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In unserem Speicher Lexikon finden Sie alles, was es rund um das Thema Speicher zu wissen gibt. Wie haben sich die Kosten entwickelt? Welche Vorteile bietet ein Speicher? Ist eine Nachrüstung sinnvoll? Welchen Nutzen bietet ein Speicher in Verbindung mit einer Photovoltaikanlage? Das alles und noch viel mehr erfahren Sie hier bei uns! Zu den wichtigsten Themen, wie beispielweise neu Entwickelte Akkumulatoren Technologien, neue Speicher Projekte etc., gibt es vertiefende Artikel.
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Speicher Themen
Leider gibt es hier auch keine eindeutige Antwort. Man kann aber grob folgende Faktoren als ausschlaggebend identifizieren:
- Das Alter der PV-Anlage: Bei sehr alten Anlagen (Errichtung vor 15 Jahren oder mehr) raten wir von einer Speichererweiterung ab. Hier könnte es nämlich passieren, dass sich der Speicher erst nach dem Lebensende der PV-Anlage (ca. 30 Jahre) amortisiert.
- Wann wurde ihre PV-Anlage erbaut und wie viel Einspeisevergütung erhalten sie für ihren Strom? Durch den Einbau eines Speichers würde sich ihr Eigenverbrauchsanteil erhöhen. Eine Stromkostenersparnis entsteht aber nur, wenn Ihr aktueller Strompreis über der Einspeisevergütung liegt. Der Strompreis in Österreich beträgt im Moment (inklusive Steuern und Netzgebühren) rund 20 Cent. Nur in den Jahren vor 2012 wurde die Einspeisung von Sonnenstrom mit über 20 Cent (von der OeMag) gefördert. Somit ist die Installation eines Speichers bei Anlagen, die vor 2012 installiert wurden, finanziellen gesehen nicht sinnvoll, da sie durch die Einspeisung mehr Geld gewinnen als Sie beim Eigenverbrauch sparen können.
Fasst man die ersten zwei Punkte zusammen, wird schnell klar, dass eine Nachrüstung eines Speichers in Österreich erste bei Errichtung der PV-Anlage nach 2011 sinnvoll ist. Danach ist dann noch folgendes zu beachten:
- An den aktuell stark ansteigenden Strompreisen sieht man: Der Markt ist volatil. Möchte man also zunehmend unabhängig von den fluktuierenden Preisen werden, lohnt sich ein Speicher, wenn sich dadurch der Eigenverbrauch erhöht.
- Umweltschutzgedanke: Mit ihrem Speicher tragen sie zusätzlich dazu bei, dass der Strom lokal gespeichert wird, um alsbald wiederverwendet zu werden. Dadurch wird eine Überlastung des Netzes in den sonnenstärksten Zeiten verhindert. Sie tragen also direkt zur Flexibilisierung des Energiesystems bzw. der Energiewende bei.
Batteriezellen sind die kleinste Einheit im Batteriesystem. Wird die Funktionsweise eines Akkumulators beschrieben, spricht man meist nur über die Funktion einer einzigen Zelle. Mehrere dieser Zellen werden zu einem Batteriemodul vereint, die dann zu einem Batteriesystem oder Batteriepack zusammengesetzt werden. Bei Solarspeichern können meist je nach gewünschter Heimspeichergröße mehrere Module eines gleichen Herstellers zu einer Heimspeicheranlage verschalten werden.
Mit diesem modularen Aufbau kann in der Batterietechnologie maximale Flexibilität in Größe und Form der Batterien garantiert werden.
Grundsätzlich wird zwischen zwei Einteilungsformen unterschieden:
Die Einteilung nach Speicherdauer und die Einteilung nach Energieform.
Bei der Speicherdauer wird zwischen Kurz- (Schwungsmassenspeicher, Kondensatoren, Spulen, Pumpspeichern, Druckluftspeichern oder Akkumulatoren), Mittel- und Langzeitspeicher (Gassspeicher, Wärmespeicher, Brenn- und Kraftstoffe und Pumpspeicher) unterschieden.
