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Technik und Einsatz eines Stromspeichers in Solaranlagen

Wie funktioniert ein Stromspeicher in einer Solaranlage? Welche Speicher gibt es? Wann lohnt es sich, einen Photovoltaik-Speicher einzusetzen?

Ein Stromspeicher (auch Solar- oder PV-Stromspeicher genannt) wird dazu eingesetzt, den Solarstrom, der von den Photovoltaikzellen auf dem Dach produziert wird, zu speichern, um diesen später zum Verbrauch im Haushalt wieder bereit zu stellen. Ein Stromspeicher besteht dabei aus einer Batterie bzw. einem Akku und einer Speicherregeleung, die das Laden und das Entladen des Speichers regelt. Alles was Sie über Stromspeicher für eine Photovoltaikanlage wissen müssen, haben wir nachfolgend zusammengefasst.

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Funktionsprinzip des Stromspeicherns zum Eigenverbrauch

Bei einem Stromverbrauch von 4.500 kWh pro Jahr lässt sich mit einer 5 kWp PV-Anlage und einem 4 kWh Stromspeicher der Strombezug aus dem Netz um rund 60% reduzieren. (Grafik: BSW-Solar)
Bei einem Stromverbrauch von 4.500 kWh pro Jahr lässt sich mit einer 5 kWp PV-Anlage und einem 4 kWh Stromspeicher der Strombezug aus dem Netz um rund 60% reduzieren. (Grafik: BSW-Solar)

Viele Tausend Beispiele zeigen, dass Batteriespeicher schon heute wirtschaftlich sinnvoll hohe Eigenverbrauchsquoten ermöglichen. So setzen immer mehr Betreiber von Photovoltaikanlagen in Ein- und Mehrfamilienhäusern als auch häufig in Gewerbebetrieben auf den Eigenverbrauch von Solarstrom mit Hilfe eines Stromspeichers. Der Stromspeicher sorgt dafür, den Eigenverbrauchsanteil von etwa 30 Prozent auf mehr als 70 Prozent zu erhöhen.

Für diese hohen Eigenverbrauchsquoten ist aber nicht nur der Stromspeicherakku bzw. -batterie allein verantwortlich. Vielfach werden auch Stromverbraucher wie z. B. Wärmepumpen in Kombination mit einer PV-Anlage eingesetzt, mit denen der Eigenverbrauch von PV-Strom mit einem Stromspeicher gezielt gesteigert werden kann. Zudem sorgt ein Batterie-Management-System dafür, dass auch normale Stromverbraucher im Haushalt mit PV-Strom versorgt und das Speichersystem optimal betrieben wird. Die Steuerung regelt dabei, zu welchen Teilen der erzeugte Strom in das öffentliche Stromnetz eingespeist, zum Laden des Stromspeichers verwendet oder direkt den Stromverbrauchern im Haushalt zur Verfügung gestellt wird. In der Regel ist die Stromspeichersteuerung so programmiert, dass der Eigenverbrauch maximiert wird.

Aus wirtschaftlicher Sicht ist für den Einsatz eines Stromspeichers für den PV-Eigenverbrauch die Differenz aus Solarstrom-Erzeugungskosten, den Kosten pro gespeicherter Kilowattstunde und dem Bezugsstrompreis für den eingesparten Strom aus dem Stromnetz. Zudem muss berücksichtigt werden, dass mit dem Einsatz eines Stromspeichers auch Anschaffungskosten für eine Begrenzung der maximalen Einspeiseleistung auf 70 % der PV-Leistung oder die Kosten mit der Leistungsbegrenzung einhergehenden Abregelungsverluste eingespart werden können.

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Übersicht über Stromspeicherarten für Photovoltaikanlagen

Die für die Speicherung von Solarstrom infrage kommenden Strom-Speicher sind in aller Regel chemische Stromspeicher. Dabei unterscheidet man organische Speicher wie z. B. Wasserstoffspeicher und anorganische Speicher wie Blei- und Lithium-Ionen-Akkus. Jeder Batterie- bzw. Akkutyp unterscheidet sich zudem u.a. in der Energiedichte, Entladetiefe, Nutzungsdauer und Zyklenfestigkeit. Das stellt das Batterie-Management-System vor die Herausforderung die Akkuzellen optimal zu be- und entladen, damit Über- und Tiefentladungen vermieden werden und somit die Zyklenzahl auf ein Maximum erhöht wird.

