Stromspeicher für die Photovoltaik
Letztes Update am 24. März 2023
Zur Speicherung des überschüssig produzierten und nicht verbrauchten Stroms kommen Stromspeicher für die Photovoltaik zum Einsatz. Die folgenden Untersuchungen basieren auf einer Analyse von Nicolas Schettle.
Stromspeicher im Überblick
Stromspeicher werden in der Photovoltaik eingesetzt, um den durch die Solaranlage produzierten Strom zu speichern und später zu nutzen. Der Einsatz von Stromspeichern kann dazu beitragen, den Eigenverbrauch des produzierten Stroms zu erhöhen und somit die Abhängigkeit vom Stromnetz zu reduzieren.
Batteriespeicher und Wärmespeicher
Es gibt verschiedene Arten von Stromspeichern, die in der Photovoltaik eingesetzt werden können, wie zum Beispiel Batteriespeicher oder Wärmespeicher. Batteriespeicher sind dabei die am häufigsten eingesetzten Stromspeicher. Sie bestehen aus Lithium-Ionen-Akkus und können je nach Größe und Kapazität mehrere Kilowattstunden Strom speichern.
Der Einsatz von Stromspeichern hat in den letzten Jahren aufgrund der steigenden Preise für Strom aus dem Netz sowie der sinkenden Preise für Solarmodule und Batteriespeicher zugenommen. Durch die Kombination von Photovoltaik-Anlagen und Batteriespeichern können Haushalte und Unternehmen in der Lage sein, ihren Strombedarf weitgehend unabhängig vom öffentlichen Netz zu decken.
Stabilität des Stromnetzes durch Stromspeicher
Ein weiterer Vorteil des Einsatzes von Stromspeichern ist, dass sie dazu beitragen können, die Stabilität des Stromnetzes zu erhöhen. Durch den gezielten Einsatz von Stromspeichern können Netzschwankungen ausgeglichen werden, was dazu beitragen kann, die Netzstabilität zu erhöhen und die Netzauslastung zu optimieren.
Zusätzlich zu den technischen Vorteilen des Einsatzes von Stromspeichern gibt es auch finanzielle Anreize für den Einsatz von Stromspeichern in der Photovoltaik. In vielen Ländern gibt es staatliche Förderprogramme und Anreizsysteme, die den Einsatz von Stromspeichern in der Photovoltaik unterstützen.
Erhöhung des Eigenverbrauchs durch Stromspeicher
Insgesamt ist der Einsatz von Stromspeichern in der Photovoltaik eine vielversprechende Option, um den Eigenverbrauch von Solarstrom zu erhöhen und die Abhängigkeit vom öffentlichen Netz zu reduzieren. Mit der steigenden Nachfrage nach erneuerbaren Energien und dem wachsenden Bewusstsein für den Klimawandel und mehr Nachhaltigkeit wird der Einsatz von Stromspeichern in der Photovoltaik voraussichtlich weiter zunehmen.
PV-Anlagen mit Stromspeicher
Es wird bereits jede zweite Photovoltaikanlage gemeinsam mit einem Stromspeicher installiert. Im Normalfall sind dazu in Verbindung mit einer Photovoltaikanlage im privaten Bereich meistens Lithium-Ionen-Akkus oder Blei-Säure-Akkus verbaut.
Mit einem modernen Stromspeicher ist es möglich, den Eigenverbrauch auf 50 % – 80 % zu steigern. Dies bedeutet, man gewinnt an Unabhängigkeit gegenüber dem öffentlichen Stromanbieter und vor allem gegenüber den immer weiter ansteigenden Strompreisen.