Bei den Energieformen wird zwischen thermischen Speichern (wie es Langzeitspeicher oft sind), chemischen Speichern (Wasserstoff, Erdgas, Bleiakku, ), mechanischen Energiespeichern (in Form von kinetischer Energie mit Hilfe von z.B. Schwungradspeichern oder potentieller Energie in Form von Feder, Pumpspeicherkraftwerk, Druckluftspeicherkraftwerk oder Hubspeicherkraftwerk), elektrischer Energiespeicherung (Kondensatoren oder supraleitende magnetische Spulen) und chemischer Energiespeicherung (Bleiakku, Lithium-Ionen-Akku, etc.) unterschieden.
Eine Faustregel besagt, dass pro Kilowattpeak (kWp) Photovoltaik-Leistung etwa eine Kilowattstunde (kWh) an Speicherkapazität vorhanden sein soll.
Die Größe eines Solarspeichers hängt aber vor allem von den folgenden Faktoren ab:
- Jahresstromverbrauch
- Vebrauchsverhalten
- Größe der PV-Anlage
Zusätzlich sind gewünschter Autarkiegrad, Effizienz der Stromerzeugung und verfügbare finanzielle Mittel mit einzubeziehen. Wie genau sich die Dimensionierung eines Speichersystems gestaltet, finden Sie hier.
Eine Batterie ist ein Zusammenschluss mehrerer Batteriezellen. In der Physik wird sie als „galvanische Zelle“ bezeichnet. Man unterscheidet zwischen Primärzelle, Sekundärzelle und Brennstoffzelle.
Jede galvanische Zelle besitzt zwei verschiedenen Elektroden und einem Elektrolyten (das galvanische Element). Zwischen den zwei Elektroden sitzt ein Elektronenleiter, während das Elektrolyt über einen Ionenleiter wechselwirkt. Auf der einen Seite werden Ionen (positiv geladene Teilchen) an den Elektrolyten abgegeben und Elektronen (negative Teilchen) an den metallischen Leiter in den Stromkreis abgegeben. Auf der anderen Seite entsteht bei Ankunft der Elektronen mitsamt den Ionen im Elektrolyten ein neutrales Atom an der Elektrode. Das bedeutet also, dass sich auf einer Seite die Elektrode auflöst, während auf der anderen Seite die Elektrode dicker wird. Dabei entstehen fließende Elektronen über den Leiter, was Strom bedeutet. Die Salzbrücke sorgt für einen positiven Ladungsausgleich. Sie wird heute meist durch eine Membran realisiert.
Eine Batterie ist ein Zusammenschluss mehrerer Batteriezellen, die jeweils aus zwei Halbzellen bestehen. Diese zwei Halbzellen kann man sich wie zwei gleich große Gefäße voll mit Wasser vorstellen. Eines dieser beiden Becken sei mit mehr Wasser gefüllt als das andere. Beide Gefäße sind am Boden durch einen Schlauch verbunden, der durch eine Klemme geschlossen gehalten wird.
Das Entladen
Öffnet man nun die Klemme und schließt somit den „Stromkreis“ fließt Wasser von einem Gefäß ins andere. Die Druckdifferenz (in einer Batterie: Potentialdifferenz) bewirkt das Fließen von Wasser, was übertragen auf die Batterie ein Fließen von Strom bedeutet. Dieser Fluss wird aufrechterhalten, bis beide Gefäße gleich voll sind. Übertragen auf die Batterie bedeutet das, dass an einer der Elektroden der Batterie bei voller Ladung ein Elektronenüberschuss vorhanden ist (negativ), was eine hohe elektrische Potentialdifferenz bewirkt. Schließt man nun einen Verbraucher (z.B. eine Glühlampe) an, fließen Elektronen und es entsteht Strom (= der Wasserfluss). Die Fließgeschwindigkeit des Wassers entspricht dabei der elektrischen Stromstärke.
