Letzte Aktualisierung: 25.11.2020

Wirkungsgrad von Solar-Stromspeichern im Vergleich

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Welchen Wirkungsgrad haben Stromspeicher? Welche Faktoren bestimmen den Wirkungsgrad eines PV-Stromspeichers? Wie sollte ein Stromspeicher eingebunden werden, um den höchsten Wirkungsgrad zu erzielen?

Da die Speicherung und Entladung von Solarstrom in einem Stromspeicher immer mit Verlusten verbunden ist, liegt der Wirkungsgrad eines Stromspeichers immer unter 100 Prozent. Wie hoch die Wirkungsgradverlust eines PV-Stromspeichers ausfällt, ist von verschiedensten Einflussfaktoren abhängig:

  • Der Wirkungsgrad gibt an, wie hoch der Energieverlust beim Laden und Entladen des Speichers ist. Liegt der Wirkungsgrad bei 95 Prozent, gehen also 5 Prozent der Energie verloren und müssen durch Netzstrom ausgeglichen werden.
  • Der Wirkungsgrad ist jedoch keine konstante Größe, sondern ein Mittelwert. Denn er unterscheidet sich je nach Lade- und Entladeleistung. In der Regel ist der Wirkungsgrad bei einer geringen Grundlast, wie es in der Nacht vorkommt, geringer als mittags. Grundsätzlich gilt jedoch: Je höher der Wirkungsgrad, desto effizienter wird der Solarstrom genutzt.
  • Energiespeicher sind in zwei verschiedenen Typen erhältlich: AC-Systeme und DC-Systeme. Der primäre Unterschied liegt darin, wie der Speicher mit der Photovoltaikanlage gekoppelt ist. Die Auswirkungen von AC- und DC-Systemen auf den Wirkungsgrad der Anlage sind von vielen Faktoren abhängig und lassen sich nicht allein auf den Systemtyp zurückführen.
  • Auch der Eigenverbrauch des Speichers - der Energiebedarf des Speichers im Betrieb und im Standby - hat Einfluss auf den Wirkungsgrad. Hauseigentümer sollten auf einen geringen Eigenverbrauch achten. Denn je geringer dieser ist, desto mehr Solarstrom steht für den späteren Hausgebrauch zur Verfügung.
  • Die Regelgeschwindigkeit ist ein Indiz für die Effizienz des Stromspeichers. Sie definiert die Zeitspanne, die von der Umstellung von Netzstrom auf Strom aus dem Speicher benötigt wird. Dabei unterscheidet man die Totzeit und die Einschwingzeit.Grundsätzlich sollte sie möglichst niedrig sein. Zwischen zwei und drei Sekunden gehört zu den Spitzenwerten auf dem Markt.
  • Letztlich kann man nicht pauschal sagen, welches Stromspeichersystem in Abhängigkeit des Wirkungsgrades wirtschaftlich günstiger ist. Hier sollte man im Einzelfall vorab eine individuelle Gesamtkostenrechnung anstrengen.

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Definition und Abgrenzung des Speicher-Wirkungsgrades

Der Wirkungsgrad (Ladewirkungsgrad bzw. coulombsche Wirkungsgrad) stellt ein Maß für die Effizienz der Energieübertragung dar und gibt das Verhältnis zwischen der abrufbaren Energie einer geladenen Batterie und der zuvor zugeführten Energie in Prozent an. Er gibt also Aufschluss über die Ladungsverluste der Batterie. Die Hauptursache für Wirkungsgradverluste von Stromspeichern ist jedoch der Innenwiderstand der Batteriezellen beim Laden und Entladen der Systeme.

Vom Ladewirkungsgrad ist der energetische Wirkungsgrad abzugrenzen. Dieser ist der Quotient aus entnommener und eingeladener Energie und gibt nicht nur Auskunft über die Ladungsverluste, sondern auch über Spannungs- sowie thermische Verluste. Zudem kann man weitergehend den System- bzw. Gesamtwirkungsgrad bestimmen, der sich aus den Teilwirkungsgraden der verschiedenen Komponenten der Solaranlage zusammensetzt.