CO2-Ersparnis mit PV-Anlagen
Ein wesentlicher Punkt in den Zeiten des Klimawandels ist die CO2-Ersparnis. Der Strom, den man normalerweise aus dem öffentlichen Stromnetz bezieht, besteht in Deutschland derzeit lediglich zu 40 % aus erneuerbaren Energien. Der eigens produzierte Solarstrom hingegen ist logischerweise zu 100 % erneuerbar. Daher spart man mit einer Photovoltaikanlage immer CO2 ein, was die folgende Beispielrechnung mit einem integrierten Stromspeicher verdeutlicht:[1]
Dazu rechnen wir mit dem beispielhaften 6 kWh Stromspeicher und einem 6.000 kWh Haushaltsstromverbrauch:
Reduzierung des Netzstrombezugs: 6.000 kWh x 0,45 = 2.700 kWh (0,45 = 45 % Eigenverbrauch)
Jährliche CO2-Einsparung: 2.700 kWh x 0,474 kg/kWh = 1.279,8 kg CO2
CO2-Einsparung nach der Betriebszeit von 20 Jahren: 1.279,8 kg x 20 = 25.596 kg
Ein Photovoltaikanlagenbetreiber, der einen Stromspeicher verwendet, kann also innerhalb von 20 Jahren ca. 25,6 Tonnen CO2 einsparen, was die Anschaffung einer Photovoltaikanlage wiederum noch attraktiver macht.
Technik von Stromspeicher
Nun zur Technik und Funktionsweise von Stromspeicher: Im Prinzip sind Stromspeicher aufgebaut und funktionieren wie Akkus. Wird der Akku geladen, so wandelt der Akku durch eine chemische Reaktion die elektrisch zugeführte Energie in chemische Energie um, welche dann speicherbar ist. Dieser Prozess wird umgekehrt beim Entladeprozess durchlaufen. Die im Akku gespeicherte chemische Energie wandelt sich wieder in nutzbare elektrische Energie um.[2]
Im Detail betrachtet besteht ein Akku immer aus zwei Elektroden: einer Anode und einer Kathode. Die Kathode ist die Elektrode, die Elektronen abgibt und die Anode ist die Elektrode, die Elektronen aufnimmt. Wird mit einer Photovoltaikanlage Strom produziert, wandern die Elektronen durch einen externen Stromkreis von der Kathode zur Anode. Währenddessen werden auch Ionen von der Kathode abgegeben und von der Anode aufgenommen. Die Elektronen und die Ionen reagieren dann an der Anode zu Atomen. Bei der Entladung wird kein Strom benötigt, und der umgekehrte Prozess läuft ab. Hier wandern die Ionen zur Kathode. Und die Elektronen bewegen sich über den Stromkreis ebenfalls zur Kathode. Der Strom lässt sich bei der Bewegung der Elektronen von der Anode zur Kathode entnehmen.[3]
Lithium-Ionen-Akku
Wie bereits erwähnt sind für die Stromspeicher von Photovoltaikanlagen hauptsächlich Lithium-Ionen-Akkus vim Einsatz. Gerade Lithium-Akkus sind besonders leistungsfähig und können Wirkungsgrade zwischen 85 % und 98 % erzielen. Auch die Lade- und Leistungsverluste durch ständiges Laden und Entladen sind deutlich geringer als bei Blei-Akkus.
Dagegen sind Blei-Akkus auch in Autobatterien verbaut. Und damit sind sie dem Anwender eher bekannt. Hierbei unterscheidet man Blei-Säure- und Blei-Gel-Akkus. Einerseits liegt bei den Blei-Säure-Akkus das Elektrolyt in flüssiger Form vor. Andererseits liegt es bei den Blei-Gel-Akkus in Form eines Gels vor. Letztlich besteht der Vorteil dieser Akkus daraus, dass sie im Vergleich der Lithium-Ionen-Akkus nicht so empfindlich in Bezug auf Überladung und Tiefenentladung sind. Dagegen ist der Nachteil wiederum die begrenzte Lebensdauer von nur 5 – 7 Jahren und der geringere Wirkungsgrad von 65 % – 85 %. Aus diesem Grund sind sie nur noch sehr selten als Speicher für Photovoltaikanlagen verbaut.
Redox-Flox-Technologie
Eine andere Form der Akkus stellt die so genannte Redox-Flow-Technologie dar, welche noch relativ unbekannt ist, aber als die Technologie der Zukunft für Batteriespeicher gilt. Bei dieser Form des Akkus ist die elektrische Energie in chemischen Verbindungen gespeichert, wobei die Reaktionspartner in gelöster Form in einem Lösungsmittel vorliegen. Sie haben den Vorteil, dass sie beliebig skalierbar sind und daher auch als Großspeicher für Stromnetze einsetzbar sind. Außerdem werden zu deren Herstellung keine seltenen Rohstoffe wie Lithium benötigt. Hierzu wird der Rohstoff Vanadium verwendet, der einer der am häufigsten vorhandenen Rohstoffe der Erde ist. Nachteil der Akkus sind die bislang noch hohen Herstellungskosten.[4]
Speicherkapazität und Wirkungsgrad
Geht es um die Auswahl eines passenden Stromspeichers, sind vor allem die Speicherkapazität, der Wirkungsgrad und die Anzahl der möglichen Ladezyklen ausschlaggebend. Die Speicherkapazität, auch Nennkapazität genannt, wird in Form der speicherbaren Energie in kWh angegeben. Die typischen Speicherkapazitäten für den privaten Gebrauch liegen im Bereich von 6 bis 16 kWh.
