Energiespeicher Solarstromnutzung mit Speicher

Bei der Einrichtung von Energiespeichern in Haushalten mit Photovoltaikanlagen treten einige Fragen auf. Zum Beispiel an welcher Stelle der Energiespeicher in das System integriert wird, wie der Haushalt am besten versorgt werden kann, welche Bedeutung die Laderate des Akkus spielt und wie groß er dimensioniert werden sollte.

In den letzten Jahren hat ein Wandel sowohl in der Solarbranche als auch bei den Endkunden begonnen. Stand in den Jahren zuvor stets der Verkauf von Solarstrom mit dem EEG als Renditegarant im Vordergrund, verliert dieses Modell aufgrund sinkender Einspeisevergütungen zunehmend an Attraktivität. Das neue Geschäftsmodell lautet Eigenverbrauch. Ziel ist es, möglichst viel Solarstrom vom eigenen Dach direkt zur Deckung des eigenen Strombedarfs zu verwenden. Die Steigerung des Eigenverbrauchs kann zum einen über die zeitliche Verschiebung von Lasten erfolgen. Eine Reihe von Herstellern bietet hierzu die passenden Produkte an. Leider erweist sich diese Lösung als kostenintensiv und komplex, da einheitliche Schnittstellen nicht für alle Verbraucher existieren und die geeigneten Geräte deutlich teurer sind. Weiterhin sind nur sehr wenige Verbraucher aus Nutzersicht wirklich in potenziell sonnenreiche Zeiträume verschiebbar. [1]

Energiespeichersysteme stellen hier eine gute Alternative dar. Sie erlauben die bedarfsgerechte Bereitstellung von Solarstrom bei Tag und bei Nacht. Wirtschaftlich sind sie aus zweierlei Hinsicht attraktiv: Zum einen reduzieren sie die Strombezugskosten. Je nach Verbraucherverhalten und Speichergröße kann diese Ersparnis bis zu 80 % betragen. Weiterhin generieren diese Systeme zusätzliche Erträge durch den Verkauf von überschüssigem Solarstrom.

Wahl des Speichersystems

Die Zahl der angebotenen Speichersysteme hat sich seit einem Jahr vervielfacht. Ein entscheidendes Kriterium bei der Wahl des richtigen Speichersystems ist, an welcher Stelle der System-auslegung der Energiespeicher eingebunden wird. Aktuell haben sich drei verschiedene Systemarten etabliert, die den Akku unterschiedlich nutzen [2 - 5].

Die AC-Kopplung

Die erste Möglichkeit ist die Wechselstrom-Kopplung, bei der ein Laderegler ans Hausnetz angeschlossen wird (im Bild oben (1)). Über ihn kann dann sowohl Netz- als auch Solarstrom gespeichert oder wieder eingespeist werden. Diese Art des Anschlusses ist vor allem für die Nachrüstung von existierenden Systemen geeignet, da hier lediglich ein Energiespeichersystem ans Hausnetz angeschlossen werden muss. Allerdings muss in diesem Fall ein zusätzliches Energiemanagementsystem (EMS) mit einer zentralen CPU das Zusammenspiel zwischen Wechselrichter und Energiespeichersystem regeln. Das EMS ist darüber hinaus mit dem Netzeinspeisepunkt verbunden und bekommt über ein dort installiertes Messgerät Informationen über den aktuellen Energiebedarf.

Anschluss auf der Solargeneratorseite

Eine zweite Topologie ist der Anschluss des Energiespeichers auf der Solargeneratorseite, also zwischen den Modulen und dem Wechselrichter (im Bild Mitte (2)). Auch hier muss ein Energiemanagementsystem installiert werden, welches beide Systeme miteinander koordiniert. Zudem kann ein solches System nicht mit Netzstrom geladen werden - wenn nicht der Wechselrichter über die entsprechende Funktion verfügt. Weiterhin kann die Leistung des MPP-Trackers (Maximum Power Point Tracking) unter der zusätzlichen Einwirkung des Ladereglers leiden.

Der MPP-Tracker misst und regelt normalerweise die Spannung der einzelnen Solar-Panels, um deren maximale Leistung sicherzustellen, da sie etwa durch Temperaturdifferenzen oder teilweise Abschatung von Modulen variiert. Ist der Energiespeicher nun vor den MPP-Tracker geschalten, misst und regelt der eine Kombination aus Akku- und Solarspannung. Mit einem Hoch-Tiefsetzsteller lässt sich dieses Problem allerdings leicht lösen, da er die Batteriespannung auf das entsprechende Spannungsniveau hebt beziehungsweise senkt. Der Gesamtwirkungsgrad eines solchen Systems ist rund 5 % höher als der von AC-gekoppelten Systemen.

Vollintegrierte DC-gekoppelte Systeme

Die dritte Topologie ist die der Anbindung des Energiespeichers direkt auf dem internen Zwischenkreis des Wechselrichters (im Bild unten (3)). Der Anschluss am Netz unterscheidet sich dabei kaum von dem eines normalen Wechselrichters. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Wirkungsgrad wesentlich höher als bei einer der beiden anderen Topologien ist. Schließlich kann so beispielsweise der Laderegler dazu verwendet werden, den Zwischenkreis des Wechselrichters so zu stabilisieren, dass dieser stets im optimalen Arbeitspunkt arbeitet.

AC- oder DC-Kopplung?

Bei dem seit Mai dieses Jahres gültigen Förderprogramm für dezentrale Energiespeicher für Solarstrom muss unter anderem die maximale Einspeisung bei neu installierten Anlagen mit einem Energiespeicher auf 60 % der PV-Generatorleistung gedrosselt werden. Dadurch sollen die Verteilnetze entlastet werden. In umfangreichen Studien konnte dieser Effekt bestätigt werden [6, 7]. Es zeigt sich dabei, dass bereits die Installation von Speichersystemen zu einer leichten Entlastung der Verteilnetze führt [8].

Vollintegrierte DC-gekoppelte Systeme können diese Anforderung des Förderprogramms optimal umsetzen. AC-gekoppelte Systeme stehen hier vor der Herausforderung, dass sie den PV-Wechselrichter ansteuern und regeln müssen. Da die geforderte Drosselung für die Einspeisung am Netzanschlusspunkt gilt und sich auf die Bilanz zwischen eingespeister und bezogener Leistung bezieht, müssen AC-gekoppelte Systeme also den Verbrauch und die aktuelle Produktion miteinander verrechnen und dann den Wechselrichter gegebenenfalls drosseln. Damit sind der technische Aufwand und die Kosten bei einem AC-System höher.

Auch im Bereich Notstromversorgung ist ein DC-gekoppeltes System von Vorteil, da bei einem AC-System der Solarwechselrichter vom Netz getrennt wird und dann nur noch so lange Energie zur Verfügung steht, wie aktuell in der Batterie gespeichert ist. Bei einem DC-System wird die Batterie weiterhin von der PV-Anlage geladen. Somit kann die Anlage im Inselbetrieb unbegrenzt weiterarbeiten.