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Wie funktionieren Speicher in Photovoltaikanlagen?

Wer seine Photovoltaikanlage mit einem Speicher ausstattet, will vor allem den Eigenverbrauchsanteil des erzeugten Solarstroms steigern. Oftmals vergessen wird dabei jedoch, dass ein Batteriesystem sein volles Potential erst dann entfaltet, wenn man den Mehrfachnutzen berücksichtigt, den ein solches System liefert. Denn mit einem Speicher können Betreiber von Photovoltaikanlagen nicht nur ihren Eigenverbrauchsanteil deutlich steigern, sondern…

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Wer seine Photovoltaikanlage mit einem Speicher ausstattet, will vor allem den Eigenverbrauchsanteil des erzeugten Solarstroms steigern. Oftmals vergessen wird dabei jedoch, dass ein Batteriesystem sein volles Potential erst dann entfaltet, wenn man den Mehrfachnutzen berücksichtigt, den ein solches System liefert. Denn mit einem Speicher können Betreiber von Photovoltaikanlagen nicht nur ihren Eigenverbrauchsanteil deutlich steigern, sondern machen sich gleichzeitig unabhängiger von ihrem Energieversorger und sichern sich eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, wenn das öffentliche Stromnetz vorübergehend ausfällt. Während bei netzfernen Photovoltaikanlagen, den sogenannten Insellösungen, Batteriespeicher bereits seit langem gängige Praxis sind, um eine kontinuierliche und unterbrechungsfreie Stromversorgung sicherzustellen, ist der Einsatz von Speichern in netzgekoppelten Solaranlagen, wie sie auf privaten Dächern und Gewerbebetrieben der Standard sind, noch ein relativ neues Phänomen. Die auf dem Markt verfügbaren Stromspeicher eignen sich für die Nachrüstung von bereits bestehenden Photovoltaikanlagen und können auch bei der Planung von Neuanlagen direkt bei der Systemauslegung berücksichtigt werden. Allen Speichern ist die Aufgabe gemein, überschüssige Energie zu speichern und zu einem späteren Zeitpunkt Verbrauchern zur Verfügung zu stellen.

Die Module einer Solaranlage erzeugen Gleichstrom, den ein Wechselrichter vor der Einspeisung in das öffentliche Stromnetz bzw. vor der Nutzung durch haushaltsübliche Stromverbraucher in Wechselstrom wandelt. Die Einbindung des Batteriespeichers kann dabei sowohl auf der Gleichstrom- wie auch auf der Wechselstromseite der Anlage erfolgen.

Steht für den Betreiber einer Anlage bereits vor Baubeginn fest, dass ein Speicher in das System integriert werden soll, erfolgt die Einbindung in der Regel noch auf der Gleichstromseite der Anlage, da die Investitionskosten niedriger sind, eine höhere Effizienz erreicht wird und Modulleistung und Speicherkapazität im Rahmen der Systemauslegung aufeinander abgestimmt werden können. Spezielle Wechselrichter, die über eine integrierte Be- und Entladesteuerung verfügen, laden die (integrierte) Batterie direkt mit dem Solarstrom und übernehmen die Umwandlung in Wechselstrom, wenn die zwischengespeicherte Solarenergie später von den Stromverbrauchern genutzt werden soll. Auch bei der Nachrüstung von Bestandsanlagen mit einem Speicher ist eine Einbindung auf der Gleichstromseite prinzipiell möglich. Verfügt der vorhandene Wechselrichter nicht über die notwendige Ausstattung, lässt sich die Batterie nämlich auch mit Hilfe einer externen Ladesteuerung ansprechen.

Soll der Speicher im Wechselstromkreis eingebunden werden, muss zusätzlich zu der Batterie auch ein spezieller Batteriewechselrichter installiert werden, der den Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt, eine Voraussetzung um den Akkumulator laden zu können. Der Nachteil dieser Lösung ist, dass durch die Rückwandlung von Wechsel- zu Gleichstrom weitere Verluste auftreten, welche die Effizienz des Systems verringern. Auf der anderen Seite ist der Anlagenbetreiber deutlich flexibler, was die Auswahl der Batteriekapazität betrifft. Dies ist von Vorteil, wenn beispielsweise bei einer bereits bestehenden Anlage die Leistung der Module als feste Größe gegeben ist.

