltaikanlage in Kombination mit einem Stromspeicher sowie einer angenommenen Autarkiegrad von 75%, müsstest Du nur 25% Netzstrom beziehen bzw. eine Stromrechnung von 300 Euro/Jahr begleichen. Ihre Ersparnis würde also 900 Euro im ersten Jahr betragen!
Der beliebteste Stromspeicher - Lithium-Ionen-Akkus
Es gibt viele verschiedene Stromspeicher-Arten und Speichersysteme und unterschiedliche Speicherkapazitäten. Für Solarstrom kommen hauptsächlich chemische, d.h. organische (z.B. Wasserstoffspeicher) und anorganische Stromspeicher (z.B. Blei- und Lithium-Ionen-Akkus) zum Einsatz.
Der Markt hält PV-Stromspeicher mit unterschiedlichsten Batteriespeicher bzw. Zelltypen bereit, u.a. mit Lithium-Nickel-Oxid, Lithium-Mangan-Oxid, Lithium-Kobalt-Oxid, Lithium-Eisen-Phosphat-Speicher sowie einige Blei-Zelltypen.
Im Aufbau und auch im Speicherverhalten unterscheiden sich Lithium-Ionen-Akkus und Blei-Akkus nicht wesentlich – nur der Ladungsträger ist jeweils ein anderer.
Marktstudien belegen, dass der Großteil der Hersteller von Stromspeichern heutzutage immer stärker auf die Lithium-Ionen-Technologie setzt, da diese Akkus den besseren Wirkungsgrad sowie eine längere Lebensdauer erzielen können.
Abbildung: Entwicklung des Heimspeichermarkts in Deutschland. Abbildung nach
Figgener, Hecht et al.
Grafik: RWTH Aachen
Die Vorteile von Lithium-Ionen-Akkus im Überblick:
- Hoher Wirkungsgrad: Dieser gibt an, wieviel Prozent der zugeführten Energie nach der Speicherung tatsächlich genutzt werden kann, da bei der Speicherung und Umwandlung von Energie immer ein gewisser Prozentsatz an Energieverlust gegeben ist. Abhängig von der Technologie kann bei modernen Lithium-Ionen-Akkus bereits ein Wirkungsgrad bis zu 95% nutzbare Kapazität erreicht werden.
- Lange Lebensdauer: Mit 5.000 bis 7.000 Voll-Ladezyklen garantieren sie eine lange Haltbarkeit, die mit den 20 Jahren Lebensdauer einer PV-Anlage ohne Probleme mithalten können, da man in einem Durchschnittshaushalt von ungefähr 200 Voll-Ladezyklen im Jahr ausgeht.
Zusätzlich erreichen Lithium-Ionen-Batterien auch eine Entladetiefe von bis zu 100% und sind deshalb gegenüber Blei-Speichern wirtschaftlicher.
In naher Zukunft könnten sogenannte Flow-Batterien (Vanadium-Redox-Flow-Technologie) eine Alternative zur Lithium-Ionen-Technologie darstellen.
Wie soll der Stromspeicher installiert werden?
Grundsätzlich kann eine Batterie nur Gleichstrom speichern. Der Gleichstrom, den die PV-Anlage produziert, kann somit ohne Umwandlung direkt in der Batterie gespeichert werden.
Wechselstrom hingegen muss zuerst durch einen Wechselrichter wieder in Gleichstrom umgewandelt werden, bevor er in der Batterie gespeichert werden kann.
Derzeit werden 2 unterschiedliche Installationsarten angeboten:
- AC-gekoppelte Stromspeicher
- DC-gekoppelte Stromspeicher
Wie unterscheiden sich AC- und DC-Systeme bei Stromspeichern?
AC-Kopplung (alternating current = Wechselstrom)
Bei einem AC-System wird der Batteriespeicher hinter dem Wechselrichter der Photovoltaikanlage in den Wechselstromkreis eingebunden, man spricht hier auch von einer AC-Kopplung. AC-Systeme sind zusätzlich mit einem Batterie-Wechselrichter bzw. Konverter ausgestattet, der beim Speichern den Wechselstrom zum Laden der Batterie in Gleichstrom umwandelt und bei der Entladung genau umgekehrt.
DC-Kopplung (direct current = Gleichstrom)
Bei einem DC-System (DC-Kopplung) ist der Speicher vor den Wechselrichter geschaltet und die Speicherung des Gleichstroms erfolgt direkt im Batteriespeicher. Durch das direkte Laden der DC-Systeme des Gleichstroms aus der Photovoltaikanlage, benötigt dieses Speichersystem keinen Batterie-Wechselrichter. Das erhöht den Wirkungsgrad und minimiert die Umwandlungsverluste beim Laden und Entladen des Solarspeichers.
Der Vorteil der DC-Koppelung liegt in der höheren Effizienz, da Umwandlungsverluste vermieden werden.
Welcher Photovoltaik-Wechselrichter ist der richtige?
DC-Stromspeicher erhalten bei Neuinstallationen häufig den Vorzug, weil Speichersystem, Wechselrichter und Laderegler eine kompakte Einheit bilden. Die Energieentnahme erfolgt direkt aus der Photovoltaikanlage. Dadurch ist der Wirkungsgrad etwas höher als bei AC-gekoppelten Stromspeichern.
Bei AC-Systemen läuft der Speicher unabhängig von der Photovoltaikanlage. Jedoch ist ein zusätzlicher Konverter zum Laden bzw. Entladen nötig. Dadurch entstehen Wechselverluste. AC-Stromspeicher empfehlen sich vor allem für nachträgliche Installationen, weil der Wechselrichter unabhängig von der Speichereinheit ausgewählt werden kann.
