Eine Photovoltaik-Anlage produziert tagsüber jede Menge Solarstrom. Doch in den meisten Haushalten ist der Stromverbrauch am Abend am höchsten. Mit einem PV-Speicher gelingt es, tagsüber den überschüssigen Solarstrom der Photovoltaik-Anlage in Batterien zu speichern und abends im Haushalt zu verbrauchen. Damit steigern Batterie-Speicher den Solarstrom-Eigenverbrauch aus der Photovoltaikanlage und sparen Energiekosten ein.
PV-Speicher können Solarstrom aus Photovoltaik-Anlagen effizient zwischenspeichern. Zu den besonders leistungsstarken Kurzzeitspeichern zählen Batterien. In Kombination mit einem Energiemanagement-System können diese Stromspeicher dafür sorgen, dass PV-Anlagen-Besitzer:innen den Überschuss ihrer Solaranlage optimal zeitversetzt nutzen können. Damit können sie ihrer Energiekosten reduzieren und tragen zudem zu einer Entlastung des Stromnetzes bei. Denn je höher der PV-Eigenverbrauch ausfällt, desto weniger Strom muss eine netzgekoppelte PV-Anlage in das Stromnetz einspeisen.
PV-Speicher steigern Eigenverbrauch
Die Steigerung des Eigenverbrauchs der PV-Anlage trägt auch wesentlich zur Wirtschaftlichkeit der eigenen Stromerzeugung bei. Denn die Einspeisevergütung für Solarstrom ist heute deutlich geringer als die Kosten einer Kilowattstunde Strom aus dem Netz. Je mehr Eigenverbrauch und desto weniger Strombezug zahlt sich also auch in barer Münze aus. Während eine typische Photovoltaik-Anlage auf einen Solarstrom-Eigenverbrauch von 30 Prozent kommt, steigt der Batteriespeicher den Eigenverbrauch auf bis zu 70 Prozent. Als Faustregel gilt: Der PV-Speicher sollte pro Kilowatt Leistung der Solarstromanlage eine Kilowattstunde Speicherkapazität haben. Da sich PV-Speicher nur lohnen, wenn auch ausreichend Solarstromüberschüsse vorhanden sind, sollte die Leistung der Photovoltaik-Anlage mindestens 0,5 Kilowatt pro 1000 Kilowattstunden Stromverbrauch im Haushalt betragen. Mit einem modernen Photovoltaik-Speicher ist nicht nur die Neuinstallation aus Speicher und Photovoltaik-Anlage möglich, genauso gut gelingt die Nachrüstung für bestehende PV-Anlagen.
Welche Arten von PV-Speichern gibt es
Stromspeicher für die Photovoltaik enthalten heute meistens Lithium-Ionen-Batterien. Noch vor kurzem spielten auch die lange erprobt Blei-Batterien eine Rolle auf dem Markt. Vor allem ihr günstiger Preis machte sie wettbewerbsfähig. Doch mittlerweile sind in Zuge der Massenfertigung die Preise für Lithiumbatterien so weit gesunken, dass sie den Markt dominieren. Denn sie bieten langfristig mehr Ladezyklen, sie haben also eine längere Lebensdauer. Als PV-Speicher haben sich zwei unterschiedliche Lithiumbatterien bewährt: Li-NMC und Li-FePO4. Alternativen zur Lithium-Ionen-Batterie sind Salzwasserbatterien, Redox-Flow-Systeme und Nickel-Metallhydrid-Batterien.
Li-NMC: Batteriespeicher mit hoher Energiedichte
Batteriespeicher aus Li-NMC haben eine besonders hohe Energiedichte. Das ist der Grund, warum Li-NMC in den meisten Elektroautos zu finden ist. Ein Nachteil von Li-NMC ist, dass es zu einem „thermischen Runaway“ kommen kann, wenn zum Beispiel der Separator nicht perfekt gefertigt ist oder es infolge einer Tiefentladung zu Mikrokurzschlüssen kommt. NMC steht für die Metalle Nickel, Mangan und Kobalt. Insbesondere der Kobaltabbau steht in dem Ruf nicht besonders sozial und umweltfreudlich zu sein.
Li-FePO4: Gut geeignet für Photovoltaik-Speicher
Batteriespeicher aus Li-FePO4 sind wegen der geringeren Energiedichte ein wenig schwerer und größer als Li-NMC-Batterien. Das spielt bei stationären Anwendungen wie bei der Photovoltaik aber keine große Rolle. Li-FePO4 hat eine gute thermische Stabilität und neigt weniger zum „thermischen Runaway“. FePO4 steht für Eisenphosphat. Dieses Material ist umweltfreundlich und gut verfügbar.
Salzwasserbatterie: Lithiumfreie Alternative
Salzwasserbatterien kann man tiefentladen, ohne dass sie Schaden nehmen. Blei-Akkus und Lithium-Batterien darf man hingegen nicht ganz entladen. Bei Lithium-Batterien sollte zum Beispiel das Entladen immer nur maximal 80 Prozent der möglichen Energiemenge betragen. Ansonsten droht ein Einbrechen der Kapazität. Nachteilig ist die geringe Speicherdichte der Salzwasserbatterie. Ein „thermischer Runaway“ ist bei der Salzwasserbatterie wegen des wässrigen Elektrolyten nicht möglich.
