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Konzepte zur Kombination von Stromspeicher und Photovoltaik

Wie kann PV-Strom gespeichert werden? Welche Möglichkeiten gibt es, Stromspeicher und Photovoltaik miteinander zu kombinieren?

Photovoltaik-Strom wird immer dann erzeugt, wenn die Sonne scheint. Um diesen Strom selbst verbrauchen zu können, kann einerseits immer dann Strom verbraucht werden, wenn PV-Strom erzeugt wird. Andererseits können auch Stromspeicher eingesetzt werden, um den eigenen Photovoltaik-Strom später bei Bedarf nutzen zu können. Je nach dem individuellen Strombedarf gibt es unterschiedliche Möglichkeiten zur Kombination von Stromspeicher und Photovoltaik.

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Direkte und indirekte Stromspeicher für Photovoltaik

Stromspeicher für Photovoltaik unterscheidet man nach direkten und indirekten Stromspeichern. Unter einer direkten Speicherung versteht man das Speichern in traditionellen Kondensatoren und Spulen. Diese Modelle können aber immer nur eine begrenzte Menge an Strom speichern. Auf der anderen Seite steht die indirekte Speicherung von Photovoltaik-Strom, bei der auch größere Energiemengen gespeichert werden können. In diesem Fall wird der Strom vor dem Speichern in eine „andere“ Energieform umgewandelt, in dieser gespeichert und später wieder in Strom umgewandelt.

Übersicht über Beispiele unterschiedlicher Stromspeicherformen für Photovoltaik
EinsatzgebietEntladezeitSpeicherartMax. Kapazität
Kurzzeitspeicher zur Netzstabilisierung oder Netzaufrechterhaltung1 Sekunde bis 180 SekundenSpulen SMES, Kondensatoren, SchwungmassespeicherVon wenigen kWh bis zu MWh
Langzeitspeicher zur Spitzenbedarfsdeckung2 bis 24 StundenDruckluftspeicher, PumpspeicherMWh bis GWh
Elektro-chemische-Speicher als Reservespeicher und für Elektromobilität1 Stunde bis zu mehrere TageLithium-Ionen-Akku, Reddox-Flow-Batterie, Blei-Säure-AkkuZ.B. 50 kWh bis zu 40 MWh

Stromspeicher für kleine und mittlere Photovoltaik-Anlagen

Für die typische Betriebsweise einer Photovoltaikanlage (Netzeinspeisung oder Eigenverbrauch) kommen in der Regel direkte, elektrochemische Stromspeicher wie z. B.

Einteilung von Stromspeichern nach der Betriebstemperatur und den verwendeten Materialien. (Grafik: energie-experten.org)
Einteilung von Stromspeichern nach der Betriebstemperatur und den verwendeten Materialien. (Grafik: energie-experten.org)

Blei-Akkus werden weitergehend in Blei-Säure-Akkumulatoren und Blei-Gel-Akkumulatoren unterschieden. Bei Lithium-Ionen-Akkus unterscheidet man Lithium-Cobaltoxid-, Lithium-Polymer-, Lithium-Eisen-Phosphat- und Lithium-Titanat-Akkus.

Einbindung von Stromspeichern in das Photovoltaik-System

Wird Photovoltaik-Strom produziert, so wird zunächst der aktuelle Bedarf im Haushalt gedeckt. Übersteigt die Stromproduktion den momentan Verbrauch wird der Solarstromspeicher aufgeladen. Ist der Stromspeicher dann vollgeladen und wird weiter Strom von der Photovoltaikanlage produziert, wird der überschüssige Strom ins Netz eingespeist.

Die Effizienz des gesamten Systems aus Stromspeicher und Photovoltaik ist dabei jedoch nicht nur von der Wahl der Stromspeichertechnik abhängig, sondern auch von der Systemeinbindung. Hierbei unterscheidet man grundsätzlich drei Einbindungsoptionen:

Installation eines großen Solarstromspeichers auf Blei-Gel-Basis. Der Stromspeicher optimiert den Eigenverbrauch eines energieautarken Hauses und speichert Strom zum Betanken eines Elektroautos. (Foto: BSW - Bundesverband Solarwirtschaft e.V.)
Installation eines großen Solarstromspeichers auf Blei-Gel-Basis. Der Stromspeicher optimiert den Eigenverbrauch eines energieautarken Hauses und speichert Strom zum Betanken eines Elektroautos. (Foto: BSW - Bundesverband Solarwirtschaft e.V.)

AC-Kopplung des Stromspeichers mit dem Hausstromnetz

Hierbei schließt man lediglich einen Batterieladeregler AC-seitig ans Hausstromnetz an. Dieser kann dann sowohl Photovoltaik-Strom als auch Netzstrom speichern und einspeisen. Eine AC-Kopplung ist insbesondere für die Nachrüstung von Photovoltaik-Systemen geeignet, da hier nur ein Stromspeicher ans Hausnetz angeschlossen werden muss. Nachteil ist, dass ein weiteres Batterie-Managementsystem zur Regelung von Wechselrichter und Stromspeicher nötig wird.

