Elektrisierende Möglichkeiten

Aufgrund der jahres- und tageszeitlich bedingten Schwankungen bei der Sonnenstrahlung sind Stromspeicher notwendig, um den erzeugten Strom für den Eigenverbrauch zeitversetzt zu nutzen und die Stromnetze zu entlasten. Für Anlagenbetreiber von Photovoltaikanlagen wird die Erhöhung des Eigenverbrauchs aufgrund der reduzierten Einspeisevergütung für Solarstrom durch das EEG, aufgrund regelmäßiger Strompreiserhöhungen und nicht zuletzt wegen gesunkener Investitionskosten immer interessanter.

Bleigelbatterien sind wartungsfreundlicher

Die Batterien, die in PV-Anlagen eingesetzt werden, basieren auf Blei- und Lithiumtechnologie. Bleisäurebatterien werden seit Jahren in der Industrie und im Fahrzeugbau eingesetzt. In jüngster Zeit werden auch Bleigelbatterien verwendet. Im Vergleich zu Bleisäurebatterien sind diese teurer, aber wartungsfreundlicher. Der Trend geht jedoch eindeutig zu Lithiumbatterien. Diese haben eine höhere Nutzkapazität, höhere Lebensdauer und sind im Vergleich zu Bleibatterien kostengünstiger.

In Regionen mit einem ausgebauten Stromnetz sind Hochvoltbatterien einsatzfähig. Die hohe Energiedichte bei diesen Batterien kann jedoch in engen Räumen zu Kurzschlüssen und Bränden führen. Mit Hochdruck wird daher mit neuen Materialien geforscht, die keine ungewollten Reaktionen auslösen und die Herstellkosten senken. Bei den Hochvoltbatterien werden vorwiegend Metall-Hybrid-Batterien und teilweise Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt. Einzelne Zellen in den Modulen dieser Batterien werden mit einer Spannung von 1 bis 2 Volt in Reihe geschaltet. Die Summe führt so zur benötigten Hochvoltspannung.

Diese Batterien ermöglichen einen Systemaufbau mit geringeren Verlusten und sind kostengünstiger im Vergleich zu Niedervoltsystemen. Durch die Möglichkeit bei der Verschaltung in unterschiedliche Strings (so werden mehrere in Reihen geschaltete Solarzellen eines Moduls bezeichnet) bei PV-Anlagen mit Ost-West-Ausrichtung sowie bei tageszeitlich teilverschatteten Dächern können beim Einsatz der Hochvoltbatterien höhere Erträge erzielt werden.

Dimensionierung von Photovoltaikspeichern

Durch die Kombination PV-Anlage mit Stromspeicherung kann ein höherer Anteil der erzeugten Energie direkt genutzt werden. Der Strombezug aus dem Netz reduziert sich. Bei der Planung von PV-Batterien müssen Daten für die Systemauslegung ermittelt werden. Wichtige Größen sind dabei der Strombedarf, der Eigenverbrauchsanteil und der Autarkiegrad (Autarkiegrad [%] = eigenverbrauchter Solarstrom / Gesamtstromverbrauch). Der Eigenverbrauchsanteil wie auch der Autarkiegrad werden durch die Größe der Photovoltaikanlage, die Größe des Stromspeichers und den jährlichen Stromverbrauch bestimmt. Der Eigenverbrauchsanteil ist der Anteil des Stromes, der zeitgleich zum erzeugten Strom verbraucht wird. Der Autarkiegrad gibt an, zu welchem Anteil sich ein Haushalt selbst mit Strom aus der eigenen PV-Anlage versorgen kann. Ein Autarkiegrad von 100 % würde also bedeuten, dass sich ein Haushalt vollkommen vom Netzbetreiber abkoppeln könnte, um sich selbst mit Strom zu versorgen.