Das Laden
Ist der Wasserstand der beiden Gefäße nun auf gleichem Niveau, muss zum erneuten Wasserfluss wieder ein unterschiedlicher Wasserstand erzeugt werden. Das ließe sich im Wassermodell beispielsweise durch einen Kolben bewerkstelligen. Dieser Kolben presst mit Hilfe von Strom von außen (der in die andere Richtung zeigt, wie der erzeugte Strom) den Wasserstand eines Gefäßes wieder nach unten. Dabei wird das Wasser (in der Batterie dann die Elektronen) wieder von einem Gefäß (=Elektrode) zum anderen gedrückt.
Das Solardach produziert Strom vor allem tagsüber, wenn die Sonne am stärksten scheint. Zu dieser Zeit wird aber in Privatgebäuden meist nur wenig Strom direkt verbraucht. In dieser Zeit übernimmt der Stromspeicher und speichert die überschüssige Energie. Wenn dann in den Abend- bzw. Nachstunden die Photovoltaikanlage zu wenig Energie für den Eigenbedarf erzeugt, deckt der Energiespeicher den fehlenden Bedarf für zum Beispiel Heizung (via Wärmepumpe), Licht und das Aufladen des E-Autos. Die Energie wird also von Tag zu Tag gespeichert und benutzt.
Am meisten Umbruch wird es in Zukunft wohl im Bereich der Gewerbe- und Netzspeicher geben. Zählten bis heute Pumpspeicherkraftwerke zu den beliebtesten Speicherelementen in diesem Bereich, so ist das nutzbare Potential weitestgehend ausgeschöpft. Neben den bisher noch teuren Lithium-Ionen Alternativen drängen sich zunehmend neue und günstigere Ideen.
Hochtemperaturspeicher, die mit Hilfe von Wärme Energie länger speichern sollen, sind kurz davor marktfähig zu werden. Ebenso sind Wasserstoff, Redox-Flow, Salzwasserbatterien und Gravitationsspeicher Gegenstand intensiver Forschung.
Einen guten Überblick zur Vielseitigkeit dieses Themas liefert die Kurzdokumentation The Future of Energy Storage Beyond Lithium Ion von CNBC.
In Verbindung mit einer Photovoltaikanlage wird im Heimspeicherbereich im Moment vor allem der Lithium-Ionen-Akku, der Natrium-Akku (bekannt als Salzwasserspeicher) und der Blei-Akku eingesetzt.
Bei größeren Anlagen (>20 kWh) kommen auch alternative Technologien zum Einsatz. In Kommunen, Gewerbe- oder Industriebetrieben wird in Verbindung mit der Sonnenkraft zum Beispiel auch Wasserstoff als eine Speicherform eingesetzt, wobei das heute aber noch sehr selten vorkommt. Vereinzelt werden auch Redox-Flow Batterien gebraucht.
Eine Batterie wird meist mithilfe der Kapazität, der Nennspannung und der Energiedichte klassifiziert.
- Die Kapazität gibt an, wie lange die Batterie Strom liefern kann. Sie wird meist in Ah oder Wh angegeben.
- Die Nennspannung ergibt sich aus Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden.
- Die Energiedichte beschreibt die Energiemenge einer Zelle und wird entweder auf das Gewicht oder das Volumen der Batterie bezogen. Sie wird also in Wh/kg oder Wh/l angegeben.
Durch eine zusätzliche Speichereinheit kann bei Benutzung einer PV-Anlage ein höherer Eigenverbrauch erzielt werden. Durch fallende Einspeisevergütungen führt ein höherer Eigenverbrauch zu einer geringeren Amortisationszeit und somit zu einer erhöhten Wirtschaftlichkeit des Photovoltaikanlagensystems. Nebenbei leistet eine Photovoltaikanlage in Kombination mit einem Energiespeicher einen wichtigen Beitrag für die Energiewende.
Grafik: Adam Islaam IIASA
Konventionell wird meist Strom erzeugt, indem aus chemischer Energie, thermische wird. Aus dieser wird dann mechanische Energie gemacht, woraus ein Generator elektrische Energie schafft.
