Solarstrom speichern – Integration von Solarbatterien in PV-Anlagen

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solarstrom-speichern-integration-solarbatterien-pv-anlagenDie verschiedenen Kombinationen von Stromspeicher und Photovoltaik:

Viele stellen sich die Frage, wie man am besten PV-Strom speichern kann und welche Möglichkeiten es gibt, Stromspeicher und Photovoltaik miteinander zu kombinieren. Generell wird Photovoltaik-Strom immer dann erzeugt, wenn die Sonne scheint. Der Strom einer Photovoltaik-Anlage kann folglich dann verbraucht werden, wenn diese gerade den Strom erzeugt. Soll der Strom jedoch zu einem späteren Zeitpunkt genutzt werden, bieten sich Stromspeichersysteme, sog. Solarbatterien, an. Auf dem Markt werden die unterschiedlichsten Kombinationen von Stromspeicher- und Photovoltaikanlagen angeboten.

Direkte und indirekte Stromspeicher für Photovoltaik

Unter einer direkten Speicherung von PV-Strom werden diejenigen Speicher verstanden, die aus traditionellen Kondensatoren und Spulen bestehen. Sie können immer nur eine bestimmte Menge an Strom speichern. Bei der indirekten Speicherung von PV-Strom können auch größere Mengen gespeichert werden. Folgende Kombinationen stehen zur Auswahl:

  • Kurzzeitspeicher für die Netzstabilisierung: Als Speicher werden SMES-Spulen, Kondensatoren oder Schwungmassespeicher verwendet. Die Entladezeit beträgt 1-180 Sekunden. Die Kapazität reicht von wenigen kWh bis zu MWh.
  • Langzeitspeicher zur Spitzenbedarfsdeckung: Hierbei werden Pumpspeicher und Druckluftspeicher verwendet. Die Entladezeit liegt zwischen 2 Sekunden und 24 Stunden. Die Kapazität reicht von MWh bis GWh.
  • Elektro-chemische Speicher als Energiereserve oder für Elektromobilität: Es werden Lithium-Ionen-Akkus, Reddox-Flow-Batterien und Blei-Säure-Akkus verwendet. Die Entladezeit liegt bei 1 Stunde bis zu mehreren Tagen. Die Kapazität reicht von 50 kWh bis zu 40 MWh.

Die idealen Speicher für kleine bis mittlere Photovoltaik-Anlagen

Für die meisten Anwendungen im heimischen oder kleingewerblichen Bereich werden für die Netzeinspeisung und für den Eigenverbrauch die direkten, elektro-chemischen Speicher verwendet:

  • Blei-Akkus
  • Lithium-Ionen-Akkus und
  • Nickel-Cadmium-Akkus.

Bei den Blei-Akkus wird zudem noch zwischen Blei-Säure-Varianten und den Blei-Gel-Modellen unterschieden. Die Lithium-Ionen-Akkus werden nach Lithium-Cobaltoxid-, Lithium-Eisen-Phosphat-, Lithium-Polymer- und Lithium-Titanat-Akkus unterschieden. Hier finden Sie eine Marktübersicht zu Solarbatterien.

Die richtige Einbindung von Stromspeichern in ein Photovoltaik-System

Für die richtige Einbindung von Solarbatterien in Solaranlagen sollte im ersten Schritt der aktuelle Bedarf im Haushalt festgelegt werden. PV-Strom sollte diesen decken. Übersteigt jedoch die Stromproduktion den Bedarf, wird der Strom zwischengespeichert. Ist auch der Stromspeicher aufgeladen und es wird weiterhin überschüssiger Strom produziert, kann dieser in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Dabei ist die Effizienz des gesamten Systems nicht nur von der Wahl des richtigen Stromspeichers, sondern auch von dessen Systemeinbindung abhängig. Dabei werden drei Einbindungsmethoden unterschieden:

  1. Die AC-Kopplung des Stromspeichers mit dem Hausstromnetz: Hier wird AC-seitig ans Hausstromnetz der Batterieladeregler angeschlossen. Dieser ist in der Lage, PV-Strom und Netzstrom zu speichern und an das Netz wieder abzugeben. Eine solche AC-Kopplung ist auch für die nachträgliche Umrüstung einer PV-Anlage sinnvoll. Es muss lediglich ein Stromspeicher angeschlossen werden. Für den einwandfreien Betrieb ist jedoch ein Batterie-Managementsystem für die Regelung des Stromspeichers und des Wechselrichters erforderlich.
  2. Die Speichereinbindung zwischen Wechselrichter und Modulen: Ein Stromspeicher kann auch zwischen die Solarmodule und dem Wechselrichter integriert werden. Diese Methode eignet sich ebenfalls für eine spätere Nachrüstung. Aber auch hier ist wieder ein Energiemanagementsystem erforderlich. In diesem Fall wird der Stromspeicher aber ausschließlich über die PV-Anlage geladen und nicht mehr über das Stromnetz. Bei diesem Verfahren ist der Wirkungsgrad der Anlage um etwa 5% höher als bei einer AC-Kopplung.
  3. Die Anbindung eines Stromspeichers an den Photovoltaik-Wechselrichter: Speziell für die Neuinstallation ist es ratsam, den Stromspeicher auf dem internen Zwischenkreis des Photovoltaik-Wechselrichters einzubinden. Der Wirkungsgrad ist höher als bei einer AC-Kopplung. Der Laderegler des Speichers kann den Zwischenkreis wesentlich besser stabilisieren, was wiederum zu einer zusätzlichen Effizienzsteigerung führt.

