Wachsendes Marktsegment an Solarstromspeichern - Energiespeicher für den PV-Eigenverbrauch in Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie für Gewerbebetriebe

Eine Optimierung der Energieeffizienz aus einer PV-Anlage lässt sich durch die bedarfsangepassten Systemlösungen erreichen. Zur Entwicklung des Anlagenkonzepts bildet daher eine Analyse über das Nutzerverhalten und der ermittelte Stromverbrauch die Basis. Das Energiekonzept schließt neben der Zwischenspeicherung der Solarstromenergie auch die zeitliche Steuerung der haushalteigenen Stromverbraucher (Lastmanagement) und die Regelung der Erzeugungsanlagen (Einspeisemanagement) ein.
Ein energieeffizienter Fortschritt wird schon bei einer Investition mit einem relativ kleinen Solarstromspeicher erreicht, denn bei einer Speicherkapazität von 2 kWh kann der Eigenstromverbrauch bereits verdoppelt werden, d.h. aus 30% werden 60% Eigenverbrauch. Daraus folgt, dass unter Beachtung des Aspekts der stets steigenden Strompreise der bisher 70%igen Netzstrombezug auf 40% reduziert wird.
Ziel ist es, so viel Solarstrom wie möglich direkt im Haushalt zu verbrauchen und so den Eigenverbrauch und den Autonomiegrad zu maximieren. Der Anlagenbetreiber und Fachplaner kann je Produkthersteller den Autonomiegrad im Leistungsspektrum zwischen 2 und 15 kW_p auswählen und je nach Akkumulatoren-Speicherkapazität und PV-Leistung eine 40 bis 70%ige Unabhängigkeit vom Netzstrom erreichen.
In der Batterietechnologie wird der Begriff „Batterie“ als Oberbegriff für das System und  umgangssprachlich der Begriff „Akkumulator“ für den Spezialfall als wiederaufladbares System verwendet. Analog dazu sind in Fachkreisen auch die Begriffe „Primärbatterie“ für nicht aufladbare sowie „Sekundärbatterie“ für aufladbare Systeme üblich.
Der Begriff „Zelle“ definiert sich als eine Einheit, die Energie speichert bzw. Energie abgibt. Jede Zelle besteht daher aus einem Plus- und einem Minuspol (Anode und Kathode) sowie einem Separator.  

Blei- oder Lithium-Akkumulator?
Bisher hat sich zur Stromspeicherung die Verwendung von Bleibatterien als billigste und technisch ausgereifte Lösung mit einem hohen Wirkungsgrad dargestellt. Das Ein- und Ausspeichern der schwankenden Sonnenenergie erfordert eine hohe Anzahl an Ladezyklen, wodurch die Lebensdauer begrenzt wird. Bei einer Betriebszeit der PV-Anlage von 20 Jahren muss mit 7000 Zyklen gerechnet werden. Da Blei-Akkumulatoren in der Regel jedoch nur ein Drittel dieser Zyklen erreichen, muss während der Laufzeit von 20 Jahren mit einem ein- oder mehrmaligen Austausch gerechnet werden.  
Der Nachteil liegt aber nicht nur in der geringen Lebensdauer, sondern auch im hohen Gewicht und der laufenden Wartungskontrolle. Konventionelle Bleiplatten-Akkumulatoren mit verdünnter Schwefelsäure als Elektrolyt sind nicht wartungsfrei: ihr Säuregehalt muss regelmäßig geprüft und destilliertes Wasser ergänzt werden. Zudem besteht bei diesem Akkutyp die Gefahr einer Trennung von Säure und Wasser innerhalb der Batterie. Dieses kann bei niedrigen Temperaturen zum Gefrieren des Wassers und somit zum Platzen der Akkus führen. Aufgrund der bautechnischen Vorgaben an die Aufstellungsräume für Bleibatterien (AGI-Richtlinien) erweist sich hier der Einsatz von Blei-Gel-Akkumulatoren als vorteilhafter.
Für die dezentrale Energiezwischenspeicherung bietet sich zunehmend die Lithium-Ionen-Technologie an. Diese Systeme erfüllen die für den Betrieb der PV-Anlagen geforderten Anforderungen, wie eine zu erwartende Systemleistung mit hohen Ladezyklen von 20 und mehr Jahren sowie eine lange Lebensdauer. Zudem können diese Systeme nicht ausdünsten und sind platzsparender.
Mit der Verfügbarkeit von Lithium-Ionen-Akkumulatoren im größeren Leistungsbereich wird auch der Einsatz für eine netzunabhängige Energieversorgung oder Energiezwischenspeicherungen interessant.