Die Steuerung regelt, zu welchen Teilen der erzeugte Strom in das öffentliche Stromnetz eingespeist, zum Laden des Speichers verwendet oder direkt den Stromverbrauchern im Haushalt zugeführt wird. In der Regel ist die Steuerung so programmiert, dass der Eigenverbrauchsanteil des in der Photovoltaikanlage erzeugten Stroms maximiert wird, wozu Speicher durch die zeitliche Verlagerung des Angebots einen wichtigen Beitrag leisten können. Für die Zukunft ist jedoch auch denkbar, dass neben dem Lastmanagement auf Seiten des Verbrauchers die Stabilisierung der Stromnetze verstärkt die Betriebsführung der Speicher mitbestimmt. Speicherbetreiber halten in diesem Fall dezentrale Kapazitäten vor, die in ein intelligentes Stromnetz eingebunden sind, und werden dafür im Rahmen eines kapazitätsmarktgesteuerten Energiemarktes entsprechend vergütet.

Quelle: http://www.solarenergystorage.org/

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STROM INTELLIGENT SPEICHERN

Solarstromspeicher und Wärmepumpen im Verbund mit kleinen objektgebundenen Photovoltaik-Anlagen können einen wichtigen Beitrag zur deutlichen Erhöhung des Eigenverbrauchs, der Integration von erneuerbaren Energien in das Stromnetz und zur Etablierung von intelligenten Netzen leisten. Wichtige Voraussetzung ist jedoch, dass sich auch elektrische als auch thermische Speicher intelligent betreiben lassen. Zu diesem Schluss kommt die “Speicherstudie 2013″…

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Solarstromspeicher und Wärmepumpen im Verbund mit kleinen objektgebundenen Photovoltaik-Anlagen können einen wichtigen Beitrag zur deutlichen Erhöhung des Eigenverbrauchs, der Integration von erneuerbaren Energien in das Stromnetz und zur Etablierung von intelligenten Netzen leisten. Wichtige Voraussetzung ist jedoch, dass sich auch elektrische als auch thermische Speicher intelligent betreiben lassen. Zu diesem Schluss kommt die “Speicherstudie 2013″ des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE und eine aktuelle Untersuchung des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW), das die Eigenverbrauchspotenziale mit Wärmepumpen und Solarstromspeichern untersucht hat.

Netzdienlicher Betrieb ist zwingende Voraussetzung

Laut der “Speicherstudie 2013” des Fraunhofer Insituts ISE ist ein intelligenter, netzdienlicher Betrieb eine zwingende Voraussetzung, um mit Solarstromspeichern die Netzspannung deutlich stabilisieren und Einspeisespitzen je nach Leistung der Photovoltaik-Anlage, der lokalen Stromlast und der Batteriegröße um bis zu 40 % reduzieren zu können. Dasselbe gilt für die Rückspeisung aus dem Speicher in das Elektrizitätsnetz, mit der sich diese netzdienlichen Effekte noch weiter erhöhen lassen. So können neue Anschlusskapazitäten für den weiteren Ausbau erneuerbarer Energien gewonnen und auf eine Verstetigung der Preise an der Strombörse eingewirkt werden.

