Speichersysteme für Photovoltaikanlagen: Technik, Autarkie und Wirtschaftlichkeit

20. August 2014 | Simon Trockel

Batteriespeichersysteme für Photovoltaikanlagen

Batteriespeichersysteme für Photovoltaikanlagen

Die gesetzlich geregelte Einspeisevergütung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) für Strom aus Photovoltaikanlagen wurde in den letzten Jahren mehrfach reduziert und so an die technischen Entwicklungen und sinkenden Stromgestehungskosten angepasst. Die wirtschaftliche Realisierbarkeit solcher Anlagen hängt daher, zumindest für Privathaushalte, immer weniger von der garantierten Vergütung ab. Vielmehr steht zunehmend ein möglichst hoher Eigenverbrauchsanteil des Solarstroms im Vordergrund. In diesem Zusammenhang werden Speicherkonzepte immer interessanter. Dieser Artikel beleuchtet daher die Möglichkeiten und Grenzen von Speichertechnologien für den privaten Solaranlagenbetreiber.

Fachbeitrag
Von Simon Trockel, EnergieAgentur.NRW

In Nordrhein-Westfalen können Solaranlagenbetreiber bei optimaler Süd-Ausrichtung in einem durchschnittlichen Jahr mit einem Stromertrag von rund 860 bis 920 Kilowattstunden (kWh) pro Jahr je Kilowattpeak (kWp) installierter Leistung rechnen. Ein Durchschnittshaushalt mit einem jährlichen Strombedarf von 4.000 kWh könnte entsprechend rein rechnerisch bereits mit einer Anlagengröße von 4,5 kWp bedarfsdeckend durch die Photovoltaik versorgt werden. Der tatsächliche Autarkiegrad, also der Anteil des gesamten Strombedarfs eines Haushalts, der durch die Anlage gedeckt wird, liegt je nach Nutzerverhalten allerdings bei maximal 30 Prozent, da Stromerzeugung und -verbrauch nicht deckungsgleich sind.

Von dem Autarkiegrad ist der sogenannte Eigenverbrauchsanteil zu unterscheiden. Dieser Wert gibt den Anteil des erzeugten Solarstroms an, der vor Ort tatsächlich selbst verbraucht wird. Er liegt bei der beschriebenen Anlagenkonfiguration ebenfalls bei etwa 30 Prozent. Der Eigenverbrauchsanteil ist eine zunehmend wichtige Größe bei der Planung von Photovoltaikanlagen. Er ist für den Betreiber kleiner Dachanlagen insofern interessant, als die garantierte Einspeisevergütung des EEG für neu errichtete Anlagen mit 12,69 Cent/kWh (September 2014) mittlerweile deutlich unter dem durchschnittlichen Strombezugspreis von derzeit etwa 28 Cent/kWh liegt. Somit lohnt sich grundsätzlich ein möglichst hoher Eigenverbrauchsanteil, um Strombezugskosten einzusparen.

Warum sind Batteriespeicher interessant?
Mit einem Batteriespeichersystem für Photovoltaikanlagen lassen sich sowohl der Autarkiegrad als auch der Eigenverbrauchsanteil eines Haushalts grundsätzlich steigern, indem insbesondere morgens und abends auf den gespeicherten Solarstrom zurückgegriffen wird. Daher ist für manche Betreiber die Investition in einen Speicher bereits heute interessant, um sich unabhängiger von zusätzlichen Strombezügen und damit von tendenziell steigenden Strompreisen zu machen. Der Einsatz von dezentralen Speichern ist daneben auch aus Sicht des Gesamtsystems von zunehmender Bedeutung, da er zu einer Entlastung der örtlichen Stromverteilnetze führt, indem insbesondere die häufigen Einspeisespitzen am Mittag abgefedert werden.

Wie sollte ein Batteriespeicher dimensioniert sein?
Die Frage nach der optimalen Dimensionierung eines Speichers ist zunächst mal eine energetische. Experten der HTW in Berlin geben in einer wissenschaftlichen Untersuchung darüber Aufschluss. Betrachtet wird ein Haushalt mit einem Jahresstrombedarf von 4000 kWh (4 MWh) und einer PV-Anlage mit einer Leistung von 4 kWp, also einer spezifischen PV-Leistung von 1 kWp/MWh. Der Eigenverbrauchsanteil sowie der Autarkiegrad betragen bei dieser Konstellation wie bereits erwähnt im Jahresmittel jeweils etwa 30 Prozent. (Hinweis: Diesen Berechnungen liegt ein Standardlastprofil zu Grunde. Haushalte mit einem überdurchschnittlich hohen Stromverbrauch im Sommer oder geringerem nächtlichen Verbrauch können entsprechend höhere Eigenverbrauchsanteile und Autarkiegrade aufweisen.)