Nickel-Metallhydrid-Batterie
Auch die Nickel-Metallhydrid-Batterie enthält wie die Salzwasserbatterie einen nicht brennbaren Elektrolyten und verträgt Tiefentladungen und auch Überladungen. Nachteilig ist, das dieser Batterietyp zum Memory-Effekt neigt. Da die Zellspannung nur 1,2 Volt beträgt, sind bei gleicher Batteriespannung mehr Batteriezellen nötig als bei Lithium-Ionen-Batterien. Auerdem enthalten auch Nickel-Metallhydrid-Batterien knappe Rohstoffe wie seltene Erden.
Redox-Flow-Batterie: Als Langzeitspeicher geeignet
Bei der Redox-Flow-Batterie befinden sich der Anoden- und der Kathodenraum in räumlich getrennten Behältern. Dadurch kann es nicht zu einer Selbstentladung kommen. Lithium-Batterien verlieren zum Beispiel drei Prozent ihrer Kapazität pro Monat, wenn sie einfach nur unbenutzt lagern. Redox-Flow-Batterien haben bauartbedingt die geringste Speicherdichte. Besonders kleine Batterien dieses Typs, wie man sie für häusliche PV-Speicher braucht, sind auch noch sehr teuer.
Aufbau eines PV-Speichers
Eine Alternative zur Lithiumbatterie ist die Salzwasserbatterie, in der Natrium anstelle von Lithium als Speichermedium steckt. Der Vorteil ist, dass Natrium als Bestandteil des Kochsalzes praktisch unbegrenzt zur Verfügung steht. Die Lithiumvorkommen sind hingegen begrenzt und der Lithiumabbau geht zum Teil mit Umweltschäden einher. Daher gilt die Salzwasserbatterie als besonders umweltfreundlicher PV-Speicher.
Ein Solarspeicher besteht neben der Batterie aus weiteren Komponenten:
- Batteriemanagementsystem
- Batterie-Wechselrichter/Laderegler
- Energiemanagementsystem
Batteriemanagementsystem
Das Batteriemanagementsystem ist eine integrierte Elektronik, die dafür sorgt, dass sich der Ladezustand aller Zellen in einem Batteriespeicher aneinander angleicht. Außerdem überwacht es die Zellen. Wenn einzelne Zellen die Maximalspannung überschreiten oder die Minimalspannung unterschreiten, kann das Batteriemanagementsystem den PV-Speicher rechtzeitig abschalten, bevor gefährliche Zustände erreicht sind, die zum „thermischen Runaway“ führen könnten.
Batterie-Wechselrichter/Laderegler
Der Batterie-Wechselrichter wandelt den Gleichstrom aus der Batterie in nutzbaren Wechselstrom um. Grundsätzlich gibt es drei Topologien zur Anbindung eines Photovoltaik-Speichers. Bei AC-gekoppelten Systemen wird der Wechselstrom nach dem PV-Wechselrichter über den Laderegler zum Laden in Gleichstrom umgewandelt. PV-Generatorgekoppelte Systeme speisen den Gleichstrom der Photovoltaik-Anlage direkt in den Speicher ein. Bei DC-gekoppelten Systemen wird der Gleichstrom nicht vor dem PV-Wechselrichter sondern nach dem MPP-Tracker zum Speichern verwendet. PV-Generatorgekoppelte Systeme und AC-gekoppelte Systeme benötigen einen konventionellen PV-Wechselrichter. Bei DC-gekoppelten Systemen übernimmt ein Hybrid-Wechselrichter sowohl die Umwandlung des PV- als auch des Batterie-Gleichstromes.
Die Topologien haben Vor- und Nachteile. Für die Nachrüstung bei einer bestehenden Photovoltaik-Anlage eignen sich eher AC-gekoppelte Systeme. Diese Systeme sind außerdem dann effizienter, wenn der Batteriespeicher nicht seine volle Leistung sondern nur eine Teilleistung erbringt. Bei DC-gekoppelten Systemen entfällt ein Umwandlungsschritt und damit Umwandlungsverluste.
Energiemanagementsystem für Photovoltaikanlage mit Speicher
Das intelligente Energiemanagementsystem ist ein wesentlicher Bestandteil bei einem Photovoltaik-Speicher. Es kontrolliert das Aufladen der Batterie oder auch die Einspeisung ins öffentliche Stromnetz. Scheint die Sonne intensiv, geht der Solarstrom primär in den Eigenverbrauch. Wird mehr Energie als dafür nötig gewonnen, wird gleichzeitig die Batterie aufgeladen. Erst wenn die Batterie vollständig aufgeladen wurde, speist die Photovoltaik-Anlage den Solarstrom ins öffentliche Stromnetz ein.
