Der passende Speicher

Photovoltaik-Speichersysteme sind eine komfortable Lösung, um selbst erzeugten Solarstrom im eigenen Haushalt optimal zu nutzen. Richtig ausgelegt erlauben solche Systeme Eigenverbrauchsquoten zwischen 60 bis 80 Prozent, ohne dass eine Änderung des Verbraucherverhaltens oder teure Hausautomatisierung notwendig werden. Mittlerweile haben verschiedene Hersteller Photovoltaikspeichersysteme in ihre Produktpalette übernommen. Doch die Auswahl der unterschiedlichen Technologien ist groß und die technischen wie funktionellen Angaben unklar, so dass die Vergleichbarkeit der Systeme erschwert wird. Mit relativ grundsätzlichen und einfachen Betrachtungen kann man das passende Speichersystem für den individuellen Bedarf finden.

Wer wissen will, wie sich die Systeme ökonomisch rechnen, muss zum einen die Eigenverbrauchsförderung berücksichtigen, aber auch welche Stromkosten im Haushalt anfallen und unter Umständen gespart werden können. Ein gutesMaß für die Einsparung von Stromkosten in einem Haushalt ist der Autarkiegrad. Er gibt den Anteil des selbst erzeugten Stroms am Gesamtverbrauch an. Während die Eigenverbrauchsquote eine Aussage über die zusätzlichen Einnahmen durch die Förderung trifft, liefert der Autarkiegrad eine Aussage über die Reduzierung der Stromkosten. Je größer er ist, desto mehr Geld kann auf dieser Seite gespart werden.

Wie 20 Haushalte verbrauchen

Eine Untersuchung an 20 Haushalten zeigt, welcher Autarkiegrad realistisch ist (siehe Grafik „Eigenverbrauch bei 20 ausgewählten Haushalten“). Sie wurden so ausgewählt, dass sie einen Jahresverbrauch zwischen 3.500 und 4.500 Kilowattstunden haben. Wo eine Batterie integriert ist, hat sie eine Speicherkapazität von sechs Kilowattstunden. Betrachtet man die unterschiedlichen Haushalte, sinkt wie erwartet die mittlere Eigenverbrauchsquote, je größer die Solaranlageist. Gleichzeitig steigt der mittlere Autarkiegrad. Mit der Batterie von sechs Kilowattstunden Kapazität kann im Mittel ein Autarkiegrad von 40 bis 55 Prozent erreicht werden. Bei einem Strompreis von 20 Eurocent pro Kilowattstunde ergibt sich daraus ein Einsparpotenzial von ungefähr 320 bis 400 Euro im Jahr. Über 20 Jahre wird dieser Anteil an der Haushaltsbilanz immer bedeutender. Denn während die Erträge über die Jahre durch die festgelegte Einspeisevergütung konstant bleiben, ändern sich die zusätzlichen Erträge über die Stromkostenersparnis in Abhängigkeit zum jeweiligen Strompreis.

Eigenverbrauch und Autarkiegrad hängen aber nicht nur von der Größe des Speichers und der Größe der Photovoltaikanlage ob, sondern auch vom Nutzerverhalten. Überraschend ist die Variation der einzelnen Haushalte um die mittleren Werte. Die Balken im Diagramm zeigen, dass beispielsweise bei einer Fünf-Kilowatt-Anlage der Autarkiegradbei einem Haushalt nur knapp über 30, bei einem anderen nahe 60 Prozent liegen kann.

Aus diesem Grund ist es notwendig, das Verbraucherverhalten für die Wahldes geeigneten Speichersystems im Einzelfall zu betrachten. Zur Grundlast gehören all jene elektrischen Geräte, die regelmäßig über den Tag und über einen langen Zeitraum verwendet werden, wie zum Beispiel Heizung, Licht oder Kühlschrank. Spitzenlasten sind hingegen kurzzeitige Lasten, wie bespielsweise Staubsauger, Mikrowelle, Herd oder Waschmaschine. Das Verbraucherverhalten ist zum einen wichtig bei der Dimensionierung von Anlage und Batterie. Zum anderen gibt es aber auch einen Hinweis darauf, welche Topologie des Speichersystems eventuell vorteilhaft ist. Es kommt zum Beispiel darauf an, auf welchen der drei Phasen im Haushalt die Geräte angeschlossen sind.

Zwei Systemtypen zur Wahl

Es gibt auf dem Markt zwei Arten von Topologien: AC- und DC-Systeme. Wechselrichter bestehen aus einer Eingangsseite mit MPP-Tracker und einer Ausgangsseite, die die Gleichspannung zu Wechselspannung wandelt. Streng genommen ist die Ausgangsseite der handelsüblichen Geräte der eigentliche Wechselrichter. Bei DC-Systemen ist die Batterie DC-seitig am Zwischenkreis des Wechselrichters nach dem MPP-Tracker angeschlossen (siehe Grafik). Bei AC-Systemen wird die Batterie dagegen über einen von der Photovoltaikanlage völlig getrennten Batteriewechselrichter be- und entladen. Während bei DC-SystemenWechselrichter und Batterie eng miteinander verflochten sind, können die einzelnen Komponenten bei AC-Systemen unabhängig voneinander installiert werden. Man ist also damit etwas flexibler und kann Anlagen so auch nachrüsten. Dafür haben sie andere Nachteile.

