Batteriespeichersysteme
1. Einführung
Batteriespeicher werden zunehmend in Verbindung mit Photovoltaikanlagen installiert. Die Wirtschaftlichkeit für Privathaushalte ist in vielen Fällen gegeben. Der PV-Rechner gibt dazu individuell für jedes Geböude einen Überblick.
Mit Batteriespeichern kann der selbst produzierte Strom zwischengespeichert werden. Er kann dann, wenn die Photovoltaikanlage nur wenig oder keinen Strom erzeugt, also vor allem abends und in den frühen Nachtstunden, genutzt werden. So kann der Eigentümer noch unabhängiger von externen Energielieferungen werden.
Im Folgenden wird der aktuelle Stand der Technik auf dem Gebiet der Batteriespeicher beschrieben sowie auf Qualitätskriterien der verschiedenen Systeme eingegangen. Überdies werden die Vorteile einer Kombination von Akkus mit Photovoltaik-Anlagen dargelegt sowie Fördermöglichkeiten vorgestellt. Zuletzt werden interessierten Verbrauchern Planungshinweise für die Anschaffung eines Systems an die Hand gegeben.
Die Verbraucherzentrale stellt auf ihrer Homepage darüber hinaus umfangreiche Informationen zum Thema Batteriespeicher bereit.
2. Stand der Technik
Bei der Photovoltaik-Strom-Speicherung wird zwischen Kurzzeitspeicherung und Langzeitspeicherung unterschieden. Bei der Kurzzeitspeicherung wird die Energie nur über wenige Stunden oder Tage gespeichert. Langzeitspeicher dienen zum Überbrücken von jahreszeitlichen Schwankungen. Da eine Langzeitspeicherung sehr aufwändig und teuer ist, werden solche Speichersysteme nur selten realisiert. Eher werden die Photovoltaik-Anlagen größer ausgelegt, um auch im Winter genügend Energie zu liefern [vgl. Quaschning, 2015].
Für kurze und mittlere Zeiträume hat sich die elektrochemische Speicherung in Akkus durchgesetzt, da diese besonders kosteneffizient ist. Lange Zeit wurden überwiegend Bleiakkus in Verbindung mit Photovoltaikanlagen verwendet. Seit einigen Jahren werden die Bleiakkus jedoch mehr und mehr von der Lithium-Ionen-Technologie abgelöst. Laut eines Monitorings des Instituts für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe der RWTH Aachen lag der Marktanteil von Lithium-Ionen Batterien bei der Installationen von PV-Anlagen im Jahre 2017 bereits bei 95 % [vgl. Ossenbrink, 2017].
3. Qualitätskriterien
Die wichtigsten Eigenschaften eines Batteriespeichersystems sind Effizienz und Sicherheit. Auf diese Aspekte wird im Folgenden eingegangen.
3.1. Effizienz
Um die Effizienz eines Speichersystems beurteilen zu können, sind mehrere Parameter zu betrachten. Zum einen ist dies die Größe eines Speichersystems, die mit der Ladekapazität in kWh angegeben wird. Unterschieden wird dabei zwischen der Nennkapazität und der nutzbaren Kapazität. Viele Speichersysteme lassen sich nur bis zu einer bestimmten Tiefe entladen. In diesem Fall ist die Nennkapazität größer als die tatsächliche nutzbare Kapazität [vgl. Quaschning 2015]. Die Kapazität eines Speichersystems ist dem jeweiligen Produktdatenblatt zu entnehmen. Ein weiterer wichtiger Parameter für die Ermittlung der Effizienz eines Speichersystems ist die Anzahl der Volladezyklen, also die Anzahl der mit dem System möglichen vollständigen Ladevorgänge. Diese ist stark produktabhängig und kann zwischen 2.000 und 13.000 Volladezyklen liegen [vgl. Ossenbrink, 2017].
Während Solarmodule länger als 20 bis 30 Jahre sehr gute Leistung bringen können, haben Batteriespeicher jedoch trotzdem nur eine erwartete Lebensdauer von 10 bis 15 Jahren. Grund dafür ist, dass in den Batteriezellen chemische Prozesse stattfinden, die zu einer Alterung der Materialien führen. Einige der Alterungsprozesse finden sogar unabhängig vom Laden und Entladen statt, weshalb solche Batterien so etwas wie ein "Verfalldatum" haben, das sich aber nicht exakt vorhersagen lässt (Verbraucherzentrale 2022).
