Bild 1: Ein Solaranlage auf dem Dach liefert minimal zwanzig Jahre lang saubere Energie.Conergy
Der Solarmarkt vollzieht derzeit einen grundlegenden Wandel, der die gesamte Branche vor Herausforderungen stellt. Die in den letzten beiden Jahren rückläufigen Systempreise sowie sinkende Einspeisevergütungen haben zusammen mit den steigenden Netzstromkosten dazu geführt, dass für viele Endverbraucher die Netzparität erreicht und somit Solarstrom in Deutschland heute bereits wettbewerbsfähig ist. Der bisher weitgehend renditeorientierte, investitionsgetriebene Solarmarkt entwickelt sich nun zu einem Teil des Energiemarktes – mit Einsparpotenzial für den Endverbraucher. Künftig ist die Solaranlage nicht mehr nur ein Finanzprodukt für die Investoren, das über die für zwanzig Jahre festgesetzte Einspeisevergütung eine möglichst hohe Rendite bringt, sondern das Kraftwerk auf dem eigenen Dach. Es liefert dem Verbraucher selbst weit über zwanzig Jahre hinaus saubere, bezahlbare Energie.
Bild 2: Es lohnt sich, den Sonnenstrom selbst zu verbrauchen und sich damit von Strompreisen unabhängig zu machen.Conergy
Sonnenspeicher decken bis 70 Prozent des Energiebedarfs
Eine sinnvolle und gute Variante sind Batteriesysteme, die den Sonnenstrom am Tag speichern, damit er dann den Verbrauch des Haushalts am Abend oder während der Nacht decken kann. Die Integration eines Speichersystems ist vergleichbar mit einem idealen Lastmanagement. Damit sind höhere Eigenverbrauchs- und Autarkiegrade von bis zu 70 Prozent zu erzielen. Von den altbekannten Bleiakkus über Bleigel bis hin zu leistungsstarker Lithium-Ionen-Technik sind fast alle Speichertechniken vertreten. Auch mit Hinblick auf die Dimensionierung gibt es auf dem Markt eine breite Auswahl für unterschiedliche Haushalts- und Speichergrößen. Vom reinen Akku bis hin zu intelligenten Energiemanagementsystemen, die mit integrierten, hocheffizienten Stringwechselrichtern ausgestattet sind.
Die richtige Speichertechnik machts
Zurzeit haben sich am Markt vier Speichertechnologien etabliert:
- die Bleibatterie,
- Batterien auf Lithium-Ionen Basis,
- Redox-Flow-Systeme
- und Natrium-Schwefel Hochtemperatur-Batterien.
Auf einen Blick
Sonnenstromgewinnung ist in aller Munde. Die hohe Kunst daran ist es, die durch Photovoltaikmodule erzeugte Energie am Eigenverbrauch anzupassen und auch in Dürrezeiten genug im Speicher zu haben. Doch nicht nur auf den Wechselrichter und den Batteriespeicher kommt es an. Wichtig ist, dass ein effizientes Energiemanagementsystem beide koordiniert.
Redox-Flow- und Natrium-Schwefel-Batterien finden allerdings in der Regel eher für größere Speicheranwendungen Einsatz. Im Heimbereich sind diese nicht anzutreffen. Dies liegt vor allem an dem wesentlich höheren Service- und Wartungsaufwand, sowie deren Preis. Kleine Systeme auf Basis dieser beiden Technologien sucht man derzeit am Markt vergeblich.
Gerade im Bereich der Privathäuser sind vor allem Blei- und Lithium-Ionen-Batterien am gebräuchlichsten. Die Bleibatterien bestechen dabei auf den ersten Blick durch ihren niedrigen Anschaffungspreis. Ist das System korrekt ausgelegt, verfügen die Bleibatterien über eine relativ hohe Langlebigkeit. Allerdings haben wissenschaftliche Untersuchungen deutlich gezeigt, dass beispielsweise im Off-Grid-Bereich die Bleisysteme trotz ihres günstigen Investitionspreises über eine Dauer von zwanzig Jahren betrachtet wesentlich teurer sind als die Systeme, die auf der Lithium-Ionen-Technik basieren.