Für privat betriebene PV-Anlagen sind momentan Blei- und Lithium-Ionen-Batterien die am Markt beliebtesten Stromspeicher für Solaranlagen. Blei-Säure- bzw. die moderneren Blei-Gel-Akkus sind günstiger in der Anschaffung, weisen jedoch eine vergleichsweise kürzere Haltbarkeit auf. Lithium-Ionen-Batterien sind hingegen teurer in der Anschaffung, können aber auf weniger Raum mehr Sonnenstrom speichern und versprechen eine längere Lebensdauer und auch Entladetiefe.

Während Blei-Batterien seit Langem im Praxisbetrieb erprobt sind, wurde die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien hingegen nur in relativ kurzen Alterungstests ermittelt. Aussagen über die Haltbarkeit von Lithium-Ionen-Batterien sind daher mit einer höheren Prognoseunsicherheit verbunden. Neben Blei-Batterien und Lithium-Ionen-Akkus gibt es jedoch noch eine Vielzahl weiterer Stromspeicher, die für den Einsatz in einer Photovoltaikanlage infrage kommen.

Solarstromspeicher "Caterva-Sonne" (Foto: Caterva GmbH)
Solarstromspeicher "Caterva-Sonne" (Foto: Caterva GmbH)

Wirtschaftlichkeit unterschiedlicher Stromspeicherkapazitäten

Für die Bestimmung der Eigenverbrauchsquote werden zunächst die X- und Y-Achse mit dem Jahresstromverbrauch multipliziert. Anschließend kann für die geplante PV-Anlagengröße und Batteriegröße direkt die erzielbare Eigenverbrauchsquote abgelesen werden. (Grafik: SMA Solar Technology AG)
Für die Bestimmung der Eigenverbrauchsquote werden zunächst die X- und Y-Achse mit dem Jahresstromverbrauch multipliziert. Anschließend kann für die geplante PV-Anlagengröße und Batteriegröße direkt die erzielbare Eigenverbrauchsquote abgelesen werden. (Grafik: SMA Solar Technology AG)

Bei der Planung eines Stromspeichers für eine Solaranlage stellt sich die Frage, ob man sich möglichst autark mit Solarstrom selbst versorgen möchte oder, ob man den Stromspeicher möglichst wirtschaftlich betreiben will. Denn beide Speicherkonzepte stehen in einem Zielkonflikt zueinander. So führt beispielsweise eine Vervierfachung der Speicher-Kapazität nur zu einer Verdopplung des Eigenverbrauchsanteils. Dass heißt, dass eine nahezu autarke PV-Stromversorgung nur mit einem sehr großen Stromspeicher möglich ist. Dies ist jedoch auch mit sehr hohen Anschaffungs- als auch Betriebskosten für den Stromspeicher verbunden.

Der Grund dafür ist in der saisonalen Speicherproblematik zu finden: Während im Sommer ein großer Speicher vollständig aufgeladen werden, aber der Speicherstrom nicht vollständig selbst verbraucht werden kann, lässt sich im Winter ein sehr großer Batteriespeicher aufgrund der geringeren Sonneneinstrahlung nicht vollständig mit Solarstrom aufladen. Daher sind bei gleichbleibender PV-Erzeugung kleinere Stromspeicher effizienter, denn mit zunehmender Speicher-Kapazität wird die zusätzliche Eigenverbrauchssteigerung immer geringer. Die wirtschaftlich optimale Stromspeichergröße liegt daher eher im Bereich kleiner Stromspeicher, die eine Eigenbedarfsdeckung von rund 50% erzielen.

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AC- und DC-gekoppelte Einbindung von Solar-Stromspeicher

Funktionsschema der Stromspeicherung, Direktverbrauch und der Stromeinsopeisung mit dem Stromspeicher EnergieFuchs von ANTARIS SOLAR (Grafik: ANTARIS SOLAR)
Funktionsschema der Stromspeicherung, Direktverbrauch und der Stromeinsopeisung mit dem Stromspeicher EnergieFuchs von ANTARIS SOLAR (Grafik: ANTARIS SOLAR)

Die Solarmodule einer PV-Anlage erzeugen Gleichstrom. Vor der Einspeisung in das öffentliche Stromnetz bzw. vor der Nutzung im Haushalt muss dieser Strom in Wechselstrom umgewandelt werden. Wird das Stromspeichersystem hinter dem Solarwechselrichter angeschlossen, spricht man von einer Wechselstromkopplung, eine sogenannte AC-Kopplung. Wird der Solarstromspeicher hingegen vor der Umwandlung in Wechselstrom geschaltet, spricht man von einer Gleichstromkopplung bzw. einer DC-Kopplung des Stromspeichers. Beide Speichereinbindungen haben dabei sowohl Vor- als auch Nachteile.