Lithium-Ionen-Polymer-Akkumulatoren
Bei den Lithium-Polymer-Akkumulatoren bildet eine Lithiumfolie die Anode (Lithium-Metall-Polymer), ansonsten besteht das Anodenmaterial aus Grafit (C6). Die festen bis gelartigen polymeren Elektrolytschichten gewährleisten eine gute Leitfähigkeit der Lithiumionen und Trennung der Elektroden. Den derzeit noch höheren Investitionskosten stehen ein geringes Gewicht sowie ein extrem hoher Wirkungsgrad gegenüber.

Lithium-Eisenphosphat-Zellen
Bei gleicher Kapazität sind Lithium-Eisen-Akkumulatoren um ein Vielfaches leichter als Blei-Gel-Akkumulatoren und verfügen über eine sehr viel höhere Energiedichte. Li-Fe-Akkus erreichen gegenüber den Li-Ionen-Akkus eine bis zu viermal höhere Zyklenzahl bzw. die gegenüber Blei-Gel-Akkus sogar bis zu sechsmal höher ausfällt.
Die Lithium-Eisenphosphat-Technologie hat in Kombination mit der Gegenelektrode aus Lithium-Titanoxid den Vorteil, besonders feuerfest zu sein, d.h. es handelt sich um eigensichere Akkus ohne speziellen Separator.

Lithium-Titanat-Technologie
Die Speicherlösungen des schweizerischen Herstellers Leclanché SA (Yverdon-les-Bains) basieren auf der Lithium-Titanat-Technologie mit einem patentierten keramischen Separator, dessen Zellen besonders effizient und langlebig sind.

AC- oder DC-gekoppelte Speichersysteme
Bei der Auswahl des Speichersystems muss generell darauf geachtet werden, ob seitens der Fachplanung AC- oder DC-gekoppelte Produkte verwendet werden.
Bei einem AC-geführten System wird eine höhere Flexibilität erreicht und der Akkumulator separat über einen Wechselrichter und Gleichstromwandler ins Wechselstromnetz des Gebäudes integriert. AC-geführte Systeme sind mit mehreren Bezugsquellen, also auch mit dem Netz, verbunden.
Weil die Produkthersteller hier jedoch nur einige feste Akkumulatorengrößen anbieten, wird die PV-Anlage nicht nur benutzerfreundlicher, sondern es trägt auch zum Leistungserhalt des Akkus bei. Wenn ein Akku (z.B. im Winter) länger als drei Tage keinen Strom bekommt, nimmt dessen Kapazität um 10% ab. Das AC-geführte Lademanagement verhindert dies durch eine automatische Sicherheitsladung.
Ein wesentlicher Vorteil von AC-geführten Systemen liegt auch in der guten Kompatibilität mit PV-Wechselrichtern. Andererseits muss ggf. an einem AC-geführten System ein Produktionszähler vor dem Akku-System installiert werden, damit der Nachweis geführt werden kann, dass kein Netzstrom geladen und als Solarstrom eingespeist wird.
Ein AC-geführtes System hat gegenüber einem DC-geführten System den Vorteil, dass es flexibler zu planen und zu installieren ist und auch nachträglich integriert werden kann, ohne dass der Solarwechselrichter gewechselt werden muss.
Bei einem DC-geführten System wird der Solarspeicher zwischen einem Gleichstromwandler und dem eigentlichen Wechselrichter integriert. Weil zwischenzeitlich der Eigenverbrauchsbonus entfallen ist, wird bei DC-gekoppelten Systemen unter 10 kWh kein Produktionszähler mehr gefordert bzw. braucht dieser Zähler auch nicht mehr nachgewiesen werden. Bei PV-Anlagen mit einer Leistung über 10 kWh wird der Einsatz eines Produktionszählers deswegen erforderlich, weil ab 2013 nur 90% der Solarleistung vergütet werden. Der besondere Vorteil dieser DC-Hochvoltsysteme liegt zudem auch darin begründet, dass in der Regel höhere Systemwirkungsgrade als in AC-geführten Systemen erreicht werden.
Die Dimensionierung eines Akkumulatorensystems wird primär von den beiden wichtigsten Größen, dem Eigenverbrauchsanteil und dem Autarkiegrad, beeinflusst. Hierzu sind generell die  Kriterien zu berücksichtigen, ob der Anlageneigner einen optimalen Eigenverbrauchsanteil oder primär einen möglichst hohen Autarkiegrad bevorzugt. Nur wenn die Größe der PV-Anlage, Akku-Kapazität und Entladeleistung an den Verbrauch angepasst sind, lässt sich auch ein optimales Ergebnis erreichen.
Die Frage, wie oft die Zellen der Speichersysteme be- und entladen werden können, hängt von zahlreichen Faktoren ab, z.B. welche Entladetiefe veranschlagt wird. Während die Blei-Akkumulatoren nur bis maximal 60% entladen werden dürfen, können die Lithium-Ionen-Produkte durchaus bis zur Vollzyklusgrenze, d.h. bis 100%, entladen werden.   