Weiterhin sind der Standby-Verbrauch sowie die Regelungseffizienz des Systems wichtige Qualitätskriterien. Zwar gibt es vom Bundesverband Solarwirtschaft (BSW) einen „Prüfleitfaden zur Charakterisierung der Wirkungsgrade, des Standby-Verbrauchs und der Regelungseffizienz von stationären Batteriespeichersystemen“, jedoch zertifiziert bisher nur etwa die Hälfte der Hersteller ihre Produkte nach diesem Katalog. Bei der Anschaffung eines Speichersystems sollten daher stets unterschiedliche Systeme in den genannten Punkten miteinander verglichen werden, um das optimale System für den jeweiligen Anwendungsfall zu ermitteln. Im Zweifel sollte ein Fachbetrieb zurate gezogen werden.
3.2. Sicherheit
Ein weiteres Qualitätskriterium neben der Effizienz des Systems ist die Sicherheit. Bei elektrochemischen Speichersystemen wie Batteriespeichern laufen beim Laden und Entladen der Systeme chemische Reaktionen ab. Bei falscher Betriebsweise, unsachgemäßer Installation oder fehlerhafter Produktion besteht die Gefahr eines Brandes oder einer Explosion [Quaschning, 2015]. Bei der Anschaffung eines Speichersystems sollte daher unbedingt Wert auf eine Sicherheitszertifizierung der Produkte gelegt werden. Es sollte in jedem Fall eine Beratung durch ein Fachunternehmen stattfinden.
4. Batteriespeicher in Kombination mit Photovoltaikanlagen
Die Vorteile, die die Nutzung eines Batteriespeichersystems bietet, sind am besten anhand von typischen Produktions- und Lastprofilen einer PV-Anlage zu beschreiben. In Abbildung 1 ist der Lastgang – also der Stromverbrauch – eines typischen Einfamilienhauses an einem Wochenende in blau dargestellt. Die Produktion der PV-Anlage (in Gelb) zeigt an einem sonnigen Tag eine typische Glockenkurve mit ihrem Maximum zwischen 12 und 13 Uhr. Bis auf einige Spitzen kann der Strombedarf des Haushalts zwischen 6 und 20 Uhr nahezu vollständig durch die PV-Anlage gedeckt werden. Diesen ohne Zwischenspeicherung direkt im eigenen Haushalt verbrauchten Strom nennt man „Direktverbrauch“.
Abbildung 1: Typischer Lastgang eines Einfamilienhauses in Deutschland an einem sonnigen Frühjahrs-Wochenende in minütiger Auflösung und Erzeugung eines 5-kWp-Photovoltaiksystems [© 2015 Carl Hanser Verlag München].
Abbildung 2: Typischer Lastgang eines Einfamilienhauses in Deutschland an einem sonnigen Frühjahrswochenende in minütiger Auflösung und Erzeugung eines 5-kWp-Photovoltaiksystems mit einem 5-kWh-Batteriesystem bei eigenverbrauchsoptimierter Betriebsweise [© 2015 Carl Hanser Verlag München].
Die Anlage in Abbildung 1 besitzt kein Speichersystem, sodass außerhalb dieser Zeit zwischen 20 Uhr abends und 6 Uhr morgens, wenn die PV-Anlage keinen Strom produziert, Strom aus dem Netz bezogen werden muss. Der überschüssige Strom, der nicht im Haushalt selbst verbraucht wird, wird in das Stromnetz eingespeist. Der Anlagenbetreiber erhält für diesen Strom eine Einspeisevergütung nach Vorgaben des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG). Der direkte Verbrauch des PV-Stroms im eigenen Haushalt ist allerdings lukrativer als die Einspeisung ins Stromnetz. Die Einsparung durch den Eigenverbrauch des PV-Stroms gegenüber dem Einkauf von Netzstrom ist also deutlich größer als die Einspeisevergütung. Ein vollständiger Verbrauch des PV-Stroms ohne zusätzliche Speicher ist jedoch nur bei sehr kleinen Anlagen möglich.
Der Eigenstromverbrauchsanteil kann durch die Installation eines Speichersystems deutlich erhöht werden, wie Abbildung 2 zeigt. Zwischen 7 Uhr und 11 Uhr morgens wird bei dieser Anlage zunächst das Speichersystem geladen. Erst wenn der Speicher voll ist, wird ab 11 Uhr der überschüssige Strom in das Stromnetz eingespeist. Nach Sonnenuntergang wird der gespeicherte Strom genutzt, um den Strombedarf zu decken. Die Zeit, in der Strom aus dem Netz bezogen wird, ist deutlich reduziert gegenüber einer Anlage ohne Speichersystem. Somit steigt nicht nur der Eigenstromverbrauchsanteil sondern auch die Autarkie, also die Unabhängigkeit vom Netzstrom, deutlich an. Zwar erhöhen sich durch den Kauf eines Speichersystems auch die Kosten der Anlage, jedoch sind die Preise für Batteriespeicher in den letzten Jahren stark gesunken, sodass sich die Systeme mittlerweile in vielen Fällen auch wirtschaftlich rechnen. Bereits 2016 wurde jede dritte Photovoltaikanlage in Verbindung mit einem Speichersystem geplant [vgl. Mertens, 2016]. Die KfW bietet zinsgünstige Kredite (siehe Kapitel 5).