Speichereinbindung zwischen Modulen und Wechselrichter

Neben der AC-Kopplung des Stromspeichers mit dem Photovoltaiksystem, kann der Stromspeicher auch zwischen die Solarmodule und Wechselrichter eingebunden werden. Dies ist ebenfalls bei einer Nachrüstung sinnvoll, macht aber ebenfalls ein Energiemanagementsystem notwendig. Unterschied ist jedoch, dass der Stromspeicher nur mit Photovoltaik-Strom und nicht mit Netzstrom geladen werden kann. Der Wirkungsgrad einer solchen Stromspeicher-Photovoltaik-Einbindung soll etwa fünf Prozent höher liegen als bei einer AC-Kopplung.

Anbindung des Stromspeichers an den Photovoltaik-Wechselrichter

Neben den beiden vorgenannten Schaltungsmöglichkeiten, die sich vornehmlich für die Nachrüstung eignen, kann bei einer Neuinstallation der Stromspeicher auch auf dem internen Zwischenkreis des Photovoltaik-Wechselrichters angebunden werden. Der Wirkungsgrad einer solchen Anbindung ist höher als bei einer AC-Einbindung und der Laderegler des Stromspeichers kann den Zwischenkreis des Wechselrichters optimal stabilisieren, was weitere Effizienzsteigerungen erlaubt.

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Betriebskonzepte von Stromspeicher und Photovoltaik

Unabhängig vom Stromspeichertyp und dessen Einbindung unterscheidet man zwei grundsätzliche Betriebskonzepte von Stromspeicher und Photovoltaik:

Stromspeicher-Photovoltaik-Konzept soll Autarkie maximieren

Ein Konzept, Stromspeicher als Puffer für Photovoltaik-Strom einzusetzen zielt darauf ab, eine größtmögliche Unabhängigkeit vom Stromnetz zu erreichen. Dazu muss die Speicherkapazität des Stromspeichers möglichst groß ausfallen, um den Photovoltaik-Strom jederzeit für den Eigenverbrauch vorzuhalten. So kann mit einem 10 kWh-Stromspeicher bei einer Photovoltaikleistung von 10 kW bereits ein Eigenverbrauchsgrad von 70 bis 80% erzielt werden. Um die Autarkie weiter zu erhöhen, steigt allerdings der Speicherbedarf exponentiell an.

Lithium-Ionen "All-In-One" Stromspeicher von Samsung SDI für Einfamilienhäuser mit bis zu 6,6 Kilowattpeak Leistung, 6.000 Ladezyklen und einer Lebensdauer von bis zu 20 Jahren. (Foto: Samsung SDI)
Lithium-Ionen "All-In-One" Stromspeicher von Samsung SDI für Einfamilienhäuser mit bis zu 6,6 Kilowattpeak Leistung, 6.000 Ladezyklen und einer Lebensdauer von bis zu 20 Jahren. (Foto: Samsung SDI)

Neben einem hohen Autarkiegrad der Stromspeicher-Photovoltaik-Kombination resultieren jedoch hohe Anschaffungskosten für den Stromspeicher und daher auch hohe Kosten pro gespeicherter Kilowattstunde Photovoltaikstrom. Dies beruht einfach darauf, dass über einen Großteil der Nutzungsdauer das Anlagenkonzept Stromspeicher-Photovoltaik nur einen unterdurchschnittlichen Ausnutzungsgrad aufweist und ein Großteil der Speicherkapazität dementsprechend ungenutzt verbleibt. Ein so konzipierter Stromspeicher kommt daher häufig nur bei Photovoltaik-Inselanlagen zum Einsatz, die sowieso höhere Strombezugskosten aufweisen, da sie über keinen Stromnetzanschluss verfügen.

Stromspeicher-Photovoltaik-Konzept soll Wirtschaftlichkeit maximieren

Für den privaten Einsatz von Stromspeichern für Photovoltaikanlagen entscheiden sich daher viele Anlagenbesitzer für einen kleineren Stromspeicher, der zwar weniger Photovoltaikstrom speichern kann, aber aufgrund der nahezu maximalen Auslastung der Stromspeicherkapazität und den geringeren Anschaffungskosten auch deutlich niedrigere Gesamtkosten pro gespeicherter kWh Photovoltaikstrom bedeuten. Eine solche Kombination aus Stromspeicher und Photovoltaik setzt dann nicht den Schwerpunkt auf die größtmögliche Steigerung des Eigenverbrauchs, sondern vorrangig auf eine wirtschaftlich optimale Betriebsweise des Stromspeichers.