Leicht, langlebig, Lithium-Ionen
Energiespeichersysteme, die auf Lithium-Ionen-Technik basieren, weisen entscheidende Vorteile gegenüber Blei- oder Bleigel-Varianten auf. Die leistungsfähige Technologie, die auch Elektroautos nutzen, hat eine wesentlich höheren Lebensdauer, höhere Speicherkapazität, eine große Energiedichte und ein wesentlich geringeres Gewicht. Den höheren Investitionskosten steht ein größerer Wirkungsgrad sowie der Vorteil gegenüber, dass diese Batterien wartungsfrei arbeiten und deutlich weniger Platz benötigen. Außerdem benötigen Bleibatteriesysteme in der Regel einem Raum mit aktiver Abluft. Zertifizierte Systeme, wie die Speichervariante von Conergy, benötigen keine aktive Abluft und sind trotzdem sicher.
Durch die hohen Leistungsspitzen und starke Beanspruchung des Speichers werden Bleiakkus zudem schnell leistungsschwach. Ein typischer Bleiakku hat eine Lebensdauer von maximal 2000 Zyklen; Lithium-Ionen-Akkus halten hingegen bei gleicher Entladungstiefe um die 7000 Vollzyklen aus – also mehr als drei Mal so lange. Zudem punkten die Lithium-Ionen-Batterien durch eine 50 bis 80 Prozent niedrigere Selbstentladung – das bedeutet weniger Verluste und mehr Ertrag für die Anwendung.
Systemtechnik heißt das Zauberwort
Allein die Entscheidung für eine bestimmte Batterietechnologie ist jedoch noch nicht ausschlaggebend für die Effizienz des Gesamtsystems. Denn gerade bei Solarstromspeichersystemen kommt es auf die Systemtechnik an. Grundsätzlich sind drei unterschiedliche Topologien am Markt zu finden:
Bild 3: AC-Gekoppeltes Photovoltaik-Speichersystem: Der Batterieladeregler ist über einen bidirektionalen Wechselrichter an das Hausnetz angeschlossen. Conergy
Bei der ersten Topologie, der AC-Kopplung erfolgt der Anschluss des Batterieladereglers AC-seitig ans Hausnetz (Bild 5). Der Batterieladeregler kann dann sowohl Netz- als auch Solarstrom speichern und einspeisen. Diese Art des Anschlusses ist vor allem für das Nachrüsten von existierenden Systemen geeignet, da hier lediglich ein Anschluss des Batteriespeichersystems ans Hausnetz erfolgt. Allerdings muss auch in diesem Fall noch ein zusätzliches effizientes Energiemanagementsystem das Zusammenspiel zwischen Wechselrichter und Batteriespeichersystem regeln. Dies schränkt die Kombination von Systemen ein und erhöht gleichzeitig den Installationsaufwand hinsichtlich der Energiemanagementsysteme.
Bei AC-Systemen besteht ein Unterschied zwischen Voll- und Nulleinspeisern. Volleinspeiser speisen ins öffentliche Netz. Allerdings bestehen die Netzbetreiber in der Regel auf einen kostenpflichtigen Ausbau des Netzanschlusses, da dieser die gleichzeitige Einspeisung der PV-Anlage und des Speichersystems gewährleisten muss. Nulleinspeiser hingegen vermeiden diesen kostspieligen Mehraufwand, indem sie keine Leistung ins Netz einspeisen. Allerdings können sie keinen bilanziellen Eigenverbrauch realisieren. Sie können nur Lasten bedienen, deren Anschluss an derselben Phase erfolgt. Das führt bei einphasigen Geräten zu einer deutlichen geringeren Eigenverbrauchssteigerung.
Eine zweite Topologie, die sich ebenfalls für eine Nachrüstung eignet, ist der Anschluss der Batterie auf der Solargeneratorseite, zwischen Modulen und Wechselrichter (Bild 6). Auch hier gelten zunächst dieselben Einschränkungen, wie beim AC-System: Das heißt, es besteht die Notwendigkeit ein Energiemanagementsystem zu installieren, welches beide Systeme koordiniert.