Würde bei dieser Anlagenkonstellation ein Batteriespeicher mit einer nutzbaren Speicherkapazität von 4 kWh installiert, ließen sich der Eigenverbrauchsanteil auf 60 Prozent und der Autarkiegrad auf 55 Prozent steigern. Eine weitere Vergrößerung des Speichers würde beide Werte nur noch wenig und mit überproportional großem Aufwand steigern, da die Stromgrundlast insbesondere nachts nicht ausreicht, um die Batterie vollständig zu entladen. Die Installation einer nutzbaren Speicherkapazität von 1 kWh je 1 kWp PV-Leistung stellt insofern energetisch eine optimale Dimensionierung des Batteriespeichersystems dar.

Lohnt sich ein Batteriespeicher finanziell?
Die richtige Auslegung der gesamten Anlage spielt aber auch ökonomisch eine entscheidende Rolle. Ob sich die Investition in einen Speicher für den Betreiber am Ende auch finanziell auszahlt, hängt daneben von vielen weiteren Faktoren wie der Entwicklung der Förderung, der Einspeisevergütung, der Strompreise und insbesondere der Kosten für die Batteriesysteme ab.

Grundsätzlich gilt: Liegen die über den gesamten Nutzungszeitraum gemittelten Stromproduktionskosten einer PV-Anlage inklusive Speichersystem unter den mittleren Netzstrombezugskosten, ist ein wirtschaftlicher Betrieb der Anlage möglich.

Seit dem 1. Mai 2013 fördert die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) die Zusatzinvestition in einen Batteriespeicher bei neu installierten Photovoltaikanlagen bis 30 kWp oder als Nachrüstung auch bei solchen Anlagen, die nach dem 1. Januar 2013 in Betrieb gegangen sind. Über das Programm „Erneuerbare Energien – Speicher“ (275) wird ein zinsgünstiger Kredit mit Tilgungszuschuss (30 Prozent der förderfähigen Kosten bis maximal 600 Euro/kWp) gewährt. Bedingung ist jedoch die Abregelung der Einspeiseleistung der PV-Anlage auf 60 Prozent ihrer Nennleistung, um die Leistungsspitzen in den Mittagsstunden zu minimieren. Trotz dieser Förderung ist die Wirtschaftlichkeit von Batteriespeichern derzeit noch fraglich. Grundsätzlich gilt: Liegen die über den gesamten Nutzungszeitraum gemittelten Stromproduktionskosten einer PV-Anlage inklusive Speichersystem unter den mittleren Netzstrombezugskosten, ist ein wirtschaftlicher Betrieb der Anlage möglich.

Bei ihrer Betrachtung haben die Experten der HTW Berlin auch untersucht, welche Auswirkungen durch die Veränderung der finanziellen Rahmenbedingungen zu erwarten sind. Dabei gehen sie von jährlich 2 Prozent steigenden Strombezugskosten und weiter sinkenden Einspeisevergütungen aus, die den ebenfalls sinkenden Kosten sowohl für die PV-Module als auch die Speicher entgegenstehen. Aufgrund der derzeit noch sehr hohen Kosten für Batteriespeichersysteme steigen die mittleren Stromkosten bei der Installation eines Speichers momentan noch stark an. Bereits kurzfristig ist allerdings aufgrund der anlaufenden industriellen Massenfertigung und der steigenden Zahl von Marktteilnehmern mit stärkeren Preissenkungen bei Batteriespeichern zu rechnen. Dadurch wird der wirtschaftliche Betrieb von PV-Anlagen mit relativ kleinen Speichersystemen in kurzer Zeit realistisch. Für den beschriebenen Durchschnittshaushalt mit einem Jahresstrombedarf von 4 MWh und einem 4 kWp PV-System könnte sich demnach kurzfristig ein Batteriespeicher mit einer nutzbaren Kapazität von 2 kWh (0,5 kWh/kWp) finanziell lohnen.

Mittelfristig lassen sich aufgrund weiter sinkender Investitionskosten der Autarkiegrad sowie der Eigenverbrauchsanteil mit immer geringeren Mehrkosten weiter steigern und PV-Systeme mit größeren Batteriespeichern (nutzbare Kapazität 0,75 kWh/kWp) wirtschaftlich darstellen. Langfristig ist mit einer kostenoptimalen Auslegung der Anlage bei einer spezifischen PV-Leistung von 0,8 kWp/MWh und einer Speicherkapazität von 1,1 kWh/kWp zu rechnen. Für eine solche Anlagenkonfiguration läge der Eigenverbrauchsanteil bei 70 Prozent und der Autarkiegrad bei 54 Prozent. Eine erste Einschätzung der Wirtschaftlichkeit von PV-Speichersystemen in Abhängigkeit vom gewünschten Autarkiegrad ermöglicht ein Speicherrechner, beispielsweise des pv-magazines.

Wie ändert sich die Wirtschaftlichkeit von Batteriespeichern durch die EEG-Änderungen?
Die aktuelle Weiterentwicklung des EEG (2014) wirkt der skizzierten ökonomischen Dynamik zur Verbreitung von Speichersystemen für Photovoltaikanlagen entgegen. Der Gesetzgeber hat entschieden, künftig auch den Eigenverbrauch von Photovoltaikstrom mit 40