Produkthersteller (Auszug)
Die kleineren Kombisysteme mit modularen Lösungen und Energiemanagement werden in der Regel für PV-Anlagen mit 3 oder 5 kW dimensioniert.
Die IBC-Solar AG, Bad Staffenstein, fährt in ihrer Produktionspalette der Solarstromspeicherung zweigleisig. Beim „Solstor 6.8 Pb“ und „SolStore 8.0 Pb“ handelt es sich um einen Blei-Gel-Akku mit einer Kapazität von 6,8 kWh, der für ca. 200 Ladezyklen pro Jahr  und eine Entladetiefe von 50% konzipiert wurde und nach Herstellerangaben eine Lebensdauer von 10 Jahre erreichen soll. Demgegenüber nutzt der „SolStore 3.5 Li“ die Lithium-Ionen-Polymertechnologie, mit der ein Wirkungsgrad von 95% erreicht wird. Dieser Speicher nimmt als Basisgerät zwar nur 3,55 kWh auf, kann aber modular erweitert werden. Zudem lässt sich der „SolStore 3.5 Li“ komplett entladen und verträgt 7000 Vollladezyklen.
Die Solarstromspeicher vom Typ „HomePower“ der Juwi-Solar Holding AG, Wörrstadt, basieren auf der Lithium-Technologie und können auch kompatibel in bestehende PV-Anlagen integriert werden. Die Produktionspalette der Solarstromspeicherung besteht aus dem „HomePower XS“, „-S“,“-M“ und „-L“ mit einer Speicherkapazität von 4,6 bis 20,5 kWh und einer Spitzenleistung von 2,4 bis 6,0 kW.
Die Modelle „XL“ und „XXL“ mit einer Speicherkapazität von 20,5 bis 41 kWh und einer Spitzenleistung von 12 bis 18 kW können zusätzlich zur Dreiphasenversorgung auch Drehstrommotoren betreiben.
Das Speichersystem „REM AccuSystem“ der REM GmbH, Rottenburg a.d. Laaber, wird in den drei Größen „AS 460“ sowie „AS 575“ und „AS 690“ mit einer Batteriespannung von 115 V und Leistungen von 4,6 und 5,7 kWh sowie 6,9 kWh hergestellt und eignet sich zum modularen Nachrüs­ten in PV-Anlagen. Das System basiert auf Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Der „REM AccuTower“ besteht aus einem Lithium-Ionen-Akkumulator mit „REM AccuManager“. Mit dem „AccuManager“ kann in Kombination des „AccuTower“ mit einer PV-Anlage, Windkraftanlage, Kleinst- KWK-Gerät oder einer Gasturbine eine Optimierung des Eigenverbrauchs von bis zu 70% erreicht werden. Der „REM AS WebServer“ wird zum einfachen Anlagenmonitoring über das Internet integriert, wobei auch eine Bedienung über Apps möglich ist.
Der Speicher für „RWE HomePowersolar“ von der RWE Effizienz GmbH, Dortmund, basiert auf der „Engion“ Energiespeicher-Produktlinie von Varta und kommt im Leistungsspektrum zwischen 4,6 und 13,8 kWh auf den Markt. Die Speicherzellen zeichnen sich durch eine Lebensdauer von bis zu 20 Jahren und eine Entladetiefe von 90% aus. Mit der neuen Speicherlösung lässt sich ein Solarstrom-Selbstverbrauch von 60% und mehr realisieren. Dank des modularen Aufbaus lässt sich das System auch nachträglich an sich verändernde Bedürfnisse anpassen. Für das Energiemanagement sorgt das System „RWE SmartHome“.