Die Betriebskonzepte von Photovoltaik und Stromspeicher

Es werden nachfolgende Konzepte unterschieden:

Der Autarkiegrad soll maximiert werden: Ein Stromspeichersystem wird dann eingesetzt, um eine größtmögliche Unabhängigkeit von Netzstrom zu erreichen. In diesem Fall muss der Speicher ausreichend dimensioniert sein, um den PV-Strom jederzeit für den Eigenverbrauch bereitstellen zu können. Interessant ist, dass mit eine 10 kWh-Speicher und bei einer PV-Leistung von 10 kW ein Eigenverbrauchsgrad von 70% bis 80% erreicht werden kann. Eine Erhöhung der Autarkie setzt folglich einen größeren Speicher voraus. Leider sind hierbei die hohen Anschaffungskosten für den Stromspeicher zu berücksichtigen. So steigen auch die Kosten pro gespeicherte kWh Photovoltaikstrom. Dies liegt daran, dass über einen Großteil der Nutzungsdauer dieses Konzept aus Stromspeicher-Photovoltaik ein unterschiedlicher Ausnutzungsgrad herrscht. Ein großer Teil der Speicherkapazität bleibt ungenutzt. Diese Kombination eignet sich daher vornehmlich für PV-Inselanlagen, die ehedem hohe Stromkosten aufweisen, weil sie über keinen Netzstromanschluss verfügen. Hier informieren wir Sie zu Förderprogrammen für Solarinselanlagen.

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Maximierung der Wirtschaftlichkeit: Im heimischen Bereich entscheiden sich viele Besitzer von PV-Anlagen für kleinere Stromspeicher. Diese können zwar weniger Strom speichern, liegen aber immer an der maximalen Auslastung der Kapazität. Die Anschaffungskosten sind geringer, was sich wiederum umgerechnet auf niedrigere Gesamtstromkosten pro kWh auswirkt. Bei dieser Kombination von Stromspeicher und PV-Anlage wird nicht auf einen höchstmöglichen Eigenverbrauch gesetzt, sondern in erster Linie auf eine möglichst wirtschaftliche Betriebsweise. Hierdurch wird auch das Problem umgangen, dass bei großen Speichern der Nutzungsgrad mit zunehmendem Eigenverbrauch abnimmt und höhere Grenzkosten pro zusätzlich gespeicherter kWh entstehen. Kleinere Speicher sind auch besser in der Lage bei weniger Sonnenschein vollständig aufgeladen zu werden.

Es gilt allerdings zu beachten, dass es Förderprogramme für die Anschaffung von Solarbatterien gibt.

Die Regelenergie über Stromspeicher bereitstellen: Es besteht die Möglichkeit, den Stromspeicher an das Stromnetz anzuschließen. Der Speicher und die PV-Anlage werden so kombiniert, dass sie als zentrales Lastmanagement positive und negative Regelenergie für das öffentliche Stromnetz bereitstellen. Diese Stromspeicher werden meist online oder per Funk miteinander vernetzt und können vom Netzbetreiber ferngesteuert werden. Nachteil ist, dass der Speicher dem Anlagenbesitzer für seine PV-Anlage nur noch begrenzt zur Verfügung steht. Besteht im Stromnetz ein kurzfristiger Mehrbedarf an Regelenergie, wird er direkt aus dem Stromspeicher entnommen. Liegt im Stromnetz dagegen ein Überschuss an Strom dar, wird er von dort dem Speicher wieder zugeführt. Aktuell gibt es Feldversuche zu dieser Methode. Mitunter muss der Besitzer eines solchen Stromspeichers noch nicht einmal eine eigene PV-Anlage besitzen.

Die thermischen Stromspeicher: PV-Strom kann auch indirekt in thermische Energie umgewandelt werden. Der Speicher ist hierbei jedoch nicht in der Lage, gespeicherte Energie wieder in Strom zurück zu verwandeln, sondern nutzt diese als Wärme zu Heizzwecken. Der PV-Strom wird in diesem Fall über ein Wärmepumpenkonzept in Wärme umgewandelt. So kann hierüber eine Nachtspeicherheizung betrieben werden. In aller Regel kommt eine solche Kombination aus PV-Anlage und Wärmepumpe nur bei Neuinstallationen in Betracht. Nachteilig ist, dass bei einer Speicherung von Wärme in einem Pufferspeicher mit Wärmeverlusten zu rechnen ist. Dennoch ist es eine effiziente Methode aus PV-Strom Wärme zu erzeugen. Die Leuphana-Universität hat mittlerweile für den Hausgebrauch eine solche Anlage konzipiert, die auf eine thermochemische und Latentwärmespeicherung setzt.

Bildquelle: © H.D. Volz / pixelio – www.pixelio.de

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