Bild 4: Beim extern DC-gekoppelten System ist der Laderegler am Eingang des Wechselrichters angeschlossen.Conergy
Zudem lässt sich ein solches System nicht mit Netzstrom laden (was fördertechnisch jedoch sowieso umstritten ist), wenn nicht der Wechselrichter über die entsprechende Funktionalität verfügt. Weiterhin kann die Genauigkeit des MPP-Trackers (Maximum Power Point) unter der zusätzlichen Einwirkung des Batterieladereglers leiden, da er eine Kombination aus Batterie- und Solarspannung misst und regelt. Trotz dieser Nachteile ist der Gesamtwirkungsgrad eines solchen Systems höher als der von AC-gekoppelten Systemen, da man den Sonnenstrom nicht doppelt umwandeln muss.
Bild 5: Im intern DC-gekoppelten System speist der Laderegler direkt über den Zwischenkreis des Wechselrichters.Conergy
Die dritte Alternative ist die der Anbindung der Batterie direkt auf dem internen Zwischenkreis des Wechselrichters. Dieses Anschlussverfahren bedeutet zwar einen relativ hohen Integrationsgrad, was eine Nachrüstung von Altanlagen erschwert, allerdings hat eine solche Topologie (Bild 7) auch entscheidende Vorteile: Zum einen ist der Wirkungsgrad höher als bei einer AC-Anbindung. Zum anderen erlaubt der integrierte Ansatz eine zusätzliche Effizienzsteigerung. So lässt sich beispielsweise der Batterieladeregler dazu verwenden, den Zwischenkreis des Wechselrichters genau so zu stabilisieren, dass dieser stets am optimalen Arbeitspunkt operiert.
Systeme mit Sonnenspeicher
Conergy hat Indach- und Aufdach-Komplettsysteme mit Speichermodellen im Produktportfolio, die speziell für die Steigerung des Eigenverbrauchs konzipiert sind. Dabei ist der Sonnenspeicher kein gewöhnlicher Akku, sondern ein vollintegriertes System, das einen effizienten Strangwechselrichter, ein Energiemanagementsystem und Lithium-Ionen-Batterien in einem Gerät vereint. Richtig ausgelegt ist es mit dem System möglich, etwa 70 Prozent des jährlichen Strombedarfs im Haushalt aus der eigenen Solaranlage zu beziehen. An sonnigen Tagen im Sommer lassen sich sogar 100 Prozent erreichen. Mit seiner Nennleistung von fünf Kilowatt sowie der Speicherkapazität von 4,4 bis 13,2 Kilowattstunden ist der Sonnenspeicher in fünf unterschiedlichen Größen für einen Drei- bis Fünfpersonen Haushalt ausgelegt. Der Akku ist modular aufgebaut und läßt sich entsprechend durch Hinzufügen weiterer Batteriemodule von der kleinsten bis zur größten angebotenen Größe erweitern.
Bild 6: Das Sonnenkraftwerk auf dem Hausdach liefert den Strom bereits zu einem Preis ab zirka 15 Cent pro Kilowattstunde.Conergy
Alle Komponenten des Sonnenspeichers nutzen Lithium-Ionen Technik. Das intelligente Energiemanagementsystem analysiert sekundengenau den Ertrag der Solaranlage, den Verbrauch im Haushalt sowie den Ladezustand des Akkus. Laut Conergy verbessert das System die Energieflüsse, steigert die Effizienz, wählt automatisch die günstigste Option und sichert eine lange Lebensdauer des Akkus.
Der Sonnenspeicher kommt beim Systemwirkungsgrad auf 85 Prozent. Zu diesem im Branchenvergleich hohen Gesamtwert kommt es durch den höheren Wirkungsgrad durch die Lithium-Ionen-Batterien und durch die geringeren Umwandlungsverluste: Der Batteriekonverter lädt die von der Solaranlage produzierte Energie direkt aus dem Gleichstrom-Zwischenkreis (DC-Link) des Wechselrichters.
Bild 7: Vorkonfektionierte Teilkomponenten vereinfachen die Installation.Conergy
Entgegen den meisten anderen Systemen sorgt er dafür, dass das Speichern des Gleichstroms ohne Umwege und mit wenig Umwandlungsverlusten im Akku erfolgt. Die Batterien lädt das System in einer Stunde auf; damit gehört der Sonnenspeicher zu den Schnellsten am Markt. Doch dieses DC-System liefert nicht nur technische Vorteile, der Anlagenbesitzer profitiert nebenbei noch von steuerlichen Vergünstigungen, da der Speicher mit integriertem PV-Wechselrichter als Teil der Solaranlage gilt und somit vorsteuerabzugsfähig ist.