Beispiel: Aus der Verbrennung von Kohle (chemische Energie), wird Wärme erzeugt (thermische Energie). Diese Wärme erhitzt Wasser, was Dampf entstehen lässt, welcher wiederum eine Turbine antreibt (mechanische Energie). Mit Hilfe eines Generators wird daraus dann Strom (elektrische Energie) gemacht.
Elektrochemische Energieumwandlung überspringt dabei die Zwischenschritte und macht direkt aus chemischer Energie Strom.
Eine Batterie ist ein Speicher für elektrische Energie. Batterien bzw. Akkumulatoren sind dabei aus dem Segment der elektrochemischen Energiespeicher. Das bedeutet, dass sie elektrische Energie in chemische Energie wandeln, um bei der Entladung wieder chemische in elektrische Energie zu transformieren.
Das Prinzip ist beispielsweise von Dateien bekannt, die an einem externen Speicherplatz abgelegt werden und worauf anschließend von jedem Endgerät oder auch Nutzer zugegriffen werden können.
Eine Stromcloud funktioniert ähnlich. Der überflüssig produzierte Strom fließt in einen Sonnen-Cloudspeicher, wo dann Guthaben für den Haushalt besteht, der diesen eingespeist hat. So kann aus mehreren Photovoltaikanlagen ein Speicher gespeist werden, der weit mehr Energie fassen kann als der Eigenheimspeicher allein.
Mit Prosumer (engl.) oder Prosument (deutsch) bezeichnet man eine Person, die zeitgleich Produzent und Konsument ist. Im Zusammenhang mit Photovoltaikanlagen, bezeichnet dies eine Person, die ihren eigens erzeugten Strom mit nutzt.
Ortsnetzspeicher, oder auch Quartierspeicher genannt, sind Energiespeicher mit denen der Stromverbrauch von der Stromerzeugung entkoppelt wird. Solche Speicherbatterien oder Batteriespeicher werden als Ortsnetzspeicher für die Netzentlastung und für die Versorgung von Quartieren und ganzen Stadtteilen eingesetzt. Quartierspeicher speichern überschüssige Energie und speisen die gespeicherte Energie in das Niederspannungsnetz ein.
Sie können im Netz für folgende Funktionen dienen
- Notstromfunktion
- Blindstrom Kompensation
- Laststeuerung von Verbrauchern
Ein Salzwasserspeicher ist eine Unterart des Natrium-Ionen-Speichers.
Der Natrium-Ionen-Speicher umfasst jene Akkumulatoren, die Natriumionen zum Ladungstransport in der Zelle verwenden. Natrium-Ionen-Speicher mit wässrigen Elektrolyten werden als Salzwasserbatterien bezeichnet.
kW steht für Kilowatt und beschreibt die Leistung eines Geräts. Kilowattstunden (kWh) dimensionieren die Energie bzw. die Arbeit. Deshalb wird die Leistung eines Stromspeichers in Kilowatt gemessen, während die Kapazität eines Stromspeichers in Kilowattstunden gemessen wird.
Am Beispiel des Elektroautos kann man vereinfacht sagen, dass die Wattzahl der eingebauten Batterie bestimmt wie schnell das Autofahren kann, während die Kilowattstundenanzahl der Batterie angibt, wie weit das Auto mit einer Ladung auskommt.
Vereinfacht kann man sich den Speicher wie eine Badewanne vorstellen. Über dieser Wanne befindet sich ein Wasserhahn. Der Durchmesser dieses Hahnes entspricht der Leistung des Geräts, also den Kilowatt. Geöffnet über eine bestimmte Zeit, liefert dieser Hahn dann Energiegehalt gemessen in Kilowattstunden.
Allgemein unterscheidet man grundsätzlich grob in Primär- und Sekundärbatterien. Primärbatterien sind nicht wieder aufladbar, während Sekundärbatterien öfter ge- und entladen werden können.
Batterien umfassen also alle Systeme, die Energie elektrochemisch speichern (im Fachjargon galvanische Elemente). Akkumulatoren sind dann nur Sekundärbatterien. Meint man ein einzelnes Glied dieser Systeme wird dieses mit Batteriezelle oder Akkumulatorzelle bezeichnet.