Generell entlädt sich ein Akku auch bei Nichtnutzung im Laufe der Zeit von selbst. Dieses Phänomen vermindert neben dem Ladungswirkungsgrad zusätzlich den Systemwirkungsgrad des Akkuspeichers. Die Selbstentladung ist stark temperaturabhängig und wird in Prozent pro Monat angegeben. Je niedriger die Lagertemperatur ausfällt, desto geringer ist häufig auch die Selbstentladung des Akkus.

Ladewirkungsgrad unterschiedlicher Stromspeicherarten
Stromspeicher Wirkungsgrad
Lithium-Ionen-Stromspeicher etwa 90 bis 95%
Blei-Akkuspeicher etwa 80 bis 85%
Redox-Flow-Batterie etwa 70 bis 80%

Stromspeicher-Wirkungsgrad bei AC- und DC-Kopplung

Ein wesentlicher Faktor, der den Gesamtwirkungsgrad des Stromspeicher-PV-Systems beeinflusst, ist die Art der Einbindung des Stromspeichers in das Hausstromnetz. Grundsätzlich unterscheidet man dabei einen Anschluss "nach" dem Wechselrichter der PV-Anlage im Wechselstromkreis des Hauses (AC-Kopplung) und einen Anschluss "vor" dem Wechselrichter im zwischengeschalteten Gleichstromkreis (DC-Kopplung).

AC-gekoppelte Systeme

Da eine Solarbatterie grundsätzlich Gleichstrom lädt, sind AC-gekoppelte Systeme zusätzlich mit einem Batteriewechselrichter ausgestattet, der den Wechselstrom zum Beladen der Solarbatterie in Gleichstrom wandelt. Zum Entladen wird der Batterie-Gleichstrom wieder in Wechselstrom gewandelt. Dies mindert den Wirkungsgrad des Stromspeichers, sodass in der Regel bei. z. B. Blei-Akkus nur ein Gesamtwirkungsgrad von etwa 75% erreicht wird.

Ein AC-System muss hingegen nicht zwingend mit der Solaranlage kompatibel sein. Der eigene Wechselrichter des Systems erlaubt auch die Kopplung mit einer anderen Energiequellen wie einem Blockheizkraftwerk. Tritt ein Fehler auf, fallen bei einem AC-System zudem nicht gleich PV-Anlage und Speicher aus.

AC-gekoppelte Stromspeicher besitzen zudem den Vorteil, dass man bei ihnen besser auf das Schwachlastverhalten optimieren könne, das für die Batterieentladung wichtig ist. Dies könne den Wirkungsgradverlust wieder mehr oder weniger ausgleichen.

DC-gekoppelte Systeme

DC-gekoppelte Systeme benötigen keinen Batteriewechselrichter, da sie direkt mit dem erzeugten Gleichstrom der Photovoltaik-Anlage beladen werden. Kein eigenes Gerät für die Stromumwandlung zu benötigen, verschafft dem DC-System den Vorteil, weniger Wandlungsstufen zu brauchen als ein AC-System.

Hierdurch ergibt sich ein höherer Speicher-Gesamtwirkungsgrad bei z. B. Lithium-Ionen-Akkus von bis zu 90%. In der Anfangsphase der Batteriespeichersysteme hieß es daher oft, dass DC-Systeme grundsätzlich effizienter seien, da bei ihnen Umwandlungsschritte eingespart werden.

Heute kann man aber nicht mehr pauschal sagen, DC- gekoppelte oder AC-gekoppelte Systeme effizienter seien, da im Praxisbetrieb viele weitere Parameter zusammenkommen, so dass keine eindeutige Aussage möglich ist.

Dies belegt auch der 2018 durchgeführte Vergleich der HTW-Berlin, in dem 16 Heimspeichersysteme entsprechend ihrer Effizienz nach dem System Performance Index bewertet wurden. Die Siegersysteme von Kostal und RCT Power sind zwar DC-gekoppelt, die Mittelwerte der in der Studie verglichenen AC-gekoppelten Speicher-Systeme und der DC-gekoppelten Systeme sind aber mit 88,1 Prozent identisch.

Weitere Einflussgrößen auf den Wirkungsgrad

Eigenverbrauch

Auch der Eigenverbrauch des Speichers - der Energiebedarf des Speichers im Betrieb und im Standby - hat Einfluss auf den Wirkungsgrad. Hauseigentümer sollten auf einen geringen Eigenverbrauch achten. Denn je geringer dieser ist, desto mehr Solarstrom steht für den späteren Hausgebrauch zur Verfügung.