Hier sehen Sie einen Q.HOME+ ESS-G1 Photovoltaik-Stromspeicher (links) und das zum Speichersystem gehörende PV-Monitoring und Energiemanagement (rechts).
Q.HOME+ ESS-G1 Photovoltaik-Stromspeicher von Q CELLS verfügen über ein PV-Monitoring, ein intelligentes Einspeisemanagement sowie Smart Energy Lösungen, die es Prosumern erlauben, ihren Verbrauch an selbst produziertem Solarstrom durch ein effektives Energiemanagement zu optimieren. (Fotos: Hanwha Q CELLS GmbH)

So wird das o.g. Problem umgangen, dass bei größeren Stromspeichern der Speichernutzungsgrad mit zunehmendem Eigenverbrauch abnimmt und höhere Grenzkosten pro zusätzlich gespeicherter Kilowattstunde verursacht. Kleinere Stromspeicher-Photovoltaik-Kombinationen können demgegenüber auch an nur durchschnittlich solarertragreichen Tagen vollständig geladen und auch im Sommer in kurzen Nächten komplett entladen werden.

Bereitstellung von Regelenergie über Stromspeicher

Ein weiteres Konzept ist es, den Stromspeicher an das Stromnetz anzuschließen. Stromspeicher und Photovoltaik werden dann so miteinander kombiniert, dass im Sinne eines zentralen Lastmanagements positive und negative Regelenergie im Stromnetz bereitgestellt werden kann. Stromspeicher werden dabei online oder per Funk miteinander vernetzt und von den Netzbetreibern ferngesteuert. Dem Anlagenbesitzer steht der Stromspeicher für seine Photovoltaikanlage dann nur noch eingeschränkt zur Verfügung.

Liegt dann im öffentlichen Stromnetz ein kurzfristiger Bedarf an positiver Regelenergie vor, wird dem Stromspeicher Photovoltaik-Strom entnommen. Besteht ein Überschuss im Stromnetz, so wird dem Stromspeicher Photovoltaik-Strom zugeführt (negative Regelenergie). Zur Bereitstellung von Regelenergie über Stromspeicher-Photovoltaik-Anlagen finden derzeit Feldversuche statt und es gibt auch bereits einige wenige Anbieter, die Regelenergie über Stromspeicher und Photovoltaik anbieten.

Thermische Stromspeicher für Photovoltaik-Strom

Eine weitere, indirekte Form PV-Strom zu speichern ist die Umwandlung in thermische Energie. Dabei das Speichermedium jedoch nicht wieder in Strom zurück gewandelt, sondern zeitversetzt als Wärme zu Heizzwecken genutzt. In der Praxis wird der Photovoltaik-Strom häufig über einen Wärmepumpenprozess oder eine Nachtspeicherheizung in Wärme umgewandelt.

Da eine Wärmepumpe den PV-Strom effizienter in Kombination mit Umweltwärme umwandelt, kommen diese PV-Wärmepumpen-Kombinationen bei Neuinstallationen zur Anwendung. Nachtspeicherheizung als quasi Stromspeicher für Photovoltaik-Strom sind eher eine Notlösung für Altanlagen und werden in ersten Pilotprojekten auch zur Netzlastregulierung eingesetzt. Beiden Konzepten ist jedoch gemein, dass die Speicherung von Wärme in einem Pufferspeicher bzw. Wärmespeichersteine wiederum mit Wärmeverlusten verbunden ist.

Thermische PCM-Stromspeicher bieten daher eine effizientere Methode, Photovoltaik-Strom zu speichern, da diese mehr Wärme bei kleinerem Volumen länger speichern können. U.a. hat die Fachhochschule Köln einen solchen kleinen "Stromspeicher" für Photovoltaik-Strom aus dem Phasenwechselmaterial (englisch Phase Change Material (PCM)) Natriumacetat-Trihydrat (NA58) entwickelt. Der Polypropylen-Tank mit 420 Litern Fassungsvermögen besitzt eine Kapazität von 42 kWh und weist einen Wärmeverlust pro Tag von nur 0,7 kWh auf.

Thermischer PCM-"Stromspeicher" für Photovoltaik-Strom zur Eigenverbrauchsoptimierung im kleinen Anwendungsbereich wie z. B. einem Einfamilienhaus.(Foto: FH Köln)
Thermischer PCM-"Stromspeicher" für Photovoltaik-Strom zur Eigenverbrauchsoptimierung im kleinen Anwendungsbereich wie z. B. einem Einfamilienhaus.(Foto: FH Köln)

Einen kompakten thermischen Wärmespeicher für den Hausgebrauch hat auch die Leuphana Universität entwickelt, der zukünftig in Serienproduktion hergestellt werden soll. Der Speicher basiert auf einer thermochemischen und Latentwärmespeicherung. Diese "Thermische Batterie" soll im Gegensatz zu sensiblen und latenten Wärmespeichermaterialien deutlich höhere Wärmespeicherkapazitäten bieten und sehr preisgünstig sein.

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Weitere Informationen zum Betrieb von Stromspeichern

"Stromspeicher-Photovoltaik-Systeme im Überblick" wurde am 15.06.2018 das letzte Mal aktualisiert.