Der Ausbau der Solarleistung hat sich im Jahr 2023 im Vergleich zum Vorjahr nahezu verdoppelt, so die Bundesnetzagentur. Hierbei leisten private Anlagen einen erheblichen Anteil: Ende 2023 betrug die installierte Gesamtleistung in Deutschland bereits 81,7 GW und soll bis 2030 auf 215 GW steigen. In einigen Regionen werden jedoch aktuell Photovoltaikzubauten eingeschränkt, um Netzengpässe zu vermeiden. Zudem unterliegt Solarenergie erheblichen saisonalen Schwankungen. An dieser Stelle kommen Langzeit-Stromspeicher für Gebäude ins Spiel, deren Bedeutung im Zusammenhang mit Photovoltaik betrachtet wird.
Saisonale Schwankungen ausgleichen
Um die Schwankungen der Solarenergie im Laufe eines Jahres auszugleichen, bedarf es weiterer Maßnahmen, wie aus den Daten des Jahres 2022 hervorgeht, schlägt Nils Boenigk vor, der die Unternehmenskommunikation der HPS Home Power Solutions AG aus Berlin leitet. Er sagt: „Während der Sommermonate decken Photovoltaikanlagen etwa 20 % des deutschen Strombedarfs ab, jedoch nur etwa 2 % im Januar.“ Die Gründe hierfür liegen auf der Hand: Im Sommer produzieren Solaranlagen häufig mehr Strom, als benötigt wird, was zu Abregelungen führt. Im Winter hingegen ist die Sonneneinstrahlung deutlich geringer, wobei von November bis Februar insgesamt nur so viel Sonne scheint wie beispielsweise im Sommermonat Juli. In diesen vier Monaten beträgt die Sonneneinstrahlung lediglich 13 % des Jahresaufkommens, wobei gleichzeitig der Strombedarf, beispielsweise durch die Nutzung von Wärmepumpen und Elektroautos, steigt. Dies führt dazu, dass fossile Reservekraftwerke einspringen müssen, wodurch die CO₂-Belastung im deutschen Strommix erhöht wird.
Um diese „Winterstromlücke“ zu schließen, sind mehr Flexibilität und vor allem saisonale Speicher erforderlich. Herkömmliche Batteriespeicher können lediglich Strom für wenige Tage liefern. Da die Sonneneinstrahlung für die Wintermonate nicht ausreicht, um den Strombedarf zu decken, können Langzeit-Stromspeicher eine geeignete Lösung bieten, um den Überschussstrom der Photovoltaikanlagen im Sommer zu speichern, um ihn im Winter zu nutzen. Hier kommt die Verwendung von Wasserstoff ins Spiel, denn er eröffnet die Möglichkeit, deutlich höhere Speicherkapazitäten zu nutzen, als sie konventionelle Batteriespeicher bieten. Wasserstoff-Langzeit-Stromspeicher können Gebäude auch im Winter mit Solarstrom vom eigenen Dach versorgen, so Boenigk. Er erklärt: „Zunächst wird der erzeugte Solarstrom direkt genutzt, um den Bedarf des Gebäudes zu decken. Der überschüssige Photovoltaikstrom wird im Sommer mittels Elektrolyse in grünen Wasserstoff umgewandelt und gespeichert. Im Winter erfolgt die Stromversorgung des Gebäudes durch die Rückverstromung des Wasserstoffs über eine Brennstoffzelle.“ Der Prozess der Speicherung und Nutzung erfolgt vollständig ohne Emissionen. Langzeit-Stromspeicher in Gebäuden lassen sich schnell installieren, erfordern keine Genehmigung und sind bereits heute auf dem Markt verfügbar, sagt Boenigk.
Früher wurde Strom hauptsächlich in großen Kraftwerken erzeugt und von dort zu den Verbrauchern transportiert. Mit der Installation von Windrädern sowie gewerblichen und privaten Photovoltaikanlagen wird die Stromerzeugung jedoch dezentralisiert und volatiler, was erhebliche Auswirkungen auf die Stromnetze hat. Lokale Niederspannungsnetze, an die zumeist Gebäude und Quartiere angeschlossen sind, spielen dabei eine entscheidende Rolle. Der Netzausbaubedarf könnte durch Langzeit-Stromspeicher abgemildert werden, denn sie können in den Gebäuden als Puffer für das Stromnetz fungieren, so Boenigk.