Trends im Markt für PV-Speicher
Markt für Photovoltaik mit Speicher wächst
Der Absatz von PV-Speichern steigt. Waren es im Jahr 2019 noch 65.000 Heimspeicherinstallationen, konnte die Branche im Jahr 2020 schon 88.000 Stromspeicher absetzen. Da fast 90 Prozent der Heimspeicher gemeinsam mit einer neuen Photovoltaik-Anlage installiert werden, handelt es bei Stromspeichern im Eigenheimbereich fast immer auch um einen PV-Speicher. Laut Bundesverband Solarwirtschaft werden heute schon bei 50 Prozent aller Neuinstallationen von PV-Anlagen Speichersysteme integriert. Marktführer ist laut dem Marktforschungsintitut EuPD Research der Anbieter Sonnen von BYD, E3/DC und Senec.
Effizienz steigt
Die Forschungsgruppe Solarspeicher von der HTW Berlin hat sechs aktuelle Trends auf dem Markt für PV-Speicher ausgemacht. Demnach ist eine Entwicklung zu Batterien mit höheren Speicherkapazitäten festzustellen. Zu dem erlauben immer leistungsfähigere Wechselrichter immer höhere Lade- und Entladeströme. Außerdem steigt die Effizienz der Wechselrichter und es kommen im mehr Hybrid-Wechselrichter zum Einsatz. Des Weiteren steigt die Flexibilität der Systemkonzepte und die Bandbreite an Batterietechnologien. In der Stromspeicher-Inspektion 2021 haben die Forschenden auch für die Gesamtsysteme eine verbesserte Energieeffizienz ermittelt.
Hochvolt oder Niedervolt PV-Speicher?
Stromspeicher für PV-Anlagen können als Niedervolt- oder Hochvoltsysteme konzipiert sein. Niedervolt-Batterien haben eine Batteriespannung von 48 Volt. Sie sind die klassische Variante der Photovoltaik-Speichertechnik. Neuerdings drängen verstärkt Hochvolt-Solarspeicher auf den Markt. Sie können bis zu 500 Volt Batteriespannung erreichen. Dadurch lassen sie sich direkt ohne DC/DC-Wandlung mit der Solarstromanlage verbinden. Somit verspricht diese Technik Effizienzgewinne und Kostenvorteile. Dies zeigen auch die Ergebnisse der Stromspeicher-Inspektion der Forschungsgruppe Solarspeicher an der HTW Berlin. Ob diese in der Praxis aber umgesetzt werden können, ist aber umstritten.
Kosten der PV-Speicher stark gesunken
Eine komplette Solarstromanlage plus integrierter Batteriespeicherlösung kann etwa 12.000 bis 20.000 Euro kosten – abhängig von der gewählten Technologie und der Größe der Anlage. Die Endkundenpreise der PV-Speicher sind den vergangenen Jahren stark gesunken. Laut dem Speichermonitoring der RWTH Aachen fielen die Preise für Lithiumionen-Speichersysteme von Mitte 2013 bis Ende 2017 um über 50 Prozent. Im Jahr 2018 kosteten kleine Solarspeicher unter 5 Kilowattstunden Speicherkapazität in Durchschnitt noch fast 1.800 Euro pro Kilowattstunde Speicherkapazität. 2019 waren dann nur noch wenig mehr als 1.600 Euro/kWh. Bei den größeren PV-Speichern zwischen 5 und 10 Kilowattstunden Speicherkapazität mussten die Kunden 2018 noch mit 1.400 Euro/kWh rechnen. 2019 nur noch mit 1.200 Euro/kWh. Dabei handelt es sich um durchschnittliche Endverbraucherpreise inklusive Leistungselektronik und Mehrwertsteuer. Die Forscher der RWTH Aachen sehen die „zukünftige Entwicklung der Speichersystempreise maßgeblich durch die steigende Bedeutung der Elektromobilität beeinflusst“. Weltweit steigende Produktionskapazitäten sollten durch den Skaleneffekt zu weiteren Preissenkungen führen.
Förderung für PV-Speicher nutzen
Einige Bundesländer fördern zurzeit den Kauf eines Batteriespeichers. Zudem haben auch einige Städte Förderprogramme aufgelegt. Meist ist die Förderung an die Installation einer neuen PV-Anlage gekoppelt. Teilweise ist auch eine sogenannte „netzdienliche“ oder „prognosebasierte“ Betriebsweise des Solarspeichers Förderbedingung. Damit ist normalerweise gemeint, dass der Speicher so gesteuert wird, dass er verlässlich Erzeugungsspitzen der Photovoltaikanlage abfedert, so dass beispielsweise höchstens 60 % ihrer Spitzenleistung in den Mittagsstunden ins Netz abgegeben werden können.
Aktuelle Meldungen zu PV-Speichern finden Sie auf dem Solarserver unter diesem Link
Quellen: ZVEI, BMU, RWTH Aachen, Solarserver.de, BSW Solar, HTW Berlin, EuPD Research
aktualisiert am 26.3.2021 | © Solarthemen Media GmbH