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Solarstrom-Eigenverbrauch hat Vorrang – und lohnt sich
Der intelligente Wechselrichter/Laderegler kontrolliert das Aufladen der Batterie oder auch die Einspeisung ins öffentliche Stromnetz. Scheint die Sonne intensiv, geht der Solarstrom primär in den Eigenverbrauch. Wird mehr Energie als dafür nötig gewonnen, wird gleichzeitig die Batterie aufgeladen. Erst wenn die Batterie vollständig aufgeladen wurde, speist die Photovoltaik-Anlage den Solarstrom ins öffentliche Stromnetz ein.
Angesichts der gegenwärtigen Solarstrom-Gestehungskosten privater Anlagen von rund 14 Cent/kWh und bei einem Haushaltsstrombezugspreis von etwa 28 Cent/kWh hat sich der Direktverbrauch zur wirtschaftlich lohnenden Alternative entwickelt.
Wissenswertes über Stromspeicher. Solarstrom aus Photovoltaik-Anlagen kann und muss effizient gespeichert werden, denn die Sonne scheint nicht 24 Stunden am Tag. Doch mittags gibt es Solarstrom im Überfluss - bei einer nur geringen Nutzung der Elektrizität, sodass die öffentlichen Stromnetze schon an ihre Grenzen stoßen können. Batteriespeicher und Energiemanagement-Systeme bieten hier einen effizienten Lösungsansatz. Zu den besonders leistungsstarken Kurzzeitspeichern zählen Batterien.
Nach Erkenntnissen des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme, die in der „Speicherstudie 2013“ veröffentlicht wurden, sorgt der Einsatz von Batteriespeichern für eine bedeutende Entlastung des Stromnetzes, während Verbraucher ihre Energiekosten massiv senken können. Hinzu kommt ein Wandel in der Förderpolitik: Einerseits sinkt die Solarstrom-Einspeisevergütung, andererseits werden PV-Speicher seit Mai 2013 mit staatlichen Geldern unterstützt. Davon profitieren die Haushalte und die öffentlichen Stromnetze.
Lithium-Ionen- oder Blei-Batterien?
Batteriespeichersysteme bestehen im Grunde genommen aus zwei Teilen: Batterie und Wechselrichter bzw. Laderegler. Auf dem Markt spielen Lithium-Ionen- und Blei-Gel die größte Rolle. Beide Technologien haben Vorteile: Blei-Batteriesysteme sind lang erprobt und Lithium-Batterie-Systeme sind noch relativ neu und deutlich teurer. Dafür bieten diese jedoch langfristig mehr Ladezyklen, sie haben also eine längere Lebensdauer. Mittlerweile spielt Blei-Gel kaum noch eine Rolle auf dem Markt, Lithium-Ionen-Technik hat sich durchgesetzt und die Preise sind drastisch gesunken.
Mit Speichersystemen können Betreiber von Photovoltaik-Anlagen den Solarstrom von ihrem Dach speichern und selbst nutzen, statt ihn weitgehend ins öffentliche Netz einzuspeisen.
Der wesentliche Vorteil des Energiespeichers besteht somit darin, dass die Sonnenenergie „zwischengespeichert“ werden kann. Abends, wenn die Sonne untergeht, kann ein Haushalt die zwischengespeicherte Sonnenenergie zeitversetzt nutzen. Die Photovoltaik-Branche geht von einer möglichen Erhöhung des Solarstrom-Eigenverbrauchs von bis zu 70 Prozent aus.
Die Bundesregierung will die Solarstrom-Speicher zur Stabilisierung des Netzes etablieren, wozu nun die Förderung beitragen soll.
Für die Markteinführung von Batteriesystemen zur Solarstrom-Speicherung wird seit dem 1. Mai 2013 gefördert.(mittlerweile beendet)
Eine Finanzierung des neuen Förderprogramms ist gesichert, allerdings im ersten Jahr auf 25 Millionen Euro begrenzt.
Die Beschäftigung mit technischen Daten einer Solarbatterie beginnt ganz grundsätzlich bereits mit der Frage, was für Strom eine Solarbatterie überhaupt speichert: Gleichstrom oder Wechselstrom? Wissen Sie es? Es ist Gleichstrom. Und dies ist nur die einfachste in einer Reihe von vielen weiteren Grundlagen, die man braucht, um Batteriespeicher für Photovoltaikanlagen verstehen und bewerten zu können. Bis dato haben sich folgende Daten und Größen herauskristallisiert, um das Leistungsvermögen und Leistungsverhalten einer Solarbatterie zu beschreiben:
Batteriespeicher arbeiten entweder auf Blei-Basis (Blei-Säure, Blei-Gel) oder mit Lithium-Ionen. Blei-Akkus sind wirtschaftlich, erprobt und länger im Einsatz als Lithium-Ionen-Speicher. Der Wirkungsgrad von Lithium-Ionen-Akkus ist jedoch höher als bei Blei-Akkus. Blei spielt heute kaum noch eine Rolle am Markt.