Die Solarstromspeicher der Saint-Gobain Building Distribution, Frankfurt/Main, vom Typ „Luxra ES“ sind mit Lithium-Ionen-Zellen aufgebaut und aufgrund der hohen Kapazität und  der schnellen Ladung und Entladung besonders für die optimierte Steigerung des Eigenverbrauchs geeignet. Die Standardausführung mit einer Kapazität von 3,7 kWh kann je nach Bedarf modular bis auf 13,8 kWh erweitert werden.
Der Solarstromspeicher „luxra ES“ verfügt zudem über eine Lebensdauer von mehr als 20 Jahren und damit eine zu erwartende Zyklenlebensdauer von 6000 Zyklen.
Nachdem das modulare Konzept mit dem „Sunny Home Manager“ komplett konzipiert wurde, präsentiert SMA Solar Technology AG, Niestetal, nun das „Sunny Boy 5000 Smart Energy“, ein integriertes Speichersystem für die Wandmontage. Hierbei handelt es sich um ein Kombinationsgerät aus SMA-Wechselrichter und einem Lithium-Ionen-Akkumulator mit einer nutzbaren Kapazität von 2 kWh. Das Konzept wurde mit dem kleineren Stromspeicher zur wirtschaftlich optimalen Betriebsweise so dimensioniert, dass die Eigenverbrauchsquote nahezu ganzjährig um bis zu 30% genutzt werden kann. Die zentrale Komponente besteht aus dem „Powerrouter“ von Nedap, der die Systemsteuerung und die Wechselrichterfunktion und die Speicherung in Akkumulatoren sowie die Einspeisung der Solarstromüberschüsse ins öffentliche Netz vereint.  Die SolarWorld AG, Bonn, beschreitet derzeit noch traditionell den Weg über die Blei-Akkumulatoren. Das Speichersystem „SunPac“ wurde zwischenzeitlich überarbeitet, wobei in der neuen Variante „2.0“ für die Lade- und Entladefunktion ein dreiphasiger Wechselrichter integriert wurde. Hierdurch entfällt der Laderegler, wobei sich  im Vergleich zum Vorgängermodell der Systemwirkungsgrad erhöht hat. Damit sich für den Anlageneigner die Investitionskosten verträglich gestalten, kann der Wechselrichter nach Herstellerangaben auch vorerst ohne Batterie installiert und die Batterie zu einem späteren Zeitpunkt integriert werden.
Die schweizerische Tritec AG, Aarberg (Schweiz), bietet mit dem „Tri-Cell“ ein DC-gekoppeltes Speichersystem für PV-Anlagen mit Lithium-Eisen-Nanophosphat-Akkumulatoren und einer nutzbaren Speicherkapazität von 3,3 bis 11 kWh an. Die Akkus erreichen eine Nennspannung von 96 V und erreichen nach Herstellerangaben mit ca. 6000 Ladezyklen eine Lebensdauer von 15 Jahren. Das Stromspeichersystem beinhaltet eine vollautomatische Regelung, mit der die Energiespeicherung, der Eigenverbrauch und die Netzeinspeisung in Abhängigkeit von der aktuell verfügbaren Sonnenenergie geregelt wird. Das Speichersystem lässt sich über Zusatzverteiler auch im Notstrombetrieb verwenden.
Die Größenklassen der Typen  „XS“, „S“, „M“, „L“ und „XL“ sind zudem als Variante zur Stromnetzkonformität im TN-Netz oder im TT-Netz lieferbar.