Dank der vorkonfektionierten Teilkomponenten sind die Speicher von Conergy auch bei der Installation einfach; sie sind quasi als Plug-and-play-Gerät konzipiert. Die Installation erfolgt ausschließlich über zertifizierte Installateure. Das Zertifikat erhält der Installateur nach erfolgreichem Abschluss der Speicher-Schulung, die sich auch an der Conergy Academy absolvieren lässt.
Solarkraftwerk rauf, Stromkosten runter
Mit dem Erreichen der Netzparität für Endverbraucher geht es Anlagenbetreibern nicht mehr darum, möglichst viel Geld zu verdienen mit eingespeister Energie, sondern möglichst viel Geld zu sparen mit dem selbst verbrauchten Sonnenstrom vom eigenen Kraftwerk auf dem Dach. Endkunden und Betriebe nehmen die Stromerzeugung und ihre persönliche Energiewende deshalb zunehmend selbst in die Hand.
Für private Haushalte ist dies eine einfache Rechnung, denn sie zahlen mit derzeit durchschnittlich rund 26 Cent den höchsten Strompreis. Das Sonnenkraftwerk auf dem eigenen Hausdach liefert den Strom hingegen inzwischen zu einem Preis ab zirka 15 Cent pro Kilowattstunde – es lohnt sich also den Sonnenstrom selbst zu verbrauchen und sich so von Strompreissteigerungen unabhängig zu machen. Während zu Zeiten hoher Fördersätze möglichst viel Dachfläche belegt wurde, um einen hohen Ertrag zu erwirtschaften, heißt es nun, das Sonnenkraftwerk nach dem tatsächlichen Strombedarf und dem individuellen Stromverhalten der Verbraucher auszulegen.
Der Stromertrag aus dem Solarkraftwerk des Verbrauchers sollte in etwa dem Gesamtstrombedarf entsprechen, Eigenverbrauch, also die Menge des selbst benötigten Solarstroms im Verhältnis zur insgesamt produzierten Solarstrommenge und dem Autarkiegrad, also der die selbst verbrauchte Solarstrommenge im Verhältnis zum gesamten Strombedarf des Verbrauchers beschreibt, sollten annähernd gleich und möglichst hoch sein.
Solaranlagen für Privathaushalte werden dementsprechend nach dem Unabhängigkeitsprinzip dimensioniert und optimiert. Hier bietet der Jahresenergiebedarf des Haushalts eine wichtige Orientierung: Als einfache aber gute Faustformel sollte der Betreiber die Anlage mit etwa einem Kilowattpeak für je 1000 Kilowattstunden Verbrauch pro Jahr kalkulieren.
Höherer Eigenverbrauch durch Anpassung des Verbrauchsverhaltens
Der typische Eigenverbrauch eines Haushalts liegt bei 20 bis 30 Prozent. Eine noch weitergehende Steigerung des Eigenverbrauchs und des Autarkiegrads lassen sich über die Sonnenoptimierung des eigenen Verbrauchs erreichen. Bei etwa 30 bis 40 Prozent des gesamten Haushaltsverbrauches besteht Potenzial für Lastmanagement, das heißt, die Möglichkeit den Verbrauch an und nach der Stromproduktion der Solaranlage auszurichten. In Frage kommen hier temporäre Vorgänge wie Waschen, Spülen, Trocknen oder zeitlich gesteuerte Kühlschränke- und -truhen, aber auch Wärmepumpen und eine elektrische Heizungsunterstützung zur Warmwasseraufbereitung.
Durch ein geändertes Nutzverhalten beziehungsweise bereits verfügbare Automatisierungsvarianten kann der Betreiber schon heute eine Steigerung des Eigenverbrauchs um etwa fünf Prozent erzielen. Perspektivisch sollen Techniken wie Home Energy Management Systems (HEMS) und weiße Ware, also Haushaltsgroßelektrogeräte dabei helfen, diesen Wert um weitere rund zehn Prozent zu steigern.
Sonja Schreiner
(rao)
