Batteriespeicher

Heute werden Stromspeicher auch mit Notstromfähigkeit angeboten. Dabei müssen aber solche Systeme unterschieden werden, die z. B. einen Steckdosenanschluss zur Verfügung stellen, an dem bei einem Netzausfall einzelne Verbraucher direkt am Speicher/Wechselrichter angeschlossen und betrieben werden können. Manche Hersteller bieten auch eine echte Notstromfunktion an, die die direkte Versorgung aller Stromphasen im Hausnetz garantiert, wodurch Haushaltsgeräte bei Netzausfall wie gewohnt weiterbetrieben werden können. Hierfür ist die Installation einer allpoligen, automatischen Trennung notwendig, die das Hausnetz bei einem Netzausfall direkt vom Stromnetz trennt und ein Inselnetz aufbaut.

Die Investitionskosten der Stromspeicher sollten grundsätzlich zum Abzug zugelassen werden, wenn der Speicher zusammen mit einer Solaranlage installiert wird, gleich wie dies bei einem Boiler bei einer thermischen Nutzung möglich ist. Die Praxis der Kantone ist diesbezüglich jedoch noch nicht gefestigt, sodass der Abzug verweigert werden könnte.

Ein Stromspeicher ist ein Speicher für elektrische Energie, die beispielsweise mittels einer Photovoltaikanlage gewonnen wird. Der Hauptbestandteil des Speichers ist heute in den meisten Anwendungen eine wiederaufladbare Batterie (auch Akku genannt). Diese wird geladen, sobald die Photovoltaikanlage mehr Strom erzeugt, als zu dieser Zeit im Haus benötigt wird, und entladen, wenn mehr Strom benötigt wird, als die Photovoltaikanlage erzeugt. Mit einem Stromspeicher kann so der Eigenverbrauch bis zu einem Anteil von 90 % gesteigert werden. Der effektive Eigenverbrauchsanteil hängt von verschiedenen Faktoren wie beispielsweise dem Verbrauchsprofil und der Anlagengrösse ab und kann stark variieren.

Unter Vollzyklus versteht man, dass der Speicher in der Summe einmal voll entladen und voll geladen wurde. Dies kann durch einmaliges komplettes Entladen auf den zulässigen minimalen Ladezustand und nachfolgendes Aufladen auf 100 % geschehen oder zum Beispiel auch durch zweimaliges Entladen und Laden mit 50 % der maximalen Speicherkapazität. Zyklen mit nicht kompletter Entladung und Ladung werden Teilzyklen genannt. Teilzyklen können zur Berechnung der Anzahl Zyklen addiert und zu Vollzyklen zusammengefasst werden.

Ein Batteriespeichersystem kostet heute je nach Speicherkapazität zwischen 1000 und 2500 CHF/kWh inklusive Wechselrichter und Installation. Bei hohen Strombezugskosten, hohen Leistungstarifen und tiefen Rückspeisevergütungen können Batteriespeicher wirtschaftlich betrieben werden. Eine zusätzliche Förderung und steuerliche Abzugsfähigkeit verbessern zudem die Wirtschaftlichkeit.

Für die Speicherung von Solarstrom gibt es eine Vielzahl von Akku-Typen. Die am häufigsten eingesetzten Akkus sind Lithium-Ionen-Akkus. Blei-Säure/Gel-Akkus sind deutlich günstiger, verlieren aufgrund geringerer Leistungs- und Energiedichte jedoch zunehmend an Relevanz. Die Stromspeicher zeichnen sich durch die folgenden Merkmale aus: Lithium-Ionen-Stromspeicher Lithium-Ionen-Akkus zeichnen sich durch hohe Energie- und Leistungsdichte, hohe Zyklenfestigkeit sowie einen hohen Wirkungsgrad aus. Sie sind für fast alle Anwendungen geeignet und stellen die dominante und am weitesten fortgeschrittene Technologie in mobilen (beispielsweise Smartphones, elektrische Fahrzeuge) und in stationären Anwendungen rund um die Photovoltaik dar. Es gibt verschiedene Typen (Lithium-Mangan, -Kobaltdioxid, -Eisenphosphat, -Titanat etc.) Blei-Säure-Speicher Der Blei-Säure-Akkumulator ist der bedeutendste Stromspeicher in Bezug auf die weltweit installierte Batteriekapazität (alle Anwendungen, beispielsweise Notstromversorgung, Starterbatterie für Verbrennungsmotoren). Auch das Recycling ist zu einem grossen Teil gewährleistet. Sie sind kostengünstiger als Lithium-Ionen-Speicher, weisen dafür aber andere Nachteile wie beispielsweise einen schlechteren Wirkungsgrad und geringere Zyklenfestigkeit auf. Redox-Flow-Speicher Beim Redox-Flow-Speicher befinden sich die Elektrolyte in externen Tanks. Energie und Leistung sind deshalb unabhängig skalierbar. Bisher ist die Technologie noch wenig verbreitet, sie besitzt aber Potenzial für mittlere und grosse Systeme. Salz-Batterie bzw. ZEBRA(Zero Emission Battery Research Activities)-Batterie Bei dieser Technologie werden feste Elektrolyte und flüssig-feste Elektroden verwendet. Für den Betrieb sind hohe Temperaturen notwendig (ca. 270–350 °C). Es handelt sich um eine sehr umweltverträgliche Batterie, da sie einfach zu recyceln ist und praktisch keine kritischen Stoffe enthält. Die Technologie ist noch wenig verbreitet und findet heute hauptsächlich in Pilotprojekten Anwendung. Salzwasser-Batterie Weiter verbreitet als Salz-Batterien sind Salzwasser-Batterien, die auch als Massenprodukt verfügbar sind. Die Technologie ist ausgereift, und die Batterien sind zu 100 % rezyklierbar. Sie sind nicht brennbar, enthalten umweltfreundliche Materialien und weisen eine hohe Lebensdauer auf. Allerdings ist die Energiedichte wesentlich geringer als bei Lithium-Ionen-Batterien. Zum Vergleich: Die Batterie erreicht 12 bis 24 Wattstunden pro Liter, Lithium-Ionen-Varianten bringen es auf 500 Wattstunden pro Liter. In der Konsequenz bedeutet das: Eine Salzwasserbatterie braucht bei gleicher Leistungsfähigkeit mehr Volumen als eine Lithium-Variante, kann aber in jedem normalen Heizungskeller installiert werden. Zum anderen ist die Batterie eher für gleichmässige Ladungsvorgänge geeignet.