Doch auch hier ist nur eine Schätzung möglich, da technische Faktoren und individuelles Nutzerverhalten den Eigenverbrauch beeinflussen. Letztlich ist er auch von der Speichergröße abhängig – Geräte mit großer Speicherkapazität brauchen mehr Energie als kleine Speicher.

Ein Beispiel: Der 6,5 Kilowattstunden große Speicher VARTA pulse 6 hat einen Eigenverbrauch von 15 Watt im Betrieb und 1,4 Watt im Standby-Modus. Der VARTA element 12 mit einer Speicherkapazität von 13 Kilowattstunden verbraucht im Betrieb rund 40 Watt, im Standby rund 11 Watt. Beide Speichersysteme erreichen damit sehr gute Eigenverbrauchswerte.

Regelgeschwindigkeit

Schließlich ist auch die Regelgeschwindigkeit ein Indiz für die Effizienz des Stromspeichers. Sie sollte möglichst niedrig sein. Mit der Regelgeschwindigkeit ist nämlich die Zeit gemeint, die von der Umstellung von Netzstrom auf Strom aus dem Speicher benötigt wird.

Schalten Hauseigentümer beispielsweise den Fernseher ein, wird dieser einige Sekunden lang mit Netzstrom versorgt, bevor der Strom aus dem Speicher übernimmt. Diese Sekunden werden in zwei Einheiten unterteilt:

  • die Totzeit und
  • die Einschwingzeit.

Mit ersterer ist die Reaktionszeit des Solarspeichers gemeint. Die Einschwingzeit gibt an, wie lange der Stromspeicher braucht, um auf die aktuell benötigte Leistung hochzufahren. Eine Regelgeschwindigkeit zwischen zwei und drei Sekunden gehört zu den Spitzenwerten auf dem Markt.

Einfluss des Speicher-Wirkungsgrades auf die Wirtschaftlichkeit

Angesichts der großen Unterschiede im Wirkungsgrad der Speichertechniken als auch der Speichereinbindung stellt sich die Frage, welches Stromspeicher-System wirtschaftlich besser ist, denn grundsätzlich gilt: Je größer der Anteil der zugeführten Energie, die mit dem Speichern verloren geht, desto höher die Stromspeicher-Kosten. Trotzdem verursachen auch die unterschiedlichen Systeme selbst unterschiedlich hohe Kosten.

Folgende Kostenpositionen sollten bei einer wirtschaftlichen Wirkungsgradbetrachtung eines Stromspeichersystems berücksichtigt werden.

  • Lithium-Ionen-Akkus haben zwar im Vergleich zu Blei-Akkus einen höheren Wirkungsgrad und weisen auch sonst vergleichsweise bessere Leistungsdaten für die Nutzung als Stromspeicher innerhalb einer Solaranlage auf, sie sind jedoch auch deutlich teurer als die Blei-Varianten. Unter Berücksichtigung von Zyklenzahl, Wirkungsgrad, Entladetiefe u.a.m. sind derzeitig erhältliche Li-Batterien bezogen auf die gesamte Nutzungsdauer jedoch kostengünstiger.
  • DC-gekoppelte Systeme benötigen keinen Batteriewechselrichter, was die Kosten senkt. Zudem ist auch die Montage eines DC-gekoppelten Stromspeichers daher günstiger als ein AC-Variante. Bei einer nachträglichen Installation eines DC-gekoppelten Stromspeichers muss der Wechselrichter der PV-Anlage allerdings getauscht werden. Dies ist bei AC-gekoppelten Systemen nicht nötig und erhöht wiederum die Kosten.
  • Der niedrigere Wirkungsgrad einer AC-Kopplung kann dazu führen, dass dieser Strom hinzugekauft werden muss, was die Betriebskosten neben dem niedrigeren Wirkungsgrad wiederum erhöht.

Letztlich kann man nicht pauschal sagen, welches Stromspeichersystem in Abhängigkeit des Wirkungsgrades wirtschaftlich günstiger ist. Hier sollte man im Einzelfall vorab eine individuelle Gesamtkostenrechnung anstrengen und alle o.g. Faktoren mit einbeziehen. Entsprechende Berechnungen werden teilweise auch vom Stromspeicher-Anbieter angeboten.

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