Bei Bedarf Strom - Eine kleine Marktübersicht über PV-Batteriespeichersysteme

Beim Nutzer stehen tendenziell nicht mehr die Renditen, sondern die Stromkos­ten im Vordergrund. Die Investition eines geeigneten und richtig dimensionierten PV-Batteriespeichersystems in Kombination mit einem Energiemanagement amortisiert sich allein durch die Eigenstromutzung und durch die Inanspruchnahme des seit dem 1. Mai 2013 geltenden „Speicherförderungsprogramm 275“ der KfW.
Die Kapazität des PV-Batteriespeichers sollte jedoch individuell auf das elektrische Lastprofil des Haushaltes abgestimmt werden. Durch ein optimiertes Verbraucherverhalten wird die Abhängigkeit vom Netzbetreiber eingeschränkt und die Eigenverbrauchsquote des selbst erzeugten Stroms deutlich erhöht. Mit einem PV-Batteriespeicher lässt sich der Strom u.a. auch zeitversetzt nutzen, um so Eigenverbrauchsquoten von 60 bis 70% zu realisie-
ren.

Technisch-physikalische Anforderungen
In der Praxis werden bevorzugt Blei-Säure- und Blei-Gel-Akkumulatoren sowie Lithium-Ionen-, Lithium-Eisen-Phosphat- (LiFeP04) und Lithium-Titanat-Speicher hergestellt. In der Batterietechnologie wird der Begriff „Batterie“ als Oberbegriff für das System und  umgangssprachlich der Begriff „Akkumulator“ für den Spezialfall als wiederaufladbares System verwendet. Bei den PV-Batteriespeichersystemen können die Akkus entweder direkt integriert oder sie können separat mit einer Leistungselektronik eingebunden werden. Insofern werden auch Speichersysteme angeboten, die nicht nur bewusst auf eine integrierte Batterie verzichten, sondern dafür eine Leistungselektronik einsetzen, die mit unterschiedlichen Batterietechnologien zusammenarbeiten, z.B. mit dem „PowerRouter“ von Nedap, in dem der Wechselrichter, Laderegler und Energiemanager vereinigt ist. Der „PowerRouter“ arbeitet u.a. mit den Batterien von Leclanché und Saft. Blei-Akkumulatoren sind gegenüber den Lithium-Technologien in der Investition zwar kostengünstiger, erreichen aber nur eine Lebensdauer von max. 12 Jahren und sind zudem wartungsintensiver.
Außer der unterschiedlichen Technologie sind bei den Akkumulatoren auch die Betriebsparameter, wie Leistung, nutzbare Batteriekapazität (kWh), Spannung, empfohlene Ladung und Entladetiefe, Lebensdauer (Zyklenzahl/anno), zu beurteilen. Weil die Energiedichte von Blei-Gel-Batterien bei ca. 30 Wh/kg Masse und die auf Basis der Lithium-Ionen-Technologie bei 95 Wh/kg und 190 Wh/kg liegt, wird ein System auf Basis der Lithium-Ionen-Variante bei gleicher Kapazität wesentlich leichter als eine Blei-Gel-Ausführung.  
Für die Fachplaner und Solarteure wird es nicht einfach sein, aus dem wachsenden Angebot das richtige PV-Batteriespeichersystem zu wählen, weil die Systeme im Detail nach den unterschiedlichen Kriterien betrachtet werden müssen. Ein wichtiger Unterschied besteht allein in der Dimensionierung. Die Dimensionierung eines Akkumulatorensystems wird primär von den beiden wichtigsten Größen, dem Eigenverbrauchsanteil und dem Autarkiegrad, beeinflusst. Hierzu sind generell die Kriterien zu berücksichtigen, ob der Anlageneigner einen optimalen Eigenverbrauchsanteil oder primär einen möglichst hohen Autarkiegrad bevorzugt. Nur wenn die Größe der PV-Anlage, Akkukapazität und Entladeleistung an den Verbrauch angepasst sind, lässt sich auch ein optimales Ergebnis erreichen.
Die Frage, wie oft die Zellen der Speichersysteme be- und entladen werden können, hängt von zahlreichen Faktoren ab, z.B. welche Entladetiefe veranschlagt wird. Während die Blei-Akkumulatoren nur bis maximal 60% entladen werden dürfen, können die Lithium-Ionen-Produkte durchaus bis zur Vollzyklusgrenze, d.h. bis 100% entladen werden. Nur wenn die Batteriekapazität und Entladeleistung mit der PV-Anlagengröße an den Verbrauch angepasst sind, lässt sich auch ein effizientes Ergebnis erreichen. Als Ansatz gilt: Die nutzbare Speicherkapazität (kWh) sollte nicht größer sein als ein Tausendstel des Jahresstromverbrauchs. Bei einem Verbrauch von z.B. 5000 kWh pro Jahr sollte die Batterie insofern für eine nutzbare Kapazität von 5 kWh ausgelegt werden. Um aber daraus die erforderliche Nennkapazität des Speichers abzuleiten, muss beachtet werden, dass beim Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien bis zu 90% der Nennkapazität genutzt werden können. Demgegenüber sollten Bleibatterien nur bis zu 50% entladen werden. Für einen Verbrauch von 5000 kWh im Jahr ergibt sich insofern für eine Lithium-Ionen-Batterie eine Nennkapazität von 6 bis 7 kWh und für eine Bleibatterie von ca. 10 kWh.
Für die dezentrale Energiezwischenspeicherung bietet sich zunehmend die Lithium-Ionen-Technologie an. Diese Systeme erfüllen die für den Betrieb der PV-Anlagen geforderten Anforderungen, wie eine zu erwartende Systemleistung mit hohen Ladezyklen von 20 und mehr Jahren. Zudem können diese Systeme nicht ausdüns­ten und sind platzsparender.
Zur Definition der Lebensdauer eines Akkumulators müssen auch die kalendarische Lebensdauer und die Zyklenlebensdauer betrachtet werden. Die kalendarische Lebensdauer definiert, wie lange der Akku genutzt werden kann, bis die definierte Restkapazität des Akkus (z.B. 80% der Ausgangskapazität) erreicht wurde. Mit der vom Hersteller genannten Zyklenlebensdauer wird dokumentiert, nach wie vielen Be- und Entladevorgängen die Kapazität des Akkumulators auf einen bestimmten Prozentsatz der Anfangskapazität gesunken ist.
Schwierig wird es, unterschiedliche Akkumulatoren miteinander zu vergleichen. Es gibt Produkthersteller, die eine Zyklenzahl bis 60 oder 70% der Ausgangskapazität angeben. Eine höhere Zyklenzahl hat auf jeden Fall eine niedrigere nutzbare Kapazität zur Folge. Der Fachplaner bzw. Solarteur sollte hier stets auf die Angaben der Datenblätter achten, d.h. bei welcher Restkapazität (%) der Hersteller die Zyklenzahl definiert hat. Die tatsächliche Lebensdauer hängt stark von der jeweiligen Anwendung ab. Sie kann aber über die kalendarische Lebensdauer und über die angegebene Zyklenlebensdauer abgeschätzt werden.

