Technik und Einsatz eines Stromspeichers in Solaranlagen

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.

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.

Die Solarmodule einer PV-Anlageerzeugen 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.

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.

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 Modulebereits 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.