Sicherheitsrelevante Gesichtspunkte

Die Sicherheitsanforderungen von Blei- und Lithium-Ionen-Speichern unterscheiden sich. Bei Bleispeichern muss der Aufstellraum ausreichend belüftet werden, da Gase wie Wasserstoff entstehen können. Bei Lithium-Ionen-Speichern besteht dagegen die Gefahr einer Überladung.

Das Thema Sicherheit von Hausspeichern wurde in der Fachpresse kontrovers diskutiert. Der Bundesverband Solarwirtschaft (BSW-Solar), der Bundesverband Energiespeicher (BVES), der Verein StoREgio Energiespeichersysteme, der Zentralverband der Deutschen Elektro- und Informationstechnischen Handwerke (ZVEH) sowie die Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie (DGS) veröffentlichen diesbezüglich einen gemeinsamen Leitfaden zur Sicherheit von Lithium-Ionen-Hausspeichern. Nach Angaben der Verbände stellt dieser Leitfaden keine Norm dar, sondern ergänzt den aktuellen Stand der Technik. Er ist als Empfehlung gedacht, bis der Normungsprozess für die Herstellung und den Betrieb von Speichersystemen abgeschlossen ist.

Wo liegen die Speicherkosten?

Diplom-Ingenieur (FH) Alois Elsner, Sachverständiger für PV-Anlagen, hat online einen System-Speicherkostenvergleich veröffentlicht. Bei der Bewertung wurden Anschaffungskosten, Lebensdauer und Nutzkapazität der verschiedenen Batteriearten miteinander verglichen. Der Stromspeicher mit der Technologie Lithium-Eisen-Phosphat kostet zwar in der Anschaffung am meisten, hat aber die geringsten Speicherkosten.

Derzeit produziert eine Vielzahl an Batterieherstellern für den Markt. Durch den Einstieg der Autokonzerne Mercedes-Benz und Tesla in das Geschäft der Stromspeicher werden weitere Kostensenkungen und Neuentwicklungen bei den Stromspeichern erwartet. Ausgediente und recycelte Lithium-Ionen-Batterien aus Elektrofahrzeugen können für stationäre Stromspeicher eine zweite Anwendung finden. Batterien sind in Fahrzeugen großen Schwankungen und Vibrationen ausgesetzt, als zweite Anwendung in PV-Anlagen, bei denen die Batterien in der Regel in Kellern mit gleichbleibenden Temperaturen aufgestellt werden, können sie weiter eingesetzt werden.

Marktentwicklung im Auge behalten

Je mehr aufbereitete Batterien auf den Markt kommen, desto stärker werden sie die Energiebilanz beeinflussen. Der von Tesla auf den Markt gebrachte Powerwall soll nach eigenen Angaben für 570 Euro pro kWh verkauft werden. Laut Ökotest 5/2016 gibt das Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) RWTH Aachen einen Durchschnittspreis von 1000 Euro pro kWh an und ist damit doppelt so teuer. Tesla geht bei seinen Preisangaben davon aus, dass Lithiumbatterien für Elektroautos und Heimspeicher bald in großen Mengen produziert werden.

Die Einbringung des Stromspeichers ist auf der Wechselstrom- (AC) sowie auf der Gleichstromseite (DC) möglich. Stromspeicher auf der AC-Seite werden nach dem Wechselrichter in der PV-Anlage eingebracht und sind somit unabhängig von den PV-Systemen. Bei der AC-Anordnung ist eine doppelte Umformung des Stromes erforderlich, was zu höheren Verlusten führt. DC-gekoppelte Stromspeicher sind vor dem PV-Wechselrichter angeordnet. Diese Anordnung ist effizient, jedoch mit einer geringeren Flexibilität bei der Auslegung und Standortwahl. Bei Neuanlagen wird in der Regel die DC-Kopplung gewählt.