AC- oder DC-gekoppeltes Speichersystem
Bei der Auswahl des Speichersystems muss darauf geachtet werden, ob seitens der Fachplanung AC- oder DC-gekoppelte Produkte verwendet werden. Bei einem AC-geführten System wird eine höhere Flexibilität erreicht und der Akkumulator separat über einen Wechselrichter und Gleichstromwandler ins Wechselstromnetz des Gebäudes integriert. AC-geführte Systeme sind mit mehreren Bezugsquellen, also auch mit dem Netz, verbunden. Ein wesentlicher Vorteil von AC-geführten Systemen liegt auch in der guten Kompatibilität mit PV-Wechselrichtern. Andererseits muss ggf. bei einem AC-geführten System ein Produktionszähler vor dem Akku-System installiert werden, damit der Nachweis geführt werden kann, dass kein Netzstrom geladen und als Solarstrom eingespeist wird.
Bei einem DC-geführten System wird der Solarspeicher zwischen einem Gleichstromwandler und dem eigentlichen Wechselrichter integriert. Weil zwischenzeitlich der Eigenverbrauchsbonus entfallen ist, wird bei DC-gekoppelten Systemen unter 10 kWh kein Produktionszähler mehr gefordert bzw. braucht dieser Zähler auch nicht mehr nachwiesen werden. Bei PV-Anlagen mit einer Leistung über 10 kWh wird der Einsatz eines Produktionszählers deswegen erforderlich, weil ab 2013 nur 90% der Solarleistung vergütet werden. Der besondere Vorteil dieser DC-Hochvoltsysteme liegt zudem auch darin begründet, dass in der Regel höhere Systemwirkungsgrade als in AC-geführten Systemen erreicht werden.

Speicherung mit Blei- oder Lithium-Akkumulator?
Bisher hat sich zur Solarstromspeicherung die Verwendung von Bleibatterien als billigste und technisch ausgereifte Lösung mit einem hohen Wirkungsgrad dargestellt. Das Ein- und Ausspeichern der schwankenden Sonnenenergie erfordert eine hohe Anzahl an Ladezyklen, wodurch die Lebensdauer begrenzt wird. Bei einer Betriebszeit der PV-Anlage von 20 Jahren muss mit 7000 Zyklen gerechnet werden. Da Blei-Akkumulatoren in der Regel jedoch nur ein Drittel dieser Zyklen erreichen, muss während der Laufzeit von 20 Jahren mit einem ein- oder mehrmaligen Austausch gerechnet werden.  
Der Nachteil liegt aber nicht nur in der geringen Lebensdauer, sondern auch im hohen Gewicht und der laufenden Wartungskontrolle. Konventionelle Bleiplatten-Akkumulatoren mit verdünnter Schwefelsäure als Elektrolyt sind nicht wartungsfrei, ihr Säuregehalt muss regelmäßig geprüft und destilliertes Wasser ergänzt werden. Zudem besteht bei diesem Akkutyp die Gefahr einer Trennung von Säure und Wasser innerhalb der Batterie. Dieses kann bei niedrigen Temperaturen zum Gefrieren des Wassers und somit zum Platzen der Akkus führen. Aufgrund der bautechnischen Vorgaben an die Aufstellungsräume für Bleibatterien (AGI-Richtlinien) erweist sich hier der Einsatz von Blei-Gel-Akkumulatoren als vorteilhafter.