DC-Kopplung von Stromspeichern

Eine Gleichstromkopplung des Stromspeichers erfolgt in der Regel bei der Neuinstallation von PV-Anlagen, da die Kosten dann niedriger sind und die Modulleistung und die Stromspeicherkapazität besser aufeinander abgestimmt werden können. Hierzu kommen u.a. Batterie-Wechselrichter zum Einsatz, die über eine integrierte Be- und Entladesteuerung verfügen, die den Batteriespeicher mit Solarstrom beladen und auch die Umwandlung in Wechselstrom übernehmen, um den Solarstrom später selbst nutzen zu können. Eine DC-Kopplung ist aber auch bei der Nachrüstung eines Stromspeichers bei bestehenden PV-Anlagen möglich. Der vorhandene Wechselrichter muss dann bei Bedarf jedoch mit einer externen Ladesteuerung nachgerüstet werden.

AC-Kopplung von Stromspeichern

Während bei einer DC-Kopplung eines Stromspeichers ein Laderegler für das Batteriemanagement ausreichend ist, braucht eine AC-Speicherkopplung zusätzlich einen zweiten Wechselrichter, um den Wechselstrom wieder in Gleichstrom umzuwandeln. Der Nachteil einer AC-Kopplung ist dabei, dass Verluste durch die Rückwandlung von Wechsel- zu Gleichstrom auftreten können. Demgegenüber ist der Anlagenbetreiber jedoch deutlich flexibler in der Auswahl der Batteriespeicherkapazität. Dies ist gerade bei der Nachrüstung eines Stromspeichers bei einer bestehenden PV-Anlage vorteilhaft, da hier die Leistung der Module bereits feststehen. Ein Vorteil ist zudem, dass auch eine "Winterladung" aus dem öffentlichen Stromnetz bezogen werden kann, falls die PV-Anlage über mehrere Wochen keinen Strom zur Nachladung liefert. Dies reduziert außerdem die Gefahr einer Tiefentladung der Akkuzellen und schont damit den Stromspeicher.

AC-Kopplung eines Stromspeichers im Hausnetz (Grafik: energie-experten.org)
AC-Kopplung eines Stromspeichers im Hausnetz (Grafik: energie-experten.org)
DC-Kopplung eines Stromspeichers im Hausnetz (Grafik: energie-experten.org)
DC-Kopplung eines Stromspeichers im Hausnetz (Grafik: energie-experten.org)

Weitere Informationen zum Betrieb von Stromspeichern

Preise, Kosten und Förderung von Solarstromspeichern

Bei Stromspeichern für Photovoltaikanlagen gibt es heute große Preisunterschiede. So kosten kleinere Speicher für private Dachanlagen mit wenigen kWh-Speicherkapazität durchschnittlich 7.500 bis 10.000 Euro je nachdem, welche Speichertechnik zum Einsatz kommt und wie der Stromspeicher ausgestattet ist. Will man die Preise unterschiedlicher Solarstromspeicher miteinander vergleichen, so müssen alle wesentlichen technischen Faktoren (kalendarische Lebensdauer, Entladetiefe, Anzahl der Vollzyklen etc.) miteinander in Bezug gesetzt werden und so die Kosten pro kWh Speicherstrom berechnet werden. Nur so kann man objektiv unterschiedliche hohe Stromspeicherpreise miteinander vergleichen. Neben dem reinen Preis- und Kostenvergleich kommen noch weitere Faktoren wie Garantiezeiten oder Service- und Wartungsleistungen bei Auswahl eines Stromspeicheranbieters zum Tragen.

Hat man sich für einen Stromspeicher entschieden, so können seit Mai 2013 eine KfW-Förderung beantragt werden: Diese Stromspeicherförderungen umfasst einen Zuschuss von bis zu 600 Euro pro Kilowattpeak PV-Leistung, wenn der Speicher bei einer neu zu bauenden Photovoltaikanlage installiert wird, und von bis zu 660 Euro pro Kilowattpeak PV-Leistung, wenn der Speicher bei bestehenden PV-Anlagen, die nach dem 31.12.2012 in Betrieb genommen wurden, nachgerüstet wird.Um die Speicherförderung zu beantragen, sollte vor dem Kauf ein Angebot vorliegen, das der Bank bei der Beantragung des Förderzuschusses vorgelegt wird.

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"Auswahl von Stromspeichern für Solaranlagen" wurde am 21.06.2016 das letzte Mal aktualisiert.