Ein Stromspeicher funktioniert im Prinzip wie ein großer Akku, der den bei Sonnenschein produzierten, überschüssigen Solarstrom speichert und zur Verfügung stellt, wenn Bedarf besteht, aber kein Solarstrom produziert wird. So kann mit einem Stromspeicher, der mit der eigenen Photovoltaik-Anlage kombiniert wird, einer der großen Nachteile der Solarenergie ausgeglichen werden: Die Verfügbarkeit auch nachts oder wenn die Sonne gerade mal nicht scheint.
Wie funktioniert ein Stromspeicher?
Der Stromspeicher speichert in seinem Akku den tagsüber von der PV-Anlage produzierten Strom, der gerade nicht gebraucht wird. Im Akku befinden sich zwei Elektroden (Anode und Kathode), die durch einen Separator getrennt und von einer leitenden Flüssigkeit, dem Elektrolyt, umgeben werden. Fließt nun Strom in den Akku, beginnt ein chemischer Prozess, die Elektrolyse, und es bewegen sich Elektroden von der Kathode zur Anode. Wird Strom entnommen, funktioniert der Prozess andersherum. Die Kapazität des Akkus definiert die Menge Strom, die der Akku über einen bestimmten Zeitraum abgeben kann.
Dieses Prinzip wird im Stromspeicher angewandt, um den Solarstrom in dem Zeitraum zur Verfügung zu stellen, wenn gerade die Sonne nicht scheint. Stromspeicher werden in die PV-Anlage integriert. Ein Solarspeicher besteht allerdings nicht nur aus dem eigentlichen Akku, zum Speicher gehören darüber hinaus ein Batteriemanagementsystem, ein Wechselrichter sowie ein Energiemanagementsystem.
Das Batteriemanagementsystem überwacht die einzelnen Zellen und regelt den Ladezustand der Zellen und schützt vor Überhitzung.
Der Wechselrichter wandelt den produzierten Gleichstrom in Wechselstrom um. Seine Funktion hängt aber auch davon ab, an welcher Seite (Wechselstrom- oder Gleichstromseite) der Stromspeicher in die PV-Anlage integriert wird. Beides hat Vor- und Nachteile. Bei neu zu errichtenden Anlagen, die mit Speicher geplant werden, erfolgt normalerweise die Integration auf der DC-Seite (Gleichstrom), da dann kein eigener Speicher-Wechselrichter notwendig wird und eine höhere Effizienz erzielt werden kann. Bei Nachrüstungen dagegen wird der Speicher an die AC-Seite (Wechselstrom) angeschlossen und benötigt dann einen eigenen Wechselrichter.
Das Energiemanagementsystem sorgt dafür, dass in erster Linie der selbst produzierte Strom genutzt wird und dass erst dann Strom ins Netz eingespeist wird, wenn der Stromspeicher vollgeladen ist. Außerdem sorgt es für schonende Be- und Entladungen, um die Lebensdauer des Speichers zu erhöhen.
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Welche Arten Stromspeicher gibt es?
Stromspeicher werden nach den Metallen unterschieden, die in ihnen genutzt werden. Die meist verbreiteten sind:
Bleisäureakkus
Bleiakkus waren lange die erste Wahl für die Stromspeicherung. Bleisäureakkus sind vergleichsweise preiswert, robust und wartungsarm. Sie sind schon lange in Gebrauch und es gibt viel Erfahrung mit dieser Art Speicher, zumal Bleiakkus auch seit Jahrzehnten als Autobatterie genutzt werden. Außerdem lassen sich Bleiakkus einfach recyclen. Allerdings haben Bleiakkus eine geringe Lebensdauer von rund 10 Jahren, sie sind schwer und benötigen viel Platz.
Lithium-Ionen-Akkus
Lithium-Ionen-Akkus sind zwar derzeit noch teurer als Bleiakkus, sie haben aber einige Vorteile. So ist ihre Lebensdauer deutlich länger als bei Bleiakkus, zudem entladen sie sich kaum und können mehr Ladezyklen vertragen, ohne zu altern. Darüber hinaus sind sie leichter und kompakter und benötigen deutlich weniger Platz. Lithium-Eisenphosphat (LI-FEPO4)-Akkus sind außerdem sehr sicher, bei ihnen besteht keine Gefahr der Überhitzung.
Wie groß sollte ein Stromspeicher sein?
Zwei Faustformeln gelten, wenn die Größe eines Stromspeichers überschlägig berechnet werden soll:
- Entweder richtet man sich nach der Größe der PV-Anlage, dann sollte der Speicher eine Kapazität des 1- bis 1,6-fachen der kWp-Leistung der Anlage betragen. Bei einer 7 kWp-PV-Anlage sollte der Speicher als über 7 – 10 kWh Speicherkapazität verfügen.
