Energiespeicher System und Management

Das Batteriesystem einer PV-Anlage kennen und managen

Ein Energiespeichersystem für Photovoltaikanlagen besteht neben dem Stromspeicher aus einem Batteriemanagementsystem und der Elektronik für das Monitoring. Zudem benötigt das System einen (oder zwei) Wechselrichter, der die Energie in haushaltstauglichen Wechselstrom umwandelt. Wir stellen die beiden Koppelungsarten vor und erläutern die unterschiedlichen Managementsysteme. Außerdem erfahren Sie, was hinter den Begriffen Speicherwirkungsgrad, Energiedichte und Entladetiefe steckt. Der richtige Aufstellungsort wirkt sich positiv auf die Lebensdauer eines Solarspeichers aus.

Kenngrößen der Solarenergiespeicher kurz erklärt

Wirkungsgrad eines Energiespeichers

Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis zwischen dem zur Verfügung stehenden Strom in Bezug auf die vorher geladene Menge. Er wird in Prozent angegeben und benennt damit den Stromanteil, der tatsächlich genutzt werden kann. Die Differenz zu 100 Prozent gibt den Verlust an.

Dieser Systemwirkungsgrad setzt sich aus den folgenden Teilwirkungsgraden zusammen:

• Der Photovoltaikanlagen-Wirkungsgrad berücksichtigt die Verluste in den Solarmodulen, der Verkabelung und im Wechselrichter.
• Der Speicher-Wirkungsgrad errechnet sich aus den Lade-/Entladeverlusten und dem chemischen Wirkungsgrad des Energiespeichers.

Oftmals separat aufgeführt ist der Geräteeigenverbrauch im Stand-by Betrieb für Lüfter und Steuerelektronik.

Lebensdauer eines Solarstromspeichers

Je länger ein Solarstromspeicher eingesetzt werden kann, desto wirtschaftlicher ist er für den Hausbesitzer. Die Lebensdauer eines Solarstromspeichers hängt dabei aber nicht nur von den
Betriebsjahren ab, sondern auch von der Anzahl der Lade- und Entladezyklen. Diese werden von der Art der Batterietechnologie, aber auch von Faktoren wie der Tiefentladung, der Überladung und der Ladegeschwindigkeit beeinflusst.

Grundsätzlich wird von der Zyklus- und der kalendarischen Lebensdauer gesprochen. Während
die Zyklus-Lebensdauer die zu erwartende Anzahl der Lade- und Entladezyklen angibt, beschreibt die kalendarische Lebensdauer den Alterungsprozess des Materials. Es kann also sein, dass die kalendarische Lebensdauer vor der zyklischen erreicht wird.

Ganz entscheidend für eine möglichst lange Lebensdauer ist der Aufstellungsort des Batteriespeichers – insbesondere dabei die Umgebungstemperatur. Je höher sie über dem Ideal von 20°C liegt, desto schneller korrodieren die Elektroden. Man hat festgestellt, dass sich die Korrosionsgeschwindigkeit bei einer 30-Grad-Umgebungstemperatur verdoppelt! De facto ist ein Akku dann statt etwa 15 Jahre nur noch 7,5 Jahre brauchbar.

Füllstand eines Batteriespeichers

Zugegeben, die Prozentangaben bei den Ladeständen können schon etwas verwirren. Oft ist nicht auf den ersten Blick erkennbar, ob ein kleiner Wert positiv oder negativ ist. Deshalb hier die Erläuterung:

Entscheidend ist, ob die Datenblätter den DoD- oder den SoC-Wert ausweisen:

• Der DoD-Wert (Depth of Discharge) bezeichnet die Entladetiefe: 100 % stehen für einen komplett entladenen Speicher, während 0 % für einen vollen Speicher steht.
• Der SoC-Wert (State of Charge) gibt den Ladezustand an. Beim Kehrwert des DoC bedeuten 100 % einen vollen und 0 % einen leeren Speicher.

Die nutzbare Speicherkapazität beträgt jedoch niemals 100 Prozent, denn sowohl eine permanente Vollladung als auch eine Entladetiefe unter 20% schaden dem Akku. Für die Einhaltung dieses Wirkungsbereichs sorgt das mit BMS abgekürzte Batterie-Management-System (s.u.).

Fazit: Ladezyklen, Entladetiefe und Lebensdauer können nicht getrennt voneinander betrachtet werden. Entscheidend ist das Zusammenspiel der drei Faktoren.

Systemarten und Notstromoption

AC/DC nannte sich einst eine australische Rockband. Vier Buchstaben, die wohl die Power ihres Sounds betonen sollten – und für die Koppelung des Energiespeichers an die Photovoltaikanlage grundlegend sind. Doch egal, auf welche Variante die Wahl fällt, die meisten Stromspeicher am Markt sind lediglich Systeme zur Steigerung des Eigenverbrauchs. Ein Energiespeicher mit Ersatzstromoption dagegen vermittelt das gute Gefühl, im Fall eines Stromausfalls nicht im Dunkeln zu stehen.