Speicherkapazität / Batteriekapazität (Nennkapazität)
Die Speicherkapazität einer Solarbatterie gibt an, wie viel Strom sie mit einer vollen Aufladung speichern kann. Die Speicherkapazität ist eine technische Angabe des Herstellers und wird in Kilowattstunden angegeben (kWh).
Eine Solarbatterie kann nicht zu 100 % entladen werden. Diese sog. Tiefenentladung schädigt die Batterie. Deshalb kann eine Solarbatterie nur bis zur Entladetiefe entladen werden. Diese variiert je nach Hersteller. Zwischen 50 % und mehr als 90 % der gespeicherten Strommenge kann bei einem Entladevorgang deshalb (nur) entnommen werden.
Die technische Speicherkapazität einer Solarbatterie ist nur theoretischer Natur, da die Entladetiefe berücksichtigt werden muss. Die wirkliche praktische Kapazität einer Solarbatterie gibt deshalb erst die nutzbare Speicherkapazität an. Beispiel: hat eine Solarbatterie eine Speicherkapazität von 9 kWh und eine Entladetiefe von 80 %, so kann die Batterie praktisch "nur" 7,2 kWh speichern (80 % von 9 kWh).
Vollzyklus
Eine Solarbatterie einmal bis zur Entladetiefe zu entladen und anschließend vollständig wieder aufzuladen, ist ein Vollzyklus. Dieser Gebrauch wird theoretisch einer Solarbatterie zugrunde gelegt.
Kleinstzyklus
Eine Solarbatterie wird nur geringfügig entladen und anschließend wieder aufgeladen.
Maximale Lade / Entladeleistung & C-Rate
Waschmaschinen oder andere größere technische Geräte benötigen kurzzeitig viel Strom und erzeugen damit sogenannte Lastspitzen. Ob diese Lastspitzen mit dem Batteriespeicher vollständig abgedeckt werden können, lässt sich an der maximalen Entladeleistung (in kW) ablesen. Wie schnell die Solarbatterie dabei entladen wird, im Verhältnis zur Speicherkapazität, gibt die C-Rate an. Entlädt sich ein Batteriespeicher binnen einer Stunde völlig, so liegt der Wert bei 1C. Wie schnell der Batteriespeicher anschließend wieder aufgeladen werden kann, gibt im Umkehrschluss die maximale Ladeleistung an.
Zyklenlebensdauer / Anzahl der Vollzyklen
Technische Angabe des Herstellers, für wie viele Vollzyklen die Solarbatterie ausgelegt ist. Heutige Batteriespeicher haben eine Zyklenlebensdauer bis zu 8.000 Vollzyklen und mehr. Bei Erreichen der Zyklenlebensdauer hat die Solarbatterie eine Kapazität von 80 % ihrer ursprünglichen Nennkapazität (und kann theoretisch noch weiter benutzt werden).
Die kalendarische Lebensdauer ist ebenfalls eine theoretische Angabe des Herstellers. Wird der Batteriespeicher weder entladen noch geladen, so besitzt die Solarbatterie nach Ablauf der kalendarischen Lebenszeit noch 80 % ihrer ursprünglichen Nennleistung.
Gebrauchsdauer
Die Gebrauchsdauer ist ähnlich wie die nutzbare Speicherkapazität eine praktische Größe. Bei der Gebrauchsdauer wird zunächst angenommen, wie viele Vollzyklen ein Batteriespeicher pro Jahr praktisch machen wird. Die Zeitschrift Photon hat hier z.B. angenommen, dass ein Batteriespeicher jährlich rund 200-mal vollständig entladen und geladen wird. Tatsächlich sind es aber meistens zwischen 250 und 300 Zyklen.
Nehmen wir mal 275 Zyklen an, so hätte die Solarbatterie, bei 8000 Ladezyklen eine Gebrauchsdauer von rund 29 Jahren. Da die Batterie aber auch einer kalendarischen Alterung unterliegt, wird die Gebrauchsdauer hier deutlich niedriger liegen. Einige Hersteller sprechen von einer Gebrauchsdauer von 15 Jahren bis hin zu 20 Jahren. Letztendlich wird die Zukunft es zeigen.
Systemwirkungsgrad
Batteriespeicher sind elektrochemische Speicher und werden über elektronische Komponenten (Laderegler / Batteriewechselrichter) gesteuert. Aus diesem Grund ergeben sich wie bei allen technischen Anlagen Leistungsverluste von einigen Prozentpunkten. Die Herstellerangaben zum Systemwirkungsgrad einer Solarbatterie sind bis dato noch uneinheitlich. Entscheidend ist, dass sowohl der Zyklenwirkungsgrad des Akkus (Blei ca. 75 %; Lithium-Ionen >90 %) als auch die Teilwirkungsgrade der verschiedenen elektronischen Komponenten zum Systemwirkungsgrad hinzugezählt werden.