PV-Leistung mit Stromspeichern muss deutlich steigen

Das Fraunhofer ISE fordert daher, die konventionelle Batteriebetriebsführung, die in der Regel bisher auf sehr einfachen, lokal orientierten Betriebsführungsvorgaben basiert, schrittweise in ein intelligentes Energiemanagement zu überführen. Der smarte Betrieb eines Solarstromspeichers soll dann lokale Betreiberinteressen mit systemischen Anforderungen aus dem Stromnetzbetrieb oder der globalen Vermittlung fluktuierender Erzeugung und Lasten kombinieren. Die effektive Übernahme dieser netzbezogenen Systemdienstleistungen (Regelleistungsreserve, Blindleistung, Spannungshaltung, Inselnetzbetrieb) kann laut Fraunhofer ISE jedoch nur gelingen, wenn die Gesamtleistung der installierten Photovoltaik‐Systeme mit Solarstromspeicher deutlich zunimmt. Gleiches gilt für die Effekte auf die Preisbildung an der Strombörse oder die Auswirkung auf den EEG‐Umlagemechanismus.

 Solarstromspeicher und intelligente Wärmepumpen

Ein ähnliches Potenzial bieten auch thermische Speicher über z. B. intelligent gesteuerte Wärmepumpen. Gut geplante Wärmepumpen können mit dem überschüssigen Solarstrom den Warmwasser oder Pufferspeicher der Heizung aufladen und so den Eigenverbrauch einer vierköpfigen Familie mit einer Photovoltaikanlage, die 4.000 kWh Ökostrom pro Jahr erzeugt, ohne weitere Hilfsmittel von 30 auf 45 Prozent erhöhen. Wird ein weiterer Solarstromspeicher mit 5 kWh genutztem Energieinhalt integriert, so kann der Eigenverbrauch auf 70 Prozent erhöht werden. Zu diesem Ergebnis kommt das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in einer aktuellen Studie zu den Eigenverbrauchspotenzialen mit Wärmepumpen und Solarstromspeichern. Die Wissenschaftler machen jedoch deutlich, dass auch dabei wiederum eine intelligente Steuerung der Wärmepumpe und eine optimierte Batteriebeladung Voraussetzung sind.

Quelle: http://www.solarenergystorage.org/

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Wann werden Solarakkus wirtschaftlich?

Das Interesse an Solaranlagen mit Speichern steigt, denn die Systeme machen Verbraucher von den Stromkonzernen unabhängiger. Noch wird wegen der hohen Batteriepreise wenig in die neue Technik investiert, doch das dürfte sich bald ändern: Dank größerer Produktionen und technischer Fortschritte sinken rasch die Kosten. Immer der gleiche Ärger: Man spart Energie, und dennoch wird der…

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Das Interesse an Solaranlagen mit Speichern steigt, denn die Systeme machen Verbraucher von den Stromkonzernen unabhängiger. Noch wird wegen der hohen Batteriepreise wenig in die neue Technik investiert, doch das dürfte sich bald ändern: Dank größerer Produktionen und technischer Fortschritte sinken rasch die Kosten.

Immer der gleiche Ärger: Man spart Energie, und dennoch wird der Strom mit der nächsten Rechnung wieder teurer. Zum Glück gibt es einen Ausweg: Solarstrom lässt sich in Deutschland bereits für 12 Cent pro Kilowattstunde erzeugen, Haushaltsstrom aus der Steckdose hingegen kostet derzeit im Durchschnitt 25 Cent. Was liegt näher, als sich aus einer eigenen Photovoltaikanlage selbst zu versorgen? Solarspeicher können den Eigenverbrauch deutlich auf bis zu 70 Prozent steigern. Sie nehmen überschüssigen Sonnenstrom auf und geben die Energie bei Bedarf wieder ab – es wird kaum noch teurer Netzstrom benötigt. Das macht die Anlagen für Verbraucher sehr interessant: Nach einer Umfrage von EuPD Research denken bereits fast 90 Prozent der Solarbetreiber über einen zusätzlichen Speicher nach.

Die Speicheranbieter versprechen bereits wirtschaftliche Lösungen, zu denen Kunden nicht Nein sagen können. Viele Firmen werben damit, dass sich ihre Systeme bei steigenden Strompreisen innerhalb der mindestens zwanzigjährigen Betriebszeit einer Photovoltaikanlage rechnen. Wissenschaftler sind jedoch skeptisch, ob diese Versprechen zu halten sind. Akkuexperte Uwe Sauer vom Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe an der RWTH Aachen hat zur Berechnung der Wirtschaftlichkeit von Batteriespeichern ein Modell entwickelt, das unter anderem die Systemwirkungsgrade, die Anzahl der Vollzyklen pro Jahr, die Kapitalkosten und die Kosten für die Stromspeicherung berücksichtigt. Danach sind die Kellerspeicher derzeit allerdings noch alles andere als lohnenswert.