Bild: HPS
Der Langzeit-Stromspeicher Picea von der Home Power Solutions AG
Vor dem Hintergrund der sich wandelnden Struktur der Stromerzeugung können Langzeit-Stromspeicher, wie der weltweit erste Langzeit-Stromspeicher für Gebäude, der aus einem Wasserstoffspeicher und einem klassischen Batteriespeicher besteht, eine attraktive Lösung bieten, hebt er hervor und führt aus: „Eine solche Kombination beider Speicher ermöglicht eine ganzjährige Nutzung des Solarstroms. Unsere hierfür von HPS entwickelte Lösung nennt sich Picea und wurde bereits mehr als 500-mal verkauft.“
Dies funktioniert folgendermaßen: Überschüssiger Solarstrom im Sommer wird in grünen Wasserstoff umgewandelt, der dann im Winter mittels einer Brennstoffzelle rückverstromt wird. Boenigk erklärt: „Der Langzeit-Stromspeicher Picea bietet eine mehr als 100-fach höhere Speicherkapazität im Vergleich zu herkömmlichen Batteriespeichern – und das ohne große Umwandlungsverluste über den gesamten saisonalen Speicherzyklus.“ Zudem wird bei der Erzeugung von Strom aus Wasserstoff mittels Brennstoffzelle Wärme freigesetzt. Diese Abwärme kann die Wärmeversorgung des Hauses unterstützen, da diese sowohl zur Brauch- als auch zur Heizungswassererwärmung verwendet werden kann. Hierdurch wird ein Gesamtnutzungsgrad von rund 90 % erreicht, wodurch Picea zwar die Heizlast eines Gebäudes reduzieren, jedoch keine Heizung ersetzen kann.
Energiezentrale und Wasserstoffspeicher
Die Energiezentrale und der Wasserstoffspeicher bilden die zwei Hauptkomponenten des Systems, wobei die Energiezentrale eine Fläche von etwa 1,62 m2 im Haus beansprucht. Sie beinhaltet eine Batterie als Kurzzeitspeicher, eine Brennstoffzelle, einen Elektrolyseur, ein Lüftungsgerät, einen Wechselrichter, eine Ersatzstromfunktion und das Energiemanagement.
Der Wasserstoffspeicher wird außerhalb des Hauses platziert und benötigt, je nach Speichergröße, mindestens 3 m2. Er ermöglicht die saisonale Langzeitspeicherung von Solarstrom mit einer Kapazität von mindestens 300 Kilowattstunden elektrisch (kWh el). Die Speichereinheiten können auf eine Gesamtkapazität von bis zu 1500 kWh el erweitert werden. Durch den Einsatz von Picea vermeidet ein Haushalt jährlich etwa 3 t CO₂-Emissionen. Das entspricht einer Menge Treibhausgas, die jährlich von rund 130 Fichten gebunden wird.
Bild: HPS
Lösung für Service und Wartung
Die Modularität von Picea erleichtert Service und Wartung, da die einzelnen Komponenten durch jede Standardkellertür passen und in nahezu allen Neu- und Bestandsbauten installiert werden können, erläutert Boenigk und sagt: „Die niedrige Bauhöhe erlaubt den Einbau ab einer freien Deckenhöhe von 1,90 m. Standardisierte Rohre, Leitungen und Schnittstellen machen Service und Wartung einfach und schnell durchführbar.“ Die Anschlüsse für Photovoltaik, Luft- und Wasserversorgung sowie die elektrischen Anschlüsse befinden sich auf der Oberseite, wodurch ein seitlicher Zugang nicht erforderlich ist. „Die Anlage verfügt über Schnittstellen für Luft, Wasser und Strom, ähnlich wie bei einer Wärmepumpe, wodurch Fachhandwerksbetrieben die Installation und Wartung erleichtert wird. Derzeit sind wir übrigens auf der Suche nach weiteren starken Installationsbetrieben, die vor Ort Picea vertreiben und installieren möchten“, erklärt er.