Gleichstromsystem Die Batterie wird auf der Gleichstromseite (DC-Seite) an den Wechselrichter angeschlossen. Dabei spricht man oft von einem «Hybridwechselrichter», weil sowohl die PV-Module wie auch die Batterien am selben Gerät angeschlossen werden können. Das vereinfacht für den Anwender das System, spart Kosten und punktet zudem mit einem höheren Wirkungsgrad. Das System ist dafür weniger flexibel, falls die PV-Anlage einmal umgebaut oder erweitert werden soll. Wechselstromsystem Die Batterie wird auf der Wechselstromseite (AC-Seite) an den Wechselrichter angeschlossen. PV-Anlage und Batteriesystem sind dabei modular aufgebaut und können unabhängig voneinander ausgewechselt werden. Dies hat grosse Vorteile, falls das Batteriespeichersystem erst nachträglich installiert werden soll. Dafür sind die Synergien mit der PV-Anlage etwas geringer als beim Gleichstromsystem, was sich in den Kosten und im Wirkungsgrad niederschlägt. Hybrid-System Hybrid-Stromspeicher vereinen AC- und DC-gekoppelte Systeme, wodurch kein weiterer Wechselrichter benötigt wird und der Speicher als Wechselstrom- und Gleichstrom-Quelle betrieben werden kann. Neue PV-Installationen und Altanlagen können an den Speicher angeschlossen werden.

Beim Recycling von Lithium-Ionen-Akkus können erste Erfolge verzeichnet werden, so gibt es einige Firmen wie etwa die Redux Recycling GmbH und librec, die zum Teil eine Rückgewinnungsquote von bis zu 70 % erreichen, d. h. dass 70 % der Ausgangsstoffe wiederverwendet werden können. Kritisch zu sehen sind allerdings die Abbaubedingungen des Lithiums, die zu Wasserverknappung in den jeweiligen Regionen führen können. Ein umweltverträglicherer Abbau könnte eventuell im Erzgebirge in Deutschland erfolgen. Auch die Abbaubedingungen von Kobalt sind sehr kritisch zu sehen. Zwei Drittel werden im Kongo durch Kinderarbeit abgebaut. Eine bessere Recyclingquote in den nächsten Jahren und somit ein effizienterer Umgang mit Lithium sowie der Verzicht auf Kobalt könnten die Umweltauswirkungen verringern. Bei Bleispeichern ist das Recycling seit Jahren etabliert. Bei Salzbatterien liegen praktisch keine umweltschädlichen Komponenten vor. Das Recycling von Stromspeichern in der Schweiz erfolgt durch INOBAT.

Batteriespeicher arbeiten nach dem Prinzip der wiederaufladbaren Akkumulatoren, wie sie auch in Mobiltelefonen verwendet werden. In Kombination mit einer PV-Anlage kommt hinzu, dass sie vorrangig mit überschüssigem, selbst produziertem Strom geladen werden. Beim Laden des Batteriespeichers wird in der Batterie elektrische Energie in chemisch gebundene Energie umgewandelt und bleibt dort so lange gespeichert, bis der Akku wieder entladen wird. Beim Entladen wird die gespeicherte chemische Energie wieder in elektrische Energie umgewandelt und als elektrischer Strom abgegeben. Ein weiterer elementarer Bestandteil des Batteriespeichers ist das Batteriemanagementsystem (BMS), das die Lade- und Entladeprozesse steuert.

Die Speichergrösse kann gemäss zwei Faustregeln berechnet werden (Quelle: Swissolar-Merkblatt Nr. 13): 1. Batteriegrösse auf PV-Anlage anpassen Formel: Leistung PV-Anlage (kWp) × 1,5 ≙ Speicherkapazität (kWh) Beispiel: Für eine 6-kWp-Photovoltaikanlage wird ein 9-kWh-Speicher installiert. 2. Batterie an Stromverbrauch anpassen Formel: Jahresstromverbrauch (kWh) / (2*365) ≙ Speicherkapazität (kWh) Beispiel: Haushalt mit 6000 kWh Jahresenergieverbrauch geteilt durch die Anzahl Halbtage pro Jahr (2*365) ergibt einen Speicher mit 8,2 kWh Kapazität.

Die Datenblätter der einzelnen Hersteller sind oft schwer vergleichbar. Swissolar empfiehlt deshalb, unabhängige Vergleiche der Speicher hinzuzuziehen. Insbesondere die Stromspeicher-Inspektion der HTW Berlin erlaubt es, die Vergleichbarkeit der am Markt erhältlichen PV-Speichersysteme zu verbessern. Schwerpunkt dieser Studie war die Überprüfung der Herstellerangaben zur Speicherkapazität und zum Wirkungsgrad von 60 Speicherherstellern. Weiter unterstützt Sie das Swissolar-Merkblatt Nr. 13 beim Vergleich.