Ratgeber: Photovoltaik-Anlagen mit Batteriespeicher fürs heimische Dach
Seite 3: Systemkonzepte
AC oder DC
Die Reise eines Elektrons von der Solarzelle über den Batteriespeicher bis zur Steckdose fällt je nach Systemtopologie unterschiedlich aus. Namensgeber für die verschiedenen Konzepte sind die jeweiligen Verknüpfungspunkte, an denen der Batteriespeicher eingebunden ist. Am weitesten verbreitet sind PV-Batteriesysteme mit der sogenannten Wechselstrom-Kopplung (englisch Alternating Current, AC) und mit Gleichstrom-Kopplung (Direct Current, DC).
Bei AC-Systemen erfolgt die Batteriespeicherung über die Wechselstromseite. Die Solarmodule auf dem Dach sind dabei über einen konventionellen PV-Wechselrichter an das Wechselstromnetz des Gebäudes angeschlossen. Die Ladung und Entladung des Batteriespeichers erfolgt über einen separaten Batterieumrichter. Der entscheidende Vorteil dieser AC-Anbindung ist Flexibilität. Einerseits muss der Batteriespeicher nicht in unmittelbarer Nähe zum PV-Wechselrichter stehen. Andererseits kann man eine bestehende PV-Anlage mit AC-gekoppelten Systemen einfach um einen Batteriespeicher erweitern.
(Bild: HTW Berlin, Forschungsgruppe Solarspeichersysteme )
Bei DC-gekoppelten Systemen lässt sich hingegen die doppelte Umwandlung des Solarstroms zunächst in Wechselstrom und anschließend wieder in Gleichstrom umgehen. Hierzu ist der Batteriespeicher über einen bidirektionalen Laderegler am sogenannten DC-Zwischenkreis des Wechselrichters eingebunden. Man braucht also Kombigeräte, welche die komplette Leistungselektronik vereinen.
DC-gekoppelte Systeme arbeiten im Idealfall effizienter als AC-gekoppelte – aber längst nicht immer. Je größer der Spannungsunterschied zwischen dem Batteriespeicher und dem DC-Zwischenkreis ist, desto stärker sinkt die Umwandlungseffizienz. DC-Systeme mit Hochvoltbatterien (Spannung größer 100 Volt) sind daher meist effizienter als DC-Systemlösungen mit Niedervoltbatterien (Spannung kleiner 60 Volt).
(Bild: Solarwatt)
Wie effizient die DC-Kopplung in der Praxis ist, hängt auch stark von der Dimensionierung des Wechselrichters und den örtlichen Gegebenheiten ab. Die Umwandlungseffizienz während der Batterieentladung ist umso geringer, je größer der Wechselrichter ausgelegt ist. Besonders sollte man auf die Wirkungsgrade beim Entladen mit Teillast achten, weil der Batteriespeicher den Großteil der Energie am Abend und in der Nacht bei einem Leistungsbedarf von unter 600 Watt liefert. In Wohngebäuden mit einem sehr geringen Jahresstrombedarf von unter 2000 kWh und einer großen PV-Anlage von mehr als 8 kWp arbeiten DC-gekoppelte Systeme oft ineffizient.
Alternativ zur AC- und DC-Kopplung lässt sich der Batteriespeicher auch auf der Eingangsseite des PV-Wechselrichters einbinden. Der Speicher ist somit direkt über einen bidirektionalen Laderegler an den PV-Generator angeschlossen, wodurch im Ladebetrieb weniger Umwandlungsverluste anfallen. Des Weiteren lassen sich mit diesem Konzept sowohl der Solar- als auch der Batteriestrom über den PV-Wechselrichter AC-seitig abgeben. Wie bei DC-gekoppelten Systemen kommen die Ladeeffizienzvorteile der PV-Generatorkopplung nur zum Tragen, wenn die Wechselrichter auch bei Schwachlast mit hohem Wirkungsgrad arbeiten. Welches das individuell optimale Systemkonzept ist, lässt sich nicht pauschal beantworten, sondern nur unter Berücksichtigung der Gegebenheiten vor Ort.
