In Deutschland sind mittlerweile über 1,5 Millionen Photovoltaik-Anlagen mit einer Leistung von knapp 40.000 Megawatt installiert. Die Verwendung des Stroms hat sich allerdings in den letzten Jahren von der EEG-geförderten Netzeinspeisung hin zum Eigenverbrauch deutlich verändert. Seit ins Netz eingespeister Strom aktuell nur noch mit 12,7 ct/kWh vergütet wird und Verbraucher für die Kilowattstunde bis zu 29 Cent bezahlen müssen, empfiehlt es sich, möglichst viel Strom selbst zu verbrauchen und überschüssige Mengen zu speichern. Entsprechend wächst der Markt für Energiespeicher auch beständig. Vergangenes Jahr wurden allein in privaten Häusern über 15.000 Batteriespeicher installiert, so dass deutschlandweit mittlerweile über 34.000 dieser Anlagen mit insgesamt 200.000 kWh Speicherkapazität betrieben werden – Tendenz steigend. Die meisten Käufer wollen sich damit gegen steigende Strompreise absichern.
Quelle: SMA
Ein typisches Photovoltaik-Batteriesystem besteht aus Solarzellen, Wechselrichter, dem Speichersystem mit Batterien und Laderegler sowie einem Energiemanagementsystem (hier als Umschalter bezeichnet). Die Solarzellen auf dem Dach erzeugen aus Sonnenlicht Gleichstrom. Je stärker das Sonnenlicht und je besser der Einstrahlungswinkel, desto mehr Strom erzeugen sie. Bei Bewölkung und in lichtarmen Jahreszeiten nimmt die Solarstromerzeugung deutlich ab.
Der solar erzeugte Gleichstrom wird durch einen Wechselrichter in den im Haushalt gebräuchlichen Wechselstrom umgewandelt. Das Energiemanagementsystem beziehungsweise der Umschalter entscheidet, ob der Strom direkt von den Verbrauchern genutzt, zum Laden der Batterie eingesetzt oder in das Stromnetz eingespeist wird. Hier gilt: Verbrauch vor Laden vor Einspeisung. Der genaue Ablauf wird allerdings vom Strombedarf, dem Ladezustand der Batterien und einer möglichen Begrenzung der Einspeisung ins Netz (in Deutschland laut EEG 70 Prozent der installierten Photovoltaik-Leistung) beeinflusst. Hier wäre es natürlich gut, wenn große Verbraucher, wie Waschmaschinen, automatisch aktiviert würden, wenn viel Solarstrom erzeugt wird. Ansätze für entsprechende Hardware, auch als Teil einer ganzheitlichen Smart Home-Steuerung, sind teilweise verfügbar und vieles steckt noch in der Entwicklung. Wird mehr Strom benötigt als aktuell produziert, wird der Batteriespeicher entladen. Zusätzlicher Bedarf wird über den Strombezug aus dem Netz abgedeckt.
Es gibt viele Varianten der Batteriespeicher, über 200 Speichersysteme in verschiedenen Größen und mit unterschiedlicher Technik werden von den Solar- und Batterieherstellern angeboten. So gibt es auch Systeme, wo die Batterie gleichstromseitig zwischen Solarzellen und Wechselrichter angeschlossen wird. Zudem kann die Einspeisung auf einer Stromleitung (einphasig) oder über alle drei Stromleitungen (dreiphasig) erfolgen.
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Blei- oder Lithium-Ionen-Batterien
Die Batteriespeicher werden als eine komplette Einheit – teilweise sogar im „Designer-Gehäuse“ – angeboten. Diese Systeme enthalten die Batterien einschließlich der Elektronik. Ihre Speicherkapazität reicht je nach System von einer bis zu über 60 Kilowattstunden. Durchschnittlich verfügen die in Deutschland verkauften Systeme über eine Kapazität etwa sechs Kilowattstunden (Stand Januar 2016). Während in den letzten Jahren Bleibatterien und Lithium-Ionen-Batterien noch etwa im gleichen Maße eingesetzt wurden, überwiegen mittlerweile die Lithium-Ionen-Batterien. Andere Batterietypen werden bisher noch nicht in Batteriespeichern fürs Eigenheim eingesetzt, erste Modelle werden allerdings seit kurzem angeboten. Die Batterien sind in der Regel als Pakete mit mehreren Einzelzellen zusammengefasst. Ein Management-System – vergleichbar mit einem intelligenten Ladegerät – entscheidet darüber, welche Batteriezellen geladen und entladen werden. Gleichzeitig wird der technische Zustand überwacht.