Energiezellen für den PV-Eigenverbrauch
Die Energiezelle „VS 5 hybrid“ von Voltwerk electronics GmbH, Hamburg, wird als Kombination standardgemäß mit einem Lithium-Ionen-Akkumulator mit einer Kapazität von 8,8 kWh und einem trafolosen Wechselrichter mit 5 kW sowie einem Energiemanagementsystem hergestellt. Der Systemschrank lässt auch eine Kapazitätserweiterung auf 11 kWh sowie 13,2 kWh zu. Es wird eine nutzbare Speicherkapazität von  5,28 bzw. 6,6 sowie 7,92 kWh bei einer Entladetiefe von 60% und 7000 Vollzyklen erreicht. Die Kombination des „VS 5 hybrid“ mit dem PV-Wechselrichter ermöglicht eine zeitlich flexible Nutzung von Solarstrom durch Speicherung nicht genutzter Strommengen. Die Speicherung von Solarstrom eröffnet dem Betreiber einer PV-Anlage die Möglichkeit, auch in lichtschwachen Zeiten, wie morgens, abends oder nachts, den Eigenbedarf mit Solarstrom abzudecken. Die Energie wird entweder direkt aus der PV-Anlage in das Stromnetz eingespeist, dem Speicher entnommen oder gleichzeitig aus beiden Quellen zur Verfügung gestellt. Nur für den Fall, dass aus der Speicherhybridlösung nicht genug Energie bereitgestellt werden kann, wird auf den Netzstrom zurückgegriffen. Neben der Netzeinspeisung von Sonnenstrom mit hohem Wirkungsgrad ermöglicht diese „Energiestation“ eine Verbesserung des Eigenverbrauchs sowie eine Überbrückung bei Netzausfällen (autarke Betriebsweise). Das Batteriemanagement gewährleistet eine optimale Be- und Entladung der Lithium-Ionen-Akkumulatoren, wodurch eine hohe Zyklenfestigkeit der Batterie über eine Gesamtlebensdauer von 20 Jahren sichergestellt wird.
Das Batteriemanagement sorgt für eine sehr gute Lade- und Entladefunktion der Lithium-Ionen Akkumulatoren. Hierdurch wird eine hohe Zyklenfestigkeit der Batterie über eine Gesamtlebensdauer von 20 Jahren sichergestellt.