Speicherankoppelung

Ein Solargenerator erzeugt immer Gleichstrom (engl. Direct Current, DC). Dieser muss zur Nutzung oder Einspeisung in Wechselstrom (engl. Alternating Current, AC) umgewandelt werden. Speichersysteme können unterschiedlich angeschlossen werden:

• Bei der AC-Koppelung ist der Speicher mit dem Photovoltaiksystem über das Wechselstromnetz des Hauses verbunden. Der Wechselrichter der PV-Anlage sorgt immer zuerst für die benötigte Wechselspannung im Hausstromnetz. Ein zusätzlicher Speicherwechselrichter funktioniert in beide Richtungen, d.h. er kann den im Hausnetz nicht benötigten Wechselstrom für die Zwischenspeicherung wieder in Gleichstrom zurückwandeln und den zwischengespeicherten Solarstrom für die Verbraucher im Haushalt wieder wechselrichten. Weil die Solaranlage und der Speicher über das Hausnetz gekoppelt sind, können beide unabhängig voneinander errichtet werden. Daher sind AC-gekoppelte Speicher besonders für die Nachrüstung von bestehenden Photovoltaiksystemen geeignet.

• Bei der DC-Koppelung ist der Speicher mit dem Photovoltaiksystem direkt verbunden. d.h. der Energiespeicher benötigt keinen eigenen Wechselrichter, sondern nutzt den der PV-Anlage mit. Die Beladung des Speichers erfolgt über einen Laderegler am Speicher. Bei der Entladung wird der eingespeicherte Gleichstrom durch den Wechselrichter in Wechselstrom gewandelt. Nur ein Wechselrichter bedeutet gegenüber dem AC-gekoppelten System eine Einsparung von Bauteilen und damit einen leicht besseren Wirkungsgrad und niedrigere Kosten. Auf der anderen Seite ist die Systemauslegung weniger flexibel und damit eigentlich nur für Neuanlagen sinnvoll.

Weitere Informationen zu AC- und DC-gekoppelten Systemen liefert unser Ratgeber zu den Wechselrichter-Arten.

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Notstrom-/Ersatzstromversorgung

Bei Ausfällen im öffentlichen Stromnetz hält eine Not- oder Ersatzstromanlage die Stromversorgung aufrecht. Bei einigen Speichersystemen gehört die Notstromversorgung zum Funktionsumfang. Unterschieden werden:

• Notstromfähigkeit: Eine am Speichersystem montierte Notstromsteckdose kann bei einem Stromausfall genutzt werden.
• Backupfähigkeit: Der Speicher kann die Stromversorgung aufrechterhalten, allerdings nicht unterbrechungsfrei und nur mit begrenzter Leistung.
• Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV): Der Speicher schaltet automatisch auf Ersatzstrombetrieb um und hält die Hausstromversorgung ohne merkliche Unterbrechung aufrecht.

Batteriemanagement (BMS)

Ein Stromspeicher ist wie jeder Akkumulator zu regeln, zu überwachen und zu schützen. Der Ladezustand muss erkannt und das System vor Überladung und Tiefentladung bewahrt werden. Diese Aufgaben übernimmt ein in den Energiespeicher eingebaute elektronische Schaltung namens BMS – Batterie-Management-System.

Auswirkung von Entladetiefe und Ladezyklen auf Lebensdauer und Speicherkapazität

Die Datenblätter der Hersteller weisen die genauen Werte für Entladetiefe (DoD) und zu erwartende Ladezyklen auf. Diese sind sowohl für die Berechnung der Lebensdauer als auch die der benötigten Speicherkapazität entscheidend. So bedeutet beispielsweise die Angabe „80% DoD 10.000 Zyklen“, dass für eine Lebensdauer von 10.000 Lade- und Entladezyklen immer 20% Restladung im Speicher verbleiben müssen. Zudem können lediglich 80% der gespeicherten Energie genutzt werden, bei einer Bruttospeicherkapazität von 5 kWh also nur eine Nettokapazität von 4 kWh. Die meisten Lithiumspeicher weisen allerdings bereits eine Nutzung von mindestens 90% auf, im Beispielfall also 4,5 kWh.

Aufgaben des Batteriemanagementsystems

Das im Speichersystem enthaltene BMS sorgt für die Einhaltung der genannten Anforderungen – und von einigen mehr:

• Koordinierung der einzelnen Speicherzellen im Speichersystem
• Bestimmung der Entladetiefe
• Fehlererkennung und ggfs. Abschaltung des Speichers
• Strom & Spannungsmessung
• Temperaturüberwachung
• Ansteuerung und Kommunikation mit dem Wechselrichter

Obiger Beispielspeicher ist nach 10.000 Zyklen noch nicht am Ende seiner Lebenszeit angelangt. Er hat dann nur nicht mehr die volle Kapazität wie im Auslieferungszustand, sondern nur noch zwischen 65% und 80%. Auch diese Angabe liefern die Datenblätter.