Power-to-X meint die Umwandlung überschüssiger Energie bzw. Strom in eine andere x-beliebige Energieform. Nach Energieform lassen sich drei Grundtypen unterscheiden: Power-to-Gas (P2G), Power-to-Heat (P2H) oder Power-to-Liquid (PtL).
Konsumartikelbatterien: Wer kennt sie nicht? Die nicht wiederaufladbaren Batterien in Fernbedienung, portablen Radios und Kinderspielzeug. In den meisten Fällen liegt ihnen eine Alkali-Mangan-Zelle zu Grunde, wodurch sie auch oft als Alkaline bezeichnet werden. Ihre Kapazität bewegt sich je nach Größe und Leistungsabgabe in den hundert bis tausend mAh (Milliamperestunden).
Heimspeicher: Die Heimspeicherbatterie bildet nach dem starken Boom an hauseigenen Photovoltaikanlagen eine eigene Kategorie. Sie umfasst meist zwischen 3 und 20 kWh (Kilowattstunden) und besteht heute überwiegend aus der Lithium-Ionen oder Blei-Technologie.
Elektrofahrzeug: Vermehrt nehmen Hybrid- und Elektro-PKWs Einzug in den Verkehr. In ihnen befinden sich meist Lithium-Ionen-Zellen, die je nach Reichweite eine Kapazität von 30 bis 100 kWh aufweisen. (Die größte Reichweite erzielt zurzeit das Tesla Model X 100D mit einer Kapazität von 100 kWh.) Zu den Elektrofahrzeugen zählen aber zunehmend auch LKWs und Elektroschiffe, die auch höhere Kapazitäten messen.
Gewerbe- und Netzspeicher: Großspeicher werden in Unternehmen eingesetzt, die weit mehr als ein Privatheim verbrauchen oder sie werden als Stabilisierungseinheit fürs Netz gebraucht. Im Moment befinden sich in diesem Sektor auch überwiegend Lithium-Ionen-Technologien, wobei die größte Anlage stolze 1200 MWh aufweist (Moss Landing Energy Storage Facility in Monterey County, Kalifornien).
Die Lithium-Chemie überzeugt mit einem hohen Wirkungsgrad, einer hohen Energiedichte (kleine Dimensionen mit hoher Leistung) und einer vergleichsweise langen Lebensdauer. Auch die Selbstentladungsrate liegt niedrig. Da die Lithium-Ionen-Technologie auch in PKWs zunehmend zur Anwendung kommt, sinkt der Preis stetig.
Ja, die gibt es. Das Unternehmen Bluesky Energy stellt Salzwasserspeicher her und hat den Hauptsitz in Oberösterreich. Auch das österreichische Unternehmen Fronius, eine der erfolgreichsten Wechselrichterhersteller der Welt, bietet Stromspeicher an. Bekannt in Österreich ist auch noch neoom, ein Unternehmen der Familie Kreisl mit breitem Produktportfolio zum Thema Solarspeicher.
Grundsätzlich ist dies immer möglich. Am besten eignet sich dafür die AC Kopplung des Speichers, also der Anschluss hinter dem Wechselrichter und somit unabhängig vom Rest der Anlage. Diese Art der Kopplung ist im Gegensatz zu der DC Kopplung unkomplizierter und kostengünstiger, weil der bereits bestehende Wechselrichter nicht auf die Ankopplung eines Speichers ausgelegt sein muss.
- Speichereinheit: Akkumulator mit Managementsystem (BMS)
- Leistungseinheit: Batteriewechselrichter oder Spannungswandler
- Energiemanagement: Zählerinfrastruktur & Steuerung
Herzstück des Speichersystems ist sicher der eigentliche Akkumulator mit integriertem BMS (englisch für Battery Monitoring System). Das BMS hat die Funktion eines Zellüberwachungs- und Managementsystems. Darin findet die Kommunikation zwischen den einzelnen Zellen und Modulen statt. Zur Kopplung mit PV-Anlage, Verbraucher und Netz braucht es dann je nach Integrationsart in das PV-System (DC oder AC) ein Batteriewechselrichter oder Spannungswandler. Geregelt wird das ganze dann über die Steuerung, die das Zusammenspiel der verschiedenen Komponenten realisiert und auch die gewünschte Visualisierung auf Verbraucherebene möglich macht.