Bleibatterien sind ähnlich wie eine Starterbatterie in Fahrzeugen ausgeführt. Sie zeichnen sich durch einen niedrigeren Anschaffungspreis und eine robuste Bauweise aus. Allerdings kann bauartbedingt meist nur 50 bis 60 Prozent der installierten Kapazität genutzt werden. Bleibatterien sind schwer und benötigen mehr Platz für die Speicherung. Dies dürfte jedoch im Keller vieler Häuser keine große Rolle spielen. Nachteil ist ihre im Vergleich zur Lithium-Ionen-Technologie geringere Zyklenbeständigkeit. Sie können also nicht so häufig be- und entladen werden.
Lithium-Ionen-Batterien zeichnen sich durch einen hohen Energiegehalt bei kompakter Bauweise aus. Ihre Anschaffung ist teurer und sie reagieren relativ empfindlich auf zu starkes Be- und Entladen, was durch ein entsprechendes Management berücksichtigt werden muss. Allerdings erreichen sie deutlich höhere Zyklenzahlen und es können 60 bis 80 Prozent der Batteriekapazität genutzt werden.
Häufig bieten Hersteller für den heimischen Gebrauch einen Batteriespeicher in einem Standardschrank mit einer Größe (etwa so groß wie ein Standkühlschrank) an, in den sie nach Kundenwunsch einen oder mehrere Batterieblöcke einbauen. Dementsprechend ist der spezifische Preis pro Kilowattstunde Speicherkapazität bei kleineren Systemen deutlich höher, weil die fixen Systemkosten für Gehäuse und Elektronik etwa gleich hoch sind. Laut Speichermonitoring (Stand Januar 2016) rangieren die Preise zwischen 750 und 1.600 Euro pro Kilowattstunde (Durchschnitt 1.200 €/kWh) für Speicher mit Bleibatterien und zwischen 1.300 und 2.500 Euro pro Kilowattstunde (Durchschnitt 1.900 €/kWh) für Systeme mit Lithium-Ionen-Batterien. Der wachsende Markt und die fortschreitende technologische Entwicklung führten zu einem Preisrückgang von etwa 18 Prozent pro Jahr bei Lithium-Ionen-Batterien und etwa fünf Prozent bei Bleibatterien. Diesen Trend belegt nicht zuletzt die Ankündigung von Tesla, ein lithium-ionen-basiertes Speichersystem für etwa 300 Euro pro Kilowattstunde auf den Markt zu bringen.
Eigenverbrauch und Autarkie
Wieviel des selbst erzeugten Solarstroms genutzt werden kann, hängt von der Größe und Ausrichtung der Photovoltaik-Anlage ab. Außerdem ist entscheidend, wie gut das eigene Stromverbrauchsmuster mit dem Profil der Solarstromerzeugung übereinstimmt. Die Größe des Batteriespeichers spielt ebenfalls eine wichtige Rolle.
Die Eigenverbrauchsquote beschreibt, wieviel des eigenen Solarstroms genutzt wird (Eigenverbrauchsquote = Eigenverbrauch/Photovoltaik-Erzeugung). Erfahrungsgemäß beträgt die Eigenverbrauchsquote ohne die Verwendung von Speichern rund 30 Prozent. Autarkie bezeichnet den Grad der Unabhängigkeit vom Strombezug und ermittelt sich aus dem Eigenverbrauch in Bezug auf den gesamten Strombedarf (Autarkiegrad = Eigenverbrauch/gesamter Strombedarf). Die mögliche Autarkie wurde an der Technischen Hochschule Köln für einen realen Haushalt im Kölner Raum untersucht. So ist mit einer Photovoltaik-Anlage (z.B. 5 kWPeak), die etwas mehr als den jährlichen Strombedarf (z.B. 3.500 kWh) erzeugt, in Kombination mit einem Batteriespeicher (z.B. 7 kWh) eine Autarkie von bis zu 70 Prozent erreichbar. Hier versorgt sich der Haushalt in den sonnenreichen Monaten praktisch durchgehend mit eigenem Solarstrom aus Photovoltaik und Batterien. In den sonnenarmen Herbst- und Wintermonaten ist dies nicht möglich, hier wäre eine saisonale Speicherung des Sonnenstroms über Monate erforderlich. Die Batterie oder die Solaranlage müssten dann zum Erreichen einer vollständigen Autarkie um Faktor 100 vergrößert werden, was sicherlich nicht wirtschaftlich sein kann.