- Oder man richtet sich nach dem Jahresstromverbrach. Dann sollte die Speichergröße 1 – 1,5 kWh Kapazität pro 1 MWh Jahresstromverbrauch betragen. Bei einem Jahresverbrauch von 4000 kWh (= 4 MWh) betrüge die optimale Speicherkapazität also 4 – 6 kWh.
Die passende Größe eines Stromspeichers wird jedoch von einigen Faktoren beeinflusst und sollte individuell berechnet werden.
Zunächst geht es um den eigenen jährlichen Stromverbrauch: Nur wenn bekannt ist, wieviel Strom im Haushalt insgesamt in einem Jahr verbraucht wird, kann abgeschätzt werden, wieviel Speicherkapazität der Stromspeicher haben sollte und wieviel Eigenbedarf damit abgedeckt werden kann. Durchschnittliche Werte liegen für einen 4-Personen-Haushalt bei 4.500 bis 5.000 kWh/Jahr. Wird ein Elektrofahrzeug geladen oder ist eine Wärmepumpe vorhanden, sind die Werte jedoch deutlich höher.
Ein weiterer Faktor ist die Größe der Photovoltaikanlage und ihre Ausrichtung: Je nach Größe der Photovoltaikanlage wird mehr oder weniger Strom produziert. Bei kleineren Anlagen und durchschnittlichem Verbrauch wird weniger Strom eingespeist und damit würde auch entsprechend weniger Strom zur Speicherung vorhanden sein. Bei großen Anlagen und geringerem Verbrauch lohnt sich dagegen ein größerer Stromspeicher, mit dem hohe Autarkiegrade erzielt werden können. Auch die Ausrichtung ist für die Speichergröße wichtig. Bei Anlagen, die sowohl nach Ost und West ausgerichtet sind, entsteht eine geringere Mittagsspitze. Hier reicht meist ein kleinerer Speicher. Bei reiner Südausrichtung dagegen kann der Mittagsüberschuss in einem größeren Speicher komplett gespeichert werden.
Darüber hinaus ist entscheidend, wann der gespeicherte Strom benötigt wird und wie hoch der Eigenanteil sein soll. Wird der Strom vor allem morgens und abends verbraucht, dann kann bei einer Ost-West-Anlage der Speicher wiederum kleiner ausfallen, da das Verbrauchsverhalten zur Solarstromproduktion passt. Bei einer Anlage mit reiner Südausrichtung, bei der der Strom vor allem abends benötigt wird, ist wiederum ein größerer Speicher nötig, um den abends benötigten Strom zur Verfügung zu stellen. Je größer zudem der gewünschte Eigenanteil an der Solarstromproduktion sein soll, umso größer sollte der Speicher ausfallen.
Außerdem sollte jedoch auch die Wirtschaftlichkeit bei der Wahl der richtigen Speichergröße nicht außer Acht gelassen werden. Stromspeicher sind nicht billig. Es lohnt sich also durchaus, die oben genannten Faktoren richtig zu gewichten. Ein sehr hoher Autarkiegrad bzw. ein sehr hoher Eigenverbrauchsanteil verlangt einen entsprechend großen und teuren Stromspeicher. Mit mittelgroßen Speichern können oft wirtschaftlichere Lösungen erzielt werden.
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Wie funktioniert die Integration des Stromspeichers in die Photovoltaik-Anlage?
Die Integration eines Stromspeichers in eine Photovoltaikanlage unterscheidet sich je nachdem, ob es sich um eine netzgebundene Anlage handelt, bei der übriger Strom ins öffentliche Netz eingespeist wird oder um eine Inselanlage.
Netzgebundene Photovoltaik-Anlage mit Stromspeicher
Bei einer netzgebundenen PV-Anlage wird der nicht selbst genutzte Strom ins öffentliche Netz eingespeist und vergütet. Je nach Höhe der Einspeisevergütung kann es sich deshalb lohnen, mit einem Stromspeicher den Anteil des selbst genutzten Stroms zu vergrößern. Bei der Hälfte der neu installierten PV-Anlagen wird gleich ein Stromspeicher mit installiert. Gerade in Hinsicht auf die Nutzung eines Elektroautos kann mit einem Speicher der Anteil der Eigennutzung erheblich verbessert werden.
Auch die Nachrüstung eines Stromspeichers in eine bestehende netzgebundene Anlage kann sich lohnen. Das gilt insbesondere auch für sogenannte Ü20-Anlagen, die nur noch geringe Vergütungen für den eingespeisten Strom erhalten. Bei Anlagenbetreibern, die noch sehr hohe Einspeisevergütungen erhalten, lohnt sich unter Umständen der Eigenverbrauch kaum und damit auch kein Stromspeicher.