Der Wirkungsgrad ist eine Kennzahl dafür, wie viel der ursprünglich zugeführten Energie auch effektiv gespeichert werden kann. Bei einem angenommenen Wirkungsgrad des Speichers von 80 % stehen also nach der Speicherung noch 80 % der tatsächlich zugeführten Energie bereit.
Die Anzahl der Ladezyklen sagt aus, wie oft ein Speicher geladen, die Energie zwischengespeichert und später wieder entladen werden kann, was einen Ladezyklus beschreibt. Hier sollten von Herstellerseite mindestens 5.000 Ladezyklen möglich sein. Einige Hersteller, wie zum Beispiel Sonnen, garantieren sogar bis zu 10.000 Ladezyklen.[5]
Wirtschaftlichkeit der PV-Anlage mit Stromspeicher
Zur Berechnung der Wirtschaftlichkeit einer PV-Anlage mit Stromspeicher wird ein Ausgangsbeispiel definiert, auf welches die nachfolgenden Berechnungen aufbauen. Es werden folgende Prämissen angenommen und in den Berechnungen berücksichtigt:
- 5-Personen-Haushalt
- Jährlicher Stromverbrauch: 6000 kWh
- Nennleistung der Anlage: 9,92 kWp
- Jahresstromerzeugung: 9019 kWh
- Energieertrag pro Jahr: 909,17 kWh/kWp
- Einspeisevergütung: 9,97 Cent
- Strompreis Brutto: 30,5 Cent
- Jährliche Strompreissteigerung: 2 %
- Eigenverbrauchsanteil ohne Speicher: 26,8 %
- Eigenverbrauchsanteil mit Speicher: 45,7 %
- Speichersystemgröße: 6 kW nutzbar
- Anlagenleistungsverlust: 0,5 % / Jahr
- Jährliche Betriebskosten: 1 % der Netto-Anschaffungskosten
- Inflationsrate: 2 %
- Anschaffungskosten mit Stromspeicher: 24.276 Euro (inkl. Umsatzsteuer)
Die folgende Abbildung zeigt den Liquiditätsverlauf einer Investition in eine PV-Anlage mit Stromspeicher gemäß der obenstehenden Beispieldaten:
Wirtschaftlichkeit PV-Anlage mit Stromspeicher
Die Abbildung zeigt, dass sich die PV-Anlage erst (aber auch immerhin) nach gut 15 Jahren amortisiert. Das bedeutet, nach 15 Jahren sind die Erträge so hoch, dass die Kosten der Photovoltaikanlage ausgeglichen sind.
Zukunft der Stromspeicher
Die Zukunft der Stromspeicher sieht vielversprechend aus, da sie eine Schlüsselrolle bei der Integration erneuerbarer Energien in das Stromnetz spielen. Die wachsende Nachfrage nach erneuerbaren Energien und der Bedarf an Energieversorgungssystemen mit hoher Effizienz und Zuverlässigkeit wird den Markt für Stromspeicher weiterhin antreiben. Mit der Entwicklung von innovativen Technologien, wie zum Beispiel der Lithium-Ionen-Batterien, wird erwartet, dass die Kosten für Stromspeicher weiter sinken werden. Dies wird dazu beitragen, dass Stromspeicher in Zukunft in der breiten Masse (auch im Hinblick auf e-Mobilität) eingesetzt werden und somit die Verwendung von erneuerbaren Energien weiter vorantreiben.
Quellen zu Stromspeicher für die Photovoltaik
[1]–[5] Vgl. wegatech.de (o.J.b), Onlinequelle: https://www.wegatech.de/ratgeber/photovoltaik/stromspeicher/uebersicht/.