Produkthersteller (Auszug)
AC-Netz integriert
Die Kaco new energy, Neckarsulm, bietet zur Erweiterung bestehender PV-Anlagen den neuen Solarstromspeicher  und Energiemanagementsystem „Powador-Gridsave eco flexible“ als AC-gekoppeltes System an. Der kompakte Standardschrank vereint den Wechselrichter, den Blei-Gel-Akkumulator und die Steuereinheit.
Im Rahmen der RWE Home Power Produktionssparte hat die RWE Effizienz GmbH, Dortmund, die beiden PV-Batteriespeichersysteme „RWE Storage compact“ und den „RWE Storage vario“ mit integrierter „RWE Smart Home“ entwickelt.
Die RWE Effizienz hat sowohl die „Engion Family“ von Varta als auch die „Sonnenbatterie“ von Prosol Invest im Programm.

DC-Zwischenstromkreis integriert
Hier wird der Laderegler für die Batterie in den Gleichstrom-Zwischenkreis des Wechselrichters integriert, wobei die Leistungselektronik des Wechselrichters sowohl für den Strom aus dem Solargenerator als auch für den aus der Batterie genutzt wird.
Der Systemlieferant E3/DC, Osnabrück, bietet drei neue Speichersysteme mit 5,0 und 8,0 bzw. 12 kW AC-Leistung an. Das dreiphasige DC-Stromspeichersystem „S10“ wird als AC-Speicher (Retrofit) oder als DC-Speicher betrieben.
Der „Storage S10“ ist mit jedem Wechselrichter kompatibel und lässt sich auch als Notstromaggregat einsetzen. Vom Systemlieferant E3/DC wird auf den Akkumulator mit einer Entladetiefe von 94% eine Garantie von sechs Jahren gewährt.
Das Speichersystem „Storage S 10“ von E3/DC, das auch AS-Solar in den Vertrieb übernommen hat, lässt sich der Eigenverbrauch von Solarstromanlagen auf bis zu 80% erhöhen.
Der Produkthersteller SMA-Solar Technology, Niestetal, wird für das dritte Quartal 2013 den „SunnyBoy 5000 Smart Energy“ mit einem Speicher auf dem Markt anbieten. Vom technischen Aufbau her handelt es sich um einen 5-kW-Wechselrichter mit einem integrierten Lithium-Ionen-Akkumulator. Das Speichersystem ist besonders für den Einsatz in Einfamilienhäusern geeignet. Der Speicher hat den Vorteil, dass er mit der vergleichsweise kleinen Speicherkapazität von 2,2 kWh (brutto) und einer Entladetiefe von 90% an ca. 300 Tagen genutzt werden kann. Die Eigenverbrauchsquote wird bei 50% liegen. Das System steuert den Eigenverbrauch, wobei neben dem automatischen Zu- und Abschalten der Verbraucher auch die variablen Strompreise berücksichtigt werden.
Die Varta Microbattery, Ellwangen, hat das neue Speichersystem „Engion“ in drei Leistungsstufen als „Family“, „Family Plus“ und „Family Max“. Die drei Speichersysteme eignen sich entsprechend ihrer nutzbaren Speicherkapazität für die Einsatzbereiche:

• Einfamiliengebäude,
• Mehrpersonenhaushalte in Kombination mit E-Bikes,
• Mehrfamiliengebäude zur Kombination einer Ladung für Elektro-Pkws.  

Resümee
Aufgrund der steigenden Strompreise der Versorgungsnetzbetreiber ist primär eine PV-Stromnutzung mit Eigenstromversorgung angesagt. Der Einsatz eines PV-Batteriesystems mit Energiemanagement erweist sich bei gleichzeitiger Inanspruchnahme des KfW-Förderprogramms als sinnvolle Investition für mehr Unabhängigkeit und Energieeffizienz.
Als positives Ergebnis lässt sich erkennen, dass aufgrund der neuen Förderzuschüsse die Speichereinsätze intensiviert werden. Andererseits wird sich die Investition für PV-Batteriespeicher aufgrund der sinkenden Systempreise in kürzester Zeit amortisieren.
Volkswirtschaftlich gesehen muss das Stromnetz der Zukunft die variable Strom­erzeugung und den flexiblen Verbrauch koordinieren. Insofern entlasten die dezentralen PV-Batteriespeichersysteme das öffentliche Stromnetz, sodass seitens der Versorgungsnetzbetreiber mehr Zeit für den dringend erforderlichen Netzausbau erreicht wird.

Autor: Dipl.-Ing. Eric Theiß ist als freier Journalist mit den Themenschwerpunkten Technische Gebäudeausstattung (TGA) und rationelle Regenerativtechnologien tätig. 81369 München, dipl.ing.e.theiss@t-online.de