Über das Solarkataster NRW können Solaranlagen für geeignete Dachflächen in ganz NRW geplant werden. Der Ertragsrechner bietet die Möglichkeit, sich ein Profil - wie in Abbildung 1 und Abbildung 2 dargestellt - für das eigene Gebäude und den individuellen Verbrauch anzeigen zu lassen. Auf dieser Grundlage wird auch die Wirtschaftlichkeit der Anlage berechnet
Neben der eigenstromverbrauchsoptimierten Ladung der Batterie ist auch eine netzoptimierte Ladung der Batterie möglich (vgl. Abbildung 3). Hier wird die Batterie erst geladen, wenn die PV-Anlage eine hohe Leistung liefert. Die Spitzen in der Stromproduktion und Einspeisung der PV-Anlagen, die das Stromnetz stark belasten können, werden dadurch abgefangen. Für eine optimale Betriebsweise ist jedoch eine sehr gute Prognose des zu erwartenden Solarertrags und des Verbrauchs erforderlich. Erfüllen sich die Prognosen nicht, z.B. wenn plötzlich Wolken aufziehen, kann es sein, dass die Batterie nicht mehr vollständig geladen werden kann. Dann sinkt sowohl der Autarkie, als auch der Eigenstromverbrauchsanteil [vgl. Quaschning, 2015].
Abbildung 3: Typischer Lastgang eines Einfamilienhauses in Deutschland an einem sonnigen Frühjahrswochenende in minütiger Auflösung und Erzeugung eines 5-kWp-Photovoltaiksystems mit einem 5-kWh-Batteriesystem bei netzoptimierter Betriebsweise [© 2015 Carl Hanser Verlag München].
5. Investitionskosten und Fördermöglichkeiten
Der Markt für Batteriespeichersysteme entwickelt sich aktuell sehr dynamisch. Die Leistung und Lebensdauer der Technik haben sich durch intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeit in den letzten Jahren stetig verbessert. Gleichzeitig sind die Kosten je kWh installierter Leistung für Batteriespeichersysteme stark gesunken, sodass sich die Investition in ein Speichersystem auch wirtschaftlich rechnet. Je nach Hersteller sind die Preise sehr unterschiedlich. Bei Interesse an einem Speichersystem ist es daher zu empfehlen, sich verschiedene Angebote einzuholen.
Auf Bundesebene bietet die KfW zinsgünstige Krediten für die Anschaffung einer PV-Anlage bzw. eines Batteriespeichers an. Weitere Informationen finden Sie im FörderNavi der Landesagentur für Energie und Klima NRW.
6. Planungshinweise
Bei der Auslegung von Speichersystemen wird in der Regel für jedes kWp installierter Anlagenleistung der PV-Anlage eine Kapazität von 1 kWh Speicherleistung installiert. Wenn die Preise für Batteriespeichersysteme weiter sinken, sind jedoch auch höhere Kapazitäten durchaus interessant, insbesondere dann, wenn der PV-Strom auch noch für ein Elektroauto genutzt werden soll.
Für die Planung, Installation und Inbetriebnahme sollte in jedem Fall ein Fachbetrieb zurate gezogen werden, denn zum sicheren Betrieb trägt eine fachgerechte Montage wesentlich bei. Zwar ist das Ziel der Forschung und Entwicklung derzeit vor allem Produkte zu entwickeln, die kompakt gebaut und einfach zu installieren sind. Dennoch sollten die Installateure entsprechende Schulungen besucht haben und Zertifikate aufweisen können. Viele Hersteller liefern mittlerweile vorkonfektionierte Komponenten, die meist von einer Person in wenigen Schritten zusammengeschaltet werden können. Diese Bauweise spart den Installateuren Zeit und damit den Kunden Kosten, sodass diese Speichersysteme immer günstiger angeboten werden können [Ossenbrink, 2017].
7. Literatur
Mertens, Prof. Dr.-Ing Konrad (2016): Solarstrom vom eigenen Dach: Lohnt sich das noch?, Artikel erschienen in VDI Ingenieur forum, Ausgabe 3/2016, S. 42-46.
Ossenbrink, Ralf (2017): Mehr Ordnung im Speichermarkt, Artikel erschienen in Sonne Wind und Wärme, Ausgabe 10/2017, S.52 – 64.
Quaschning, Volker (2015): Regenerative Energiesysteme – Technologie, Berechnung, Simulation, 9. Und aktualisierte Auflage; Hanser-Verlag; München.
VDE-Verlag (2018): Homepage Stand 19.07.2018
Verbraucherzentrale (2022): Lohnen sich Batteriespeicher für Photovoltaikanlagen?
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