Solarstromspeicher mit Energiemanagement und Brennstoffzelle
Kyocera Fineceramics, Esslingen, präsentiert eine innovative Speicherlösung mit Energiemanagement und Brennstoffzelle, bei der der Solarstrom aus der PV-Anlage in einem Lithium-Ionen-Akkumulator mit einer Kapazität von 7,1 kWh gespeichert wird. Des Weiteren erlaubt die Speicherlösung die
Integration einer zusätzlichen Brennstoffzelle (SOFC), die Erdgas in Strom und Wärme umwandelt. Die Systemlösung ist für Gebäude mit optimaler Bauphysik (gut gedämmter Wärmedämmung), d.h. geringem Heizbedarf bis zu Null- oder Passivhäusern geeignet, für die ein hoher PV-Eigenstrombedarf und die Wärme zur Warmwasserbereitung zur Verfügung stehen muss.

Elektrolyseur und Brennstoffzelle
Als weitere Systemlösungen, um Solarstrom zu speichern, bieten sich auch andere Technologien an, wie z.B. die Erzeugung von Wasserstoff über Elektrolyse oder die Redox-Flow-Technologie.
Im Redox-Flow-Akkumulator wird die Energie jedoch nicht in Elektronen, sondern in zwei Elektrolytflüssigkeiten (Metallionen), z.B. Vanadium oder Vanadium-Bromid, gespeichert. Die Vanadium-Redox-Flow-Batterie verwendet Salze, die in einem flüssigen Elektrolyt gelöst sind. Der Elektrolyt befindet sich in separaten Tanks und wird nur bei Bedarf zu den Elektroden und der Membran in der zentralen Reaktionseinheit gepumpt. Die energiespeichernden Elektrolyte zirkulieren in zwei getrennten Kreisläufen, zwischen denen in der Zelle mittels Membran der Ionenaustausch stattfindet. Das Aufladen erfolgt über den Austausch der Elektrolyte. Die Redox-Flow-Batterien haben eine hohe Energiedichte, einen Wirkungsgrad von bis zu 75% sowie eine lange Lebensdauer und hohe Zyklenfestigkeit.
Beim „Cellcube  FB 10-100“ der Cellstrom GmbH, Wiener Neudorf (Österreich) handelt es sich um einen speziellen Akku für die Photovoltaik im Privatbereich. Der „Cellcube FB 200-400“ ist besonders für den industriellen Einsatz geeignet. Der „Cellcube  FB 10-100“ kann mit bis zu 10 kW geladen oder entladen werden und stellt eine Kapazität bis zu 100 kWh zur Verfügung. Mit dem „Cellcube FB 200-400“  wird eine Leistung bis zu 200 kW und eine Speicherkapazität bis zu 400 kWh erreicht.
Die Vorteile der Vanadium-Redox-Flow-Batterie liegen in der hohen Lebensdauer und in der Unempfindlichkeit gegenüber Tiefentladungen.
Fronius International, Wels (Österreich), bietet die „Energiezelle 25 F“ bzw. „50 F“ an, die den Solarstrom nutzt, um Wasser elektrolytisch in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. Der Wasserstoff wird in Druckbehältern aus Stahl gespeichert. Der gespeicherte Wasserstoff wird in einer integrierten Brennstoffzelle zu Strom und Wärme umgewandelt.
Die „Energiezelle“ besteht als Gesamtsystem der regenerativen Energieerzeugung und -speicherung: Sie erfüllt die Funktionen des Elektrolyseurs und die der Brennstoffzelle (PEM-Stack). Aus dem System wird eine Leistung von 2 kW oder 4 kW sowie Gleichstrom von 24 V bis 56 V bereitgestellt.
Der Spitzenstrombedarf wird durch zusätzlich integrierte Akkumulatoren abgedeckt, wobei der Akkumulatortyp und die Kapazität je nach Anwendungsfeld unterschiedlich konzipiert werden können.

Speicherförderung
Ab 1. Mai 2013 werden 30% der Kosten für das Speichersystem bezuschusst. Der maximale Fördersatz für Neuanlagen liegt bei max. 600,– Euro/kWh der PV-Anlage sowie für Nachrüstungen von bestehenden PV-Anlage bei max. 660 Euro/kWh. Darüber hinaus muss die Einspeiseleistung der PV-Anlage auf 60% der Anlagenleistung reduziert werden und der Produkthersteller des Solarstromspeichers muss eine 7-jährige Zeitwertgarantie mitliefern. Der staatliche Finanzierungszuschuss gilt für Solarstromspeicher in Verbindung mit einer PV-Anlage bis 30 kW_p Gesamtleistung und kann über die KfW Förderbank beantragt werden.
Die Förderhöhe hängt von der Größe der Photovoltaikanlage und den Anschaffungskosten des Speichersystems ab.

Wichtiges Verkaufsargument
Mit dem Förderprogramm gibt es nun ein weiteres wichtiges Verkaufsargument, in eine PV-Anlage mit Solarspeicherung und Energiemanagement zu investieren. Die Innovationen im Bereich des Marktsegments der Solarspeichertechnologien bleiben ein anhaltend spannendes Thema. Der Lithium-Ionen-Technologie dürfte hier eine Schlüsselstellung zukommen. Schon heute ist es ersichtlich, das mit der Lithium-Ionen-Technologie in Zukunft der Marktanteil für Blei-Säure-Akkus bzw. der Blei-Gel-Akkus reduziert wird. Anderseits warten bereits in den Forschungs- und Entwicklungsbereichen der Firmen bzw. Institute neue Konzepte auf ihre Markteinführung.

Autor: Dipl.-Ing. Eric Theiß ist als freier Journalist mit den Themenschwerpunkten Technische Gebäudeausstattung (TGA) und rationelle Regenerativtechnologien tätig.
81369 München, dipl.ing.e.theiss@t-online.de