Es gibt mittlerweile drei verschiedenen Arten den Solarspeicher mit dem Generator und dem Wechselrichter zu verbinden:
- AC-gekoppelt. AC steht für „alternating current“ und bedeutet auf Deutsch Wechselstrom. Der Speicher wird also nach dem Wechselrichter der Solaranlage platziert, der den sonnengenerierten Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt. Da eine Batterie aber nur Gleichstrom speichern kann, muss der Strom vor der Batterie mittels eines Batteriewechselrichters wieder in Gleichstrom transformiert werden.
- DC-gekoppelt. DC steht für „direct current“ und bedeutet auf Deutsch Gleichstrom. Der Speicher wird also zwischen den PV-Generator und dem Wechselrichter angeschlossen. Der Strom vom Dach wird über einen Laderegler in die Batterie eingespeist.
- DC-Generator-gekoppelt. Hierbei wird der Speicher mitsamt des Ladereglers zwischen den Modulen und dem Wechselrichter geschaltet. Damit kann ein Speicher DC seitig nachgerüstet werden, auch wenn der Wechselrichter das nicht vorsieht.
Eine Übersicht zu den Vor- und Nachteilen dieser Systemvarianten finden Sie hier.
Marktübersicht Batteriespeicher für Photovoltaikanlagen – pv magazine Deutschland (pv-magazine.de)
Anschluß einer Batterie an eine PV-Anlage: AC-seitig und DC-seitig (photovoltaik-web.de)
Photovoltaik Eigenverbrauch erhöhen mit Solarstromspeichern | Sunstone
Batterien haben wegen des elektrochemisch aktiven Materials eine inhärente Selbstentladung. Es finden ständig chemische Nebenreaktionen statt, die zu einer schleichenden Selbstentladung führen. Mit zunehmender Temperatur und höherem Ladezustand nimmt diese Selbstentladungsrate zu.
Bei Lithium-Ionen-Batterien liegt die Selbstentladungsrate bei unter 2% pro Monat. (bei 20°)
Der Autarkiegrad kann erhöht werden, indem Anlagengröße und Eigenverbrauch vergrößert werden. Da bei Eigenheimanlagen meist der Platz am Dach eingeschränkt ist und der Verbrauch tagsüber nur bedingt groß werden kann, ist vollständige Autarkie bei Eigenheimen aber auch an Industrieanlagen meist unmöglich bzw. mit erheblichen Investitionskosten verbunden. In unseren Breitengraden ist volle Autarkie auch wegen der ertragsarmen Wintermonate unrentabel.
Der Autarkiegrad vergrößert sich durch den Zubau eines Speichers aber erheblich. Dieser kann sich durch geeignete Dimensionierung von ca. 30% auf ca. 70% erhöhen.
Einen fundierten Unabhängigkeitsrechner für Ihren Eigenheimsolarstromspeicher finden Sie hier.
Der Eigenverbrauch gibt an, wie viel des erzeugten Stroms selbst verbraucht werden kann. Der Autarkiegrad (0-100%) gibt an, wie viel des verbrauchten Stroms selbst erzeugt wird. Es sind also beides Werte relativ zu einer unterschiedlichen Basis.
Beim Autarkieanteil kann man dann nochmals zwischen dem bilanziellen und dem lokalen Autarkiegrad unterscheiden: Lokale Autarkie ist gegeben, wenn zu jeder Zeit ohne Netz genug Strom selbst erzeugt wird. Bilanzielle Autarkie kann aber bereits bestehen, wenn sich die Zeiträume der Unterversorgung und die Zeiträume der Überproduktion ausgleichen.
Eigenverbrauch [%] = selbst genutzter Strom/gesamt produzierter Strom
Autarkie [%] = selbst genutzter Strom/gesamter Stromverbrauch
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