Intelligentes Energiemanagement (EnMS oder HEMS)

Überschüssige Solarenergie an den Netzbetreiber zu liefern, ist bekanntlich nur die zweitbeste Idee. Schließlich kann die Einspeisevergütung die Kosten für eingespeisten Strom bei Weitem nicht decken. Daher ist es sinnvoll, in den sonnigen Mittagsstunden möglichst viel selbst zu verbrauchen bzw. den Batteriespeicher zu dieser Zeit zu laden. Von hier kann der selbst erzeugte Strom je nach Speicherauslegung meist bis zum nächsten Morgen abgerufen werden. Die Nutzung kann dank eines intelligenten Energiemanagements optimiert werden.

Bandwurmwörter verlangen nach Abkürzungen. Dabei stehen EnMS für Energie-Management-System und HEMS für Home Energy Management System. Beide sind lediglich unterschiedliche Bezeichnungen für einen Energiemanager. „Intelligent“ wird er aufgrund seiner Lernfähigkeit genannt – KI lässt grüßen.

Die sogenannte prognosebasierende Batterieladung lädt den Speicher nach vorhersehbarer Witterung verzögert – unter Einbeziehung früherer Verbrauchswerte. So wird der Speicher beispielsweise bis 10 Uhr nur zu 50 Prozent und erst um 13 Uhr bis zum Maximum geladen. Das Ergebnis: Die Energie wird besser ausgeschöpft und der Akku geschont.

Mit einem Heim-Energiemanagementsystem ist auch der Energieverbrauch automatisch steuerbar. Es verlegt die Arbeit stromfressender Haushaltsgeräte in genau die Zeit, in der die Photovoltaikanlage besonders viel Solarstrom produziert.

Ein Beispiel: Die Sonne scheint bereits früh am Morgen und das System beginnt mit dem Aufladen des Energiespeichers. Der Energiemanager versetzt die am Abend befüllte Waschmaschine in den Standby-Modus. Kurz darauf bewölkt sich der Himmel und der Energieverbrauch der Maschine würde bei sofortiger Inbetriebnahme nicht gedeckt. Die Wetterprognose verspricht jedoch einen sonnigen Nachmittag. Der Energiespeicher reagiert, indem er die Batterie weiter auflädt. Da um 12 Uhr üblicherweise die Essenszubereitung ansteht, hat der Herd erst einmal den Vorrang bei der Entnahme von Speicherstrom. Der Betrieb der Waschmaschine wird noch verschoben. Am Nachmittag, wenn die Sonne wieder ihre volle Kraft entfaltet, ist genügend Solarstrom gespeichert und das Energiesystem startet das Gerät. Nach Beendung des Waschvorgangs wird die Batterie sofort wieder aufgeladen – um am Abend für den Fernseher, den PC, die Beleuchtung u.Ä. zur Verfügung zu stehen. Bis der Energiespeicher leer ist, wird kein Strom aus dem Netz benötigt.

Und das alles kann ein HEMS:

• selbständig die Energieflüsse optimieren und Geräte priorisieren
• einzelne Geräte, Räume und sogar das ganze Haus steuern
• einen zu hohen Strom- oder Heizenergie-Verbrauch anzeigen
• Stand-by-Geräte und andere Stromfresser bei Abwesenheit oder längerer Nichtnutzung automatisch ausschalten
• auf einem elektronischen Endgerät die Daten visualisieren

Besitzer eines Elektroautos profitieren zudem vom E-Auto-Lastmanagement. Je nach Bedarf schaltet der Energiemanager entweder die Stromverbraucher im Haushalt aus oder stellt weniger Leistung zur Aufladung des Wagens bereit. Damit wird eine Überlastung des Hausanschlusses automatisch vermieden.

Wichtig: Ein Energiemanager kann auch ohne Anbindung eines Energiespeichers arbeiten. Allerdings steigert die Kooperation mit einer Solarbatterie die Effektivität erheblich.

Fazit: Ein Energiemanagementsystem hilft, den Strom im eigenen Haus effizienter zu nutzen und damit Energie und Stromkosten zu sparen. Vor allem Besitzer einer Wärmepumpe und/oder eines E-Autos sind mit einem HEMS gut beraten. Natürlich haben Energiemanager auch ihren Preis. Je nach Leistungsumfang und Anbieter können über 1.000 Euro anfallen.

Noch mehr Intelligenz im Haushalt gewünscht? Ein Energiemanagementsystem kann mit einem Smart Meter, also einem intelligenten Zähler, kommunizieren. Wer das System gerne auch im Urlaub oder auf dem Weg zur Arbeit steuern möchte, bindet es einfach in sein Smart Home ein.

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