Große Speicherkisten
Beim Speicherkauf sollte man sich die Angaben der Hersteller zur Speicherkapazität näher anschauen. Entscheidend ist die Nettokapazität (nutzbare Kapazität), die oft unter der Bruttokapazität liegt. Für Einfamilienhäuser reichen Solarbatterien mit nutzbaren Speicherkapazitäten bis 10 kWh meist aus. Im Vergleich dazu speichert beispielsweise die Batterie im neuen Nissan Leaf 30 kWh, beim Tesla Model S sind es bis zu 100 kWh.
(Bild: Sonnen)
Manche Solarbatterien sind flach gebaut und lassen sich an eine stabile Wand hängen, andere haben die Abmessungen kleiner Kühlschränke. Bei 4 kWh muss man mit einem Gewicht von 50 bis 100 Kilogramm rechnen. Anders als Bleiakkus müssen moderne Lithiumbatterien nicht in speziell belüfteten Räumen stehen, empfehlenswert ist ein frostfreier und nicht zu warmer Keller- oder Nebenraum. Manche Solarbatterien haben Lüfter, bei anderen stecken welche in der Wandlerelektronik.
Installation und Anschluss einer Solarbatterie muss ein Fachmann erledigen. Dank ausgefeilter Überwachungselektronik gelten Solarbatterien als sicher. Man sollte aber die Bedingungen der Brand- und Gebäudeversicherungen genau klären. Einige Hersteller bewerben Zusatzfunktionen wie eine Notstromfunktion: Der Akku kann einen Ausfall des Stromnetzes überbrücken. Je nach Ladezustand der Solarbatterie und der aktuell abgeforderten Leistung ist die Überbrückungszeit aber kurz. Systeme mit sogenannter Inselnetzfähigkeit können in der Zeit aber auch mit Strom von der Solaranlage nachgeladen werden.
| Hersteller von PV-Batteriesystemen (Auswahl) | ||
| AC-Kopplung | DC-Kopplung | PV-Generatorkopplung |
| IBC Solar | E3ZDC | Solarwatt |
| SMA Solar (auch DC) | Fronius | |
| Sonnen | Kostal Solar | |
| Varta | LG Electronics | |
| SolarEdge | ||
Prinzipiell lässt sich auch ein Elektroauto aus der Solarbatterie laden, doch wie schon erwähnt, fassen die Akkus vieler E-Autos viel mehr Energie, als eine typische Solarbatterie liefern kann. Außerdem ist die Maximalleistung der AC-Wandler der Solarbatterie begrenzt, beispielsweise auf 2 bis 10 kW – zu wenig für eine Schnelllade-Wallbox.
Der Aufwand an Ressourcen und Energie zur Herstellung, zum Transport und zur Entsorgung einer Solarbatterie belastet die Umwelt. Durch die Verbesserung der Nutzung von Sonnenenergie wird die Umwelt aber wieder entlastet. Moderne Lithium-Solarbatterien können daher ihren Herstellungsaufwand schon nach rund einem Jahr Nutzung wieder einspielen. Recycling kann das noch optimieren, etwa die Weiternutzung älterer Akkus aus Elektroautos in Großspeicheranwendungen.
Kosten sparen, Umwelt schonen
Solarstromspeicher können mehr, als nur den Kühlschrank oder die Waschmaschine versorgen. In Kombination mit einer Wärmepumpe und einem Elektrofahrzeug lässt sich durch das PV-Batteriesystem auch die eigene Wärmeversorgung und Mobilität klimaneutraler gestalten. Mit der Investition in diese Technologien kann man also auch einen persönlichen Beitrag zum Klimaschutz leisten.
(ciw)