PV-Strom zur Wärmeversorgung

Nicht nur zur Stromversorgung, auch zur Wärmeversorgung wird die Speicherung von PV-Strom in Zukunft größere Bedeutung haben – Stichwort: Power to Heat. Bei einem Stromüberschuss kann zum Beispiel eine Wärmepumpe damit betrieben werden. Für Wärmepumpen, deren Regelungstechnik die Einbindung in ein intelligentes Stromnetz ermöglicht, wird vom Bundesverband Wärmepumpe (BWP) das „SG Ready-Label“ verliehen. Eingebunden in sogenannte Smart Grids (intelligente Stromnetze) unterstützen diese Wärmepumpen das Zusammenspiel von Energieangebot und Energienachfrage und damit auch die Ansteuerung von Wärmepumpen. Mehrere hundert Wärmepumpenmodelle wurden als Smart-Grid-fähig ausgezeichnet.

Durch den SG-Ready-Standard werden die Heizungswarmepumpen-Sperren durch Energieversorgungsunternehmen um eine zusätzliche Klemme erweitert. Dank zwei digitaler Kontakte können vier Zustände gesteuert werden. Diese sind: teurer Strom, Normaltarif, günstiger Strom und kostenloser Strom. Liegt ein Überschuss an Photovoltaikstrom an, ist es somit einfach möglich, Heizkurven um einen Punkt anzuheben oder die Raumtemperaturen um ein Kelvin anzuheben, um die gesamte Gebäudemasse als thermischen Speicher zu nutzen. Außerdem kann zusätzlich die Warmwassertemperatur im Speicher weiter angehoben werden. Die Techniken, um sich mit einer Photovoltaikanlage an den SG-Ready-Kontakt anzubinden, sind laut PV-Fachpresse mit heutigen Wechselrichtern und Energiemanagement-Systemen bereits gegeben.

Zukünftig sollen nach Ankündigungen von Stromspeicherherstellern und Ökostromanbietern tausende Stromspeicher zu einem virtuellen Großspeicher vernetzt werden können. Bei Stromüberschuss im Netz könnte dieser in Tausende dezentrale Kleinspeicher zwischengespeichert werden. Die Besitzer der Stromspeicher würden dann vom kostenlosen Hausstrom profitieren.

Ausblick

Um die Ziele des Klimaschutzplans 2050 zu erreichen, hat auch die Speicherung von Solarstrom eine große Wichtigkeit. Stromspeicher werden notwendig, um die zeitliche Spanne zwischen Stromerzeugung und -verbrauch zu überbrücken. Die Entwicklung dieser Stromspeicher erfolgte in den letzten Jahren auf Hochdruck. Mittlerweile gibt es über hundert Stromspeicherhersteller. Intelligente Stromnetze, Smart-Grid-Funktion der Stromspeicher und Smart-Home-Steuerungen werden zukünftig an Bedeutung gewinnen, um die Stromüberschüsse optimal zu nutzen.

Um Anlagenbetreibern Hilfestellungen in dem Informationsdschungel und Vergleichbarkeit der einzelnen Stromspeicher zu bieten, arbeiten Fachleute derzeit an einem Branchen-Leitfaden, der demnächst veröffentlicht werden soll.

Definition Smart Grid

Der Begriff intelligentes Stromnetz (englisch smart Grid) umfasst die kommunikative Vernetzung und Steuerung von Stromerzeugern, Speichern, elektrischen Verbrauchern und Netzbetriebsmitteln in Energieübertragungs- und Verteilungsnetzen der Elektrizitätsversorgung. Stromspeicher mit Smart-Grid-Funktion bieten eine hohe Flexibilität und sind zukunftsfähig ausgelegt.

Speichern mit Smart-Grid-Schnittstelle können vom Stromnetzbetreiber direkt angesteuert werden und entlasten somit das Stromnetz. Zu der Smart-Grid-Funktion für Stromspeicher gewinnt die Smart-Home-Steuerung eine größere Bedeutung. Die Verbraucher können an das integrierte Lastmanagement angeschlossen, überwacht und somit energiesparend angesteuert werden. Dadurch können Stromüberschüsse von PV-Anlagen zum Betreiben von Wärmepumpen, Beladen von Elektrofahrzeugen und weiteren Stromverbrauchern verwendet werden.