Sauers Ansatz: Zuerst kalkuliert man, wie viel Energie der Akku während seiner Zyklenlebensdauer aufnehmen und wieder abgeben kann. Am Beispiel eines herkömmlichen Blei-Säure-Systems der Firma Deutsche Energieversorgung wären das 3000 Zyklen bei einer Kapazität von 24 Kilowattstunden, also insgesamt 72000 Kilowattstunden. Davon muss zum einen die Entladetiefe von 50 Prozent abgezogen werden, bei der überhaupt diese Zyklenlebensdauer erreicht werden kann, und zum anderen die Wirkungsgradverluste des Gesamtsystems von etwa 80 Prozent. Der Akku setzt somit während seiner Zyklenlebensdauer rund 30000 Kilowattstunden um. Bei einem Preis von 6300 Euro entspricht das Speicherkosten pro Kilowattstunde von 21 Cent. Addiert man hierzu noch Kosten des selbst produzierten Stroms von 12 Cent, ergeben sich Gesamtkosten von 33 Cent. Damit liegt man deutlich über dem gegenwärtigen Haushaltsstrompreis von 25 Cent – das System rechnet sich nicht. Noch ungünstiger sieht es nach Sauers Rechnung für modernere Lithium-Ionen-Akkus aus. Danach liegen allein schon die reinen Speicherkosten für derzeitige Systeme bei mindestens 35 Cent.

Weniger dramatisch stellt sich die Lage hingegen für die Batterieexpertin Margarete Wohlfahrt-Mehrens vom Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) dar. Sie kommt für klassische Bleiakkus aktuell auf rund zehn Cent und für die Lithium-Ionen-Batterien auf 25 Cent reine Speicherkosten. Und diese Kosten sind nur eine Momentaufnahmen, denn die Lithiumtechnik kann ihrer Einschätzung nach noch erheblich günstiger werden. „Wir rechnen in den kommenden Jahren mit einer Halbierung der Speicherkosten“, sagt Wohlfahrt-Mehrens. Gründe dafür sind einerseits der Ausbau der Massenproduktion und andererseits rasche Innovationen. So entwickelt die Industrie effizientere Fertigungsmethoden und leistungsstärkere Lithium-Ionen-Techniken. Um Kathode und Anode einer Lithium-Ionen-Batterie zu erzeugen, werden kohlenstoff- und lithiumhaltige Suspensionen über Walzen als nasse Schicht aufgetragen. Ziel der Hersteller ist es nun, größere Folien zu verwenden und so die Produktion zu beschleunigen. Außerdem entwickeln die Firmen robustere und leistungsstärkere Elektrodenmaterialien. In derzeit gängigen Akkus besteht die Anode aus Grafit, die Kathode aus Lithiummetall. Es dient als chemischer Reaktionspartner des Grafits. Die Produzenten wollen nun künftig neue Anoden etwa aus Lithium-Titanat verwenden, die schneller laden und mehr Ladezyklen durchstehen als Grafit.

Bis Skaleneffekte durch größere Produktionen und Innovationen greifen, will die Bundesregierung die Technik fördern. So wird zum Beispiel erwogen, für Solaranlagen mit Speicher ein zinsgünstiges Darlehen der Staatsbank KfW zu gewähren und einen Zuschuss in Höhe von 30 Prozent der Kosten für den Akku zu zahlen. Damit würde sich Amortisationszeit der Systeme deutlich verkürzen. Werden sich Solarbatterien bald lohnen oder sind sie Zukunftsmusik?

Quelle: http://www.solarenergystorage.org/

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