Das System ist nicht nur für den Einsatz in Wohn-, sondern auch in Gewerbeimmobilien konzipiert. Boenigk erklärt: „Durch den modularen Aufbau können mehrere Picea-Systeme zu einer Multi-Picea kombiniert werden, was nicht nur die Speicherkapazität, sondern auch die Leistungsfähigkeit erhöht. Bereits Ende 2021 haben wir ein Multi-Picea-System erfolgreich in einer Gewerbeimmobilie in Meckenheim installiert.“ Damit betreibt die Josef Küpper Söhne GmbH die bundesweit erste Gewerbeimmobilie mit einer Anlage dieser Art: Fünf Picea-Systeme speichern den überschüssigen Solarstrom der auf dem Dach und in der Fassade installierten 98-kWp-Solarmodule. Hierdurch kann das Unternehmen seinen Strom- und Wärmebedarf auch im Winter decken.
Eine übergeordnete Steuerungs- und Energiemanagementeinheit, die als „Förster“ bezeichnet wird, stellt die Kommunikation zwischen den einzelnen Picea-Modulen her, verteilt die Energie gleichmäßig und erfasst die Energieflüsse des Gebäudes. Auf diese Weise ermöglicht sie das gemeinsame Zusammenwirken der einzelnen Systeme in einer Anwendung und beim Einsatz einer Multi-Picea-Lösung kann sie bis zu neun Module steuern. „Das intelligente und übergeordnete Energiemanagement ermöglicht die Speicherung der Solarenergie im Sommer, die Stromabgabe im Winter sowie die optimale Verteilung auf die einzelnen Anlagen – und garantiert somit zugleich die Langlebigkeit der einzelnen Module“, fasst Boenigk zusammen.
Großes Potenzial für den Einsatz von Langzeit-Stromspeichern in Gebäuden
Diese vielfältigen Möglichkeiten eröffnen ein gewaltiges Potenzial für den Einsatz von wasserstoffbasierten Heimspeichersystemen, denn immerhin gibt es in Deutschland rund 16 Millionen Ein- und Zweifamilienhäuser, die Energie benötigen, so Boenigk. Seinen Angaben zufolge beziffert das Statistische Bundesamt den jährlichen Zubau auf mehr als 100.000 Eigenheime sowie rund 160.000 Häuser im Bestand, in denen umfangreiche Sanierungsmaßnahmen erfolgen werden (Stand 2021). Er erklärt: „Es gibt attraktive Förderprogramme für Picea-Käufer, unter den auch der Nullsteuersatz für den Kauf seit dem 1. Januar 2023 sowie der Fördermittelzuschuss durch die ‚Bundesförderung für effiziente Gebäude‘ (BEG) im Bestandsbau fällt.“
Es ist zweifellos sinnvoll, wenn Verbraucher ihre sichere, unabhängige und klimaneutrale Energieversorgung selbst in die Hand nehmen und aktiv zum Erreichen der Klimaziele beitragen können. „Mit dem Dream-Team der Energiewende – der Kombination von PV-Anlagen mit Wärmepumpen und einem Langzeit-Stromspeicher – erreichen Verbraucher ein hohes Maß an Eigenversorgung. Langzeit-Stromspeichersysteme für Gebäude auf Basis von grünem Wasserstoff werden somit in den nächsten Jahren stark an Bedeutung gewinnen“, sagt Boenigk.
So ehrgeizig das Ziel der Bundesregierung auch ist, bis zum Jahr 2030 mindestens 80 % des verbrauchten Stroms in Deutschland aus erneuerbaren Energien zu beziehen, so wichtig werden gleichzeitig innovative Lösungen, um volatilen Solarstrom zur Verfügung zu stellen, wenn er gebraucht wird, und das ist insbesondere im Winter der Fall. Die dezentrale Verwendung von Wasserstoff in der Gebäudetechnik kann somit ein Baustein sein, um Nutzer mittels Solarstrom gegen Strompreiserhöhungen und auch Stromausfälle zu wappnen und einen gewichtigen Beitrag zur Energiewende zu leisten.