(Quelle: Wikipedia)

Förderung nicht vergessen

Photovoltaikstromspeicher werden bis zum 31.12.2018 finanziell gefördert, vor allem kleine bis mittelgroße Photovoltaikanlagen bis 30 kWp. Besitzer von Photovoltaikanlagen können die hohen Anschaffungskosten der Stromspeicher mit einem zinsgünstigen Kredit zu 100 % finanzieren. Zusätzlich gibt es von der KfW-Bank einen Tilgungszuschuss. Diese Förderung läuft bis Ende 2018, der Tilgungszuschuss sinkt aber in halbjährlichen Schritten, angepasst an die sinkenden Kosten für Solarstromspeicher.

www.kfw.de

Technische Eigenschaften von Speichern

• Zyklenfestigkeit
• Lebensdauer
• Entladetiefe
• Degradationsverhalten
• Lagertemperatur
• Entnahmeleistung
• Ladeleistung
• Kompatibilität zu einer bestehenden PV-Anlage
• Erweiterungsmöglichkeit
• Fernwartung
• Onlineabfrage und Apps
• Kapazität
• Wirkungsgrad
• Energiedichte
• Einzelüberwachung jeder Zelle

(Quelle: Alois Elsner 2016)

Optimale Dimensionierung

In Simulationsberechnungen der HTW Berlin (Hochschule für Technik und Wirtschaft) wurden die Zusammenhänge von Eigenverbrauchsanteil, Autarkiegrad, Strombedarf und die Größe der PV-Anlage mit der nutzbaren Speicherkapazität ermittelt. Die Grafik zeigt: „Eigenverbrauchsanteil (links) und Autarkiegrad (rechts) in Abhängigkeit der nutzbaren Speicherkapazität und PV-Leistung, jeweils normiert auf den Jahresstrombedarf in MWh. Durch die Normierung lassen sich die Bewertungsgrößen für Haushalte je nach der Höhe des Jahresstrombedarfs abschätzen.

Wird zusätzlich ein Batteriespeicher mit einer nutzbaren Speicherkapazität auf über 1,5 kWh/MWh) installiert, kann der Eigenverbrauchsanteil auf 60 % und der Autarkiegrad auf 55 % gesteigert werden. Eine Vergrößerung der Speicherkapazität auf über 1,5 kWh würde den Eigenverbrauchsanteil und Autarkiegrad nur noch wenig steigern. Dies ist darauf zurückzuführen, dass größere Batteriespeicher in der Nacht nicht vollständig entladen werden. Um hohe Autarkiegrade zu erzielen, ist es aus energetischer Sicht sinnvoll, je 1 kWp PV-Leistung eine nutzbare Speicherkapazität von 1 kWp zu installieren. Allerdings ist bei steigendem Autarkiegrad dessen Vergrößerung mit zunehmendem Aufwand verbunden. Um den Autarkiegrad von 55 % auf 75 % zu steigern, muss sowohl die PV-Leistung auf 2 kWp/MWh als auch die Speicherkapazität auf 2 kWh/MWh verdoppelt werden.

Aus dem Verlauf der Linien gleichen Autarkiegrades wird auch deutlich, dass eine nutzbare Speicherkapazität über 2 kWp pro kWp PV-Leistung keine Steigerung des Autarkiegrades zur Folge hat. Aus dieser energetischen Betrachtung können somit Grenzen der sinnvollen Dimensionierung von PV-Speichersystemen abgeleitet werden.“

Weitere Informationen zur Dimensionierung unter www.volker-quaschning.de.

Dipl.-Ing. (FH) Margarete Adams ist beim Fachverband Sanitär-Heizung-Klima Baden-Württemberg zuständig für Technik/Umweltschutz. www.fvshkbw.de