Photovoltaik-Speichersysteme arbeiten meist einphasig. Das Stromnetz ist jedoch dreiphasig und Installateure sind angehalten, die Stromverbraucher gleichmäßig verteilt an die Phasen anzuschließen. Hat man die richtigen Stromzähler, zählt trotzdem der gesamte Stromverbrauch als Eigenverbrauch, wenn zeitgleich ausreichend Solarstrom produziert wird (siehe photovoltaik 03/2011, Seite 76). Das liegt daran, dass die Verrechnung bilanziell gelöst wird und der Einspeisezähler über alle drei Phasen summiert. Dann ist es egal, auf welcher Phase eingespeist wird, auf welchen Phasen sich die Verbraucher befinden und ob eventuell auf einer Phase Strom eingespeist und auf den anderen zwei Phasen verbraucht wird.

Aus Sicht des Netzbetreibers verhalten DC-Systeme sich wie eine Eigenverbrauchsanlage ohne Speicher, nur dass es nicht nur dann zur Strombereitstellung kommt, wenn die Sonne stark scheint. Diese Systeme unterliegen daher aber denselben Anschlussbedingungen wie Photovoltaik-Wechselrichter und können im Zuge der Anlagenanmeldung angezeigt werden. Sie sind gut für Grundlastverbrauch geeignet, weil sie alle Verbräuche, unabhängig auf welcher Phase sie auftreten, kompensieren können. Auch Spitzenlasten werden unabhäng von der Phase versorgt.

Nachteilig bei DC-Systemen ist, dass die Speicherverluste zu Lasten des Betreibers gehen, da diese vor dem Produktionszähler im Wechselrichter auftreten.

Bei AC-Systemen verhält sich das anders, je nach ihrer Klassifizierung als so genannte Volleinspeiser oder Nulleinspeiser.

Volleinspeiser speisen in das Stromnetz ein. Aus Sicht des Netzbetreibers gelten sie als Erzeugereinheit, müssen mit einem eigenen Zähler versehen und angemeldet werden. Mit den Zählern muss der Betreiber sicherstellen, dass der von der Batterie in das Netz eingespeiste Strom nicht mit der Einspeisevergütung abgerechnet wird. Da der Produktionszähler der Photovoltaianlage vor der Batterie sitzt, zählt es als Eigenverbrauch, wenn die Batterie mit Solarstrom geladen wird. Unter Umständen ist für Volleinspeiser der Netzanschluss des Hauses zu erweitern, da der Fall betrachtet werden muss, dass sowohl der Solargenerator als auch das Speichersystem gleichzeitig einspeisen. Nulleinspeiser speisen hingegen nicht ins Netz ein. Der gespeicherte Strom muss ausschließlich im Haus verbraucht werden. Nulleinspeiser gelten als Verbraucher und müssen deshalb demNetzbetreiber auch nicht angezeigt werden. Viele der bekannten AC-Speichersysteme sind Nulleinspeiser.

Aufgepasst: Phasenwahl

Die Unterschiede zwischen den Systemen zeigen sich beim Entladen. Volleinspeiser können den bilanziellen Eigenverbrauch nutzen und so analog zu den DC-Systemen Lasten auf allen Phasen decken. Nulleinspeiser dürfen hingegen nur so viel Energie abgeben, dass auf keiner Phase Leistung ins Netz abfließt. Sind Nulleinspeiser einphasig, so bedeutet dies, dass nur auf einer Phase der Verbrauch durch den Batteriespeicher gedeckt werden kann. Nulleinspeiser sind daher eher für Anwendungen geeignet, in denen Verbraucher einer Phase zugeordnet werden können. Verbraucher, die an anderen Phasen angeschlossen sind, können von ihnen auch nicht versorgt werden. Daher sollte der Nulleinspeiser stets an der Phase mit dem höchsten Verbrauch angeschlossen werden. Folgerichtig können Nulleinspeiser aber auch nur ein Drittel der Grundlast kompensieren, wenn diese über die Phasen verteilt angeschlossen ist.

Außer dem Nachteil, dass AC-Systeme als Volleinspeiser zugelassen sein müssen, damit der Verbrauch auf allen Phasen als Eigenverbrauch zählt, haben sie noch eine weitere Eigenschaft, die sich negativ auf die ökonomische Betrachtungauswirken kann. Da der Solarstrom zunächst in Wechselstrom umgewandelt wird, um danach im AC-System wieder in Gleichstrom gespeichert zu werden, haben AC-Systeme in der Regel nämlich einen geringeren Gesamtwirkungsgrad. Da die Batterie bereits als eigener Verbraucher gilt, zählen im Sinne des EEG zwar auch die dabei anfallenden Verluste als Eigenverbrauch und werden entsprechend vergütet. Allerdings trägt der Solarstrom, der beim Laden der Batterie durch die Verluste im Batteriewechselrichter verloren geht, nicht mehr dazu bei, Netzstrom zu sparen. Sind die Ladeverluste eines realen AC-Systems also wirklich höher als die eines alternativen DC-Systems, wird weniger Netzstrom durch Solarstrom ersetzt und der Geldbeutel weniger stark geschont. Anders ausgedrückt: Der Autarkiegrad sinkt. Das wird in Zukunft vielleicht sogar eine noch eine größere Rolle spielen als zurzeit. Denn mit wachsenden Stromkosten werden die Verluste aufgrund dieser Ineffizienz steigen.

Dr. Armin Schmiegel hat bei Voltwerk Electronics ein DC-Speichersystem mit entwickelt.