Diese können elektrisch entweder "nach" dem Wechselrichter der PV-Anlage im Wechselstromkreis des Hauses eingebunden werden (AC-gekoppelt) oder "vor" dem Wechselrichter im zwischengeschalteten Gleichstromkreis (DC-gekoppelt). Da eine Solarbatterie grundsätzlich Gleichstrom lädt, sind AC-gekoppelte Systeme zusätzlich mit einem Konverter (Batteriewechselrichter) ausgestattet, der den Wechselstrom zum Laden der Solarbatterie in Gleichstrom wandelt. Zum Entladen wird der Batterie-Gleichstrom wieder in Wechselstrom gewandelt. DC-gekoppelte Systeme benötigen diesen Konverter nicht, da sie direkt den erzeugten Gleichstrom der PV-Anlage laden. Hierdurch ergibt sich ein leicht höherer Wirkungsgrad, jedoch muss bei einer nachträglichen Installation der Wechselrichter der PV-Anlage getauscht werden, was bei AC-gekoppelten Systemen nicht der Fall ist und die Nachrüstung mit einem Batteriespeicher flexibler gestaltet.
- 1-phasig / 3-phasig Batteriespeicher
Diese speisen den geladenen Solarstrom entweder auf einer oder drei Phasen ins Hausnetz / öffentliche Stromnetz ein. 1-phasige Batteriespeicher können im Fall eines Stromausfalls Elektrogeräte mit 3-phasigen Anschluss nicht versorgen, sodass z.B. der Herd in der Küche nicht funktionieren würde. Ebenso müssen PV-Anlagen 3-phasig ins Stromnetz einspeisen
(Ausnahmen gelten für Anlagen bis 4,6 kWp).
Volleinspeiser
Sind Batteriespeicher, die gespeicherten Solarstrom (Batteriestrom) direkt ins Netz einspeisen dürfen. AC-gekoppelte Batteriespeicher benötigen hierfür einen zusätzlichen Zähler, um zu verhindern, dass Strom aus dem Netz geladen und als Solarstrom eingespeist wird.
Notstromoption
Eine Notstromoption ermöglicht es, dass bei einem Stromausfall die Solarbatterie, die Stromversorgung einzelner Verbraucher oder Stromkreise, meist einphasig übernimmt. Alternativ ist auch die Montage einer Notstromsteckdose möglich, wo bei Bedarf Verbraucher angeschlossen werden können.
Ersatzstrom
Eine Ersatzstromoption ermöglicht es, dass mithilfe einer zusätzlichen Umschalteinheit, bei Netzausfall, eine sofortige physikalische Trennung zum öffentlichen Netz hergestellt wird. Anschließend wird automatisch das gesamte Haus auf allen drei Phasen wieder mit Strom aus der Photovoltaikanlage, beziehungsweise aus dem Stromspeicher versorgt.
Die zuvor genannten Daten beschreiben im Kern die technische Leistungsfähigkeit der Solarbatterie selbst. Wie gut die Solarbatterie im praktischen Betrieb abschneidet, um in Kombination mit einer PV-Anlage einen Haushalt möglichst weitgehend mit Strom zu versorgen, darüber geben die folgenden drei Größen Auskunft.
Eigenverbrauchsanteil
Der Eigenverbrauchsanteil steht in Bezug zur erzeugten Strommenge der Photovoltaikanlage und sagt aus, wie viel Solarstrom aus der PV-Anlage selbst verbraucht werden kann im Haushalt durch den Einsatz der Solarbatterie. Ein möglichst hoher Eigenverbrauchsanteil hängt dabei von einer fachgerechten Planung und Auslegung beider Systeme ab.
Autarkiegrad
Der Autarkiegrad steht in Bezug zum gesamten Stromverbrauch des Haushalts und sagt im Unterschied zum Eigenverbrauchsanteil aus, wie viel des tatsächlichen Strombedarfs durch die Photovoltaik Solarbatterie Kombination gedeckt werden kann.
Kosten pro gespeicherter Kilowattstunde
Wie wirtschaftlich ein Batteriespeicher ist, lässt sich daran festmachen, was eine gespeicherte Kilowattstunde umgerechnet kostet (in Cent). Diese lassen sich für einen Batteriespeicher wie folgt berechnen:
1. Nennkapazität x Anzahl der Vollzyklen = theoretisch speicherbare Energiemenge
2. theoretisch speicherbare Energiemenge in praktisch speicherbare Energiemenge umrechnen, indem die Entladungstiefe und der Systemwirkungsgrad prozentual abgezogen werden
3. Investitionskosten / Endkundenpreis (für die gleiche technische Ausstattung) durch die praktisch speicherbare Energiemenge teilen ergibt den Preis pro gespeicherter Kilowattstunde Strom
Beispielrechnung für eine Solarbatterie: Lithium-Ionen-Batterie
Nennkapazität 6,4 kWh x 6.000 Vollzyklen = 38.400 kWh theoretische Speichermenge. 38.400 kWh im Verhältnis zu 90 % Entladungstiefe ergibt 34.560 kWh nutzbare Speichermenge.
6.499 € Endkundenpreis geteilt durch 34.560 kWh = 0,188 Euro pro gespeicherte kWh.
(Endkundenpreis netto, ohne Installationskosten, ohne Berücksichtigung der Speicherförderung am Beispiel des LG-Chem Speichersystems Stand Ende 2015)