Die Systemtopologie einer PV-Anlage mit Stromspeicher kann als AC- oder DC-System realisiert werden. Dabei wird der Speicher entweder über AC- oder über die DC-Seite der PV-Anlage integriert. (AC= Alternating Current = Wechselstrom, DC = Direct Current = Gleichstrom)
AC-Stromspeicher
Wird der Speicher in die Gleichstromseite integriert, dann besteht die Möglichkeit, diesen größer auszuwählen, der Wechselrichter kann unabhängig vom Speicher gewählt werden und diese Lösung ist preiswerter, sie bietet sich vor allem für die Nachrüstung von bestehenden PV-Anlagen an. Allerdings sind die entstehenden Verluste durch den zweimaligen Wechsel DC-AC-DC höher.
Bei dieser Lösung wird also der produzierte Solarstrom vom vorhandenen Wechselrichter von Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt und dann vom Wechselrichter des Speichers wieder in Gleichstrom. Wird der Strom benötigt, wandelt der Speicher-Wechselrichter den Strom wieder in Wechselstrom.
DC-Stromspeicher
Bei dieser Systemlösung wird der Speicher an den Gleichstromkreis angeschlossen, also noch vor dem Wechselrichter. Der Wechselrichter übernimmt dann auch die Aufgabe, den Gleichstrom des Speichers umzuwandeln und zur Verfügung zu stellen. Dazu sind spezielle sogenannte Hybrid-Wechselrichter notwendig. Diese Systemtopologie eignet sich vor allem für Neuanlagen, da dann die Komponenten aufeinander abgestimmt sind. Dafür wird ein höherer Wirkungsgrad erzielt und die Installation ist weniger komplex.
Inselanlage mit Stromspeicher
Sogenannte Inselanlagen sind PV-Anlagen, die nicht an das öffentliche Stromnetz angebunden sind. Inselsystem bzw. Off-Grid-Systeme benötigen einen Solarspeicher, damit der Strombedarf dauerhaft gedeckt werden kann. Inselanlagen werden oft in abgelegenen Regionen, die nicht ans Stromnetz angeschlossen sind, genutzt. In Europa ist dies häufig bei Berghütten oder Ferienhäusern der Fall, aber sie werden auch für Boote oder Wohnmobile genutzt. Oft werden dann Gleichstrom-Verbraucher direkt an die PV-Anlage angeschlossen, sodass kein Wechselrichter notwendig ist. Aber ein Betrieb mit Wechselrichter ist auch möglich. Stromspeicher für off-grid Anlagen müssen sehr groß dimensioniert sein, um die Stromversorgung sicherzustellen.
Was kostet ein Stromspeicher für die PV-Anlage?
Immer mehr private Haushalte nutzen einen Speicher zusammen mit der Photovoltaikanlage. So hat sich die Speicherkapazität der Heimspeicher zwischen Juli 2022 und Juli 2023 laut RWTH Aachen von einer Speicherkapazität von 138 MWh auf 338 MWh mehr als verdoppelt.
Gleichzeitig sind die Preise pro kWh Speicherkapazität in den letzten zehn Jahren deutlich gefallen, seit 2022 haben sie laut Marktstudie der RWTH Aachen wieder leicht um 7 % zugenommen. Was bedeutet das in Zahlen? Der Anschaffungspreis von Stromspeichern hängt einerseits von der Größe ab, andererseits aber auch davon, ob man ein Modell mit Bleisäureakku oder Lithium-Ionen-Akku wählt. Gleichzeitig gilt: Je größer der Speicher, umso geringer der Preis pro kWh Speicher-Kapazität.
Derzeit sollte man mit Anschaffungskosten für einen Stromspeicher von 900 – 1.200 Euro pro 1 kWh Speicherkapazität rechnen. Für einen 5 kWh-Speicher kann man von Kosten in Höhe von 6.000 Euro ausgehen, während ein Speicher mit 10 kWh rund 10.000 Euro kosten wird. Hinzu kommen bei einer Nachrüstung die Kosten für die Integration in die PV-Anlage, die mit 1.000 – 3.000 Euro zu Buche schlagen.
Fazit
Stromspeicher sorgen dafür, dass der Autarkiegrad zunimmt und man als Besitzer einer Photovoltaikanlage seinen Bedarf in noch höherem Maße mit selbst produziertem Solarstrom abdecken kann. Gleichzeitig stellen Solarspeicher auch für das öffentliche Netz eine Entlastung dar, da bei Produktionsspitzen die Netze entlastet werden, wenn ein Großteil des Stroms in den Speicher fließt. Stromspeicher können gut bei bestehenden Anlagen nachgerüstet werden, besonders leicht ist die Integration bei neu zu installierenden Anlagen. Die Kosten für Stromspeicher fallen und es wird erwartet, dass dieser Trend dank weiterer Skaleneffekte anhält, auch wenn derzeit Faktoren wie die Inflation für kurzfristig leicht steigende Preise gesorgt haben.
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