Förderung für Selbstnutzer
Die Bundesregierung hat ein KfW-Förderprogramm für Photovoltaik-Batteriespeicher ins Leben gerufen, um die Markteinführung dezentraler Systeme zu unterstützen. Voraussetzung für die Förderung ist, dass ein Batteriespeicher zusammen mit einer neuen Photovoltaik-Anlage installiert wird. Die Anschaffung von Batteriespeichern als Ergänzung zu einer bereits installierten Photovoltaik-Anlage wird nur für nach 2012 installierte Photovoltaik-Anlagen unterstützt.
Im Rahmen des KfW-Programms „Erneuerbare Energien – Speicher“ (Programm-Nr. 275) kann ein zinsvergünstigter Kredit für die gesamte Investition in Photovoltaik und Batteriespeicher in Anspruch genommen werden, sowie ein Tilgungszuschuss von bis zu 25 Prozent auf die Kosten des Batteriespeichers. Dieser Tilgungszuschuss sinkt bis 2018 schrittweise auf zehn Prozent ab, weil die Bundesregierung deutliche Kostensenkungen bei den Batteriespeichern erwartet.
Im ersten Schritt des Förderprogramms wurden bis Ende 2015 etwa 60 Millionen Euro für 19.000 Batteriespeicher-Anlagen bereitgestellt. Allerdings nutzen weniger als 60 Prozent der Käufer von Batteriespeichern das KfW-Angebot. Im März 2016 erfolgte dann eine Verlängerung des KfW-Förderprogramms bis zum 31. Dezember 2018. Mit der Förderung sind aber striktere Anforderungen an die mit dem Batteriespeicher angeschlossene Photovoltaik-Anlage verbunden. So darf nur noch maximal 50 Prozent der installierten Photovoltaik-Leistung ins Netz eingespeist werden. Die über die 50 Prozent maximal erlaubte Einspeiseleistung muss entweder gespeichert oder – bei vollem Batteriespeicher –abgeregelt, also gar nicht erst erzeugt werden. Damit soll bewirkt werden, dass die Photovoltaik-Anlagen „netzdienlicher“ einspeisen und der Bedarf an neuen Stromleitungen zum Anschluss der Photovoltaikanlagen verringert wird. Verschiedene Untersuchungen, unter anderem an der TH Köln oder der HTW Berlin zeigen, dass die Einbußen durch diese Abregelung in Kombination mit einem ausreichend großen Batteriespeicher relativ gering sind.
Gute Aussichten
Die Batterietechnologie – insbesondere die Lithium-Ionen-Technologie- wird durch die steigende Nachfrage in der Elektromobilität wichtige Impulse erhalten. Hier steht die höhere Qualität bei gleichzeitig deutlich geringeren Kosten im Vordergrund. Fahrzeughersteller wie Tesla, BMW oder Daimler-Benz beabsichtigen auch, in den Markt für Hausstromspeicher einzusteigen. Dadurch könnten die Preise weiter sinken, was wiederum die hauseigene Stromproduktion und -speicherung für den Eigenverbrauch attraktiver macht. Auch Bleibatterien werden weiter eine wichtige Rolle in der stationären Stromspeicherung spielen. Es gibt auch erste Alternativen in Form von kleinformatigen Redox-Flow-Batterien, die eine höhere Haltbarkeit aufweisen sollen.
Mit neuen Anwendungskonzepten wie „Schwarmspeicher“ oder „Strombank“ versuchen Anbieter, neben der hauseigenen Stromspeicherung auch einen Mehrwert der Energiespeicher im Strommarkt zu entwickeln, was wiederum die Batteriespeicherung noch attraktiver machen könnte. Insgesamt kann also davon ausgegangen werden, dass sich der Markt weiter entwickeln wird – nicht nur fürs Eigenheim, sondern auch für größere Einheiten im Quartier oder im gewerblich-industriellen Bereich.
Prof. Dr.-Ing. Thorsten Schneiders ist Professor für Energiespeicherung am Cologne Institute for Renewable Energy der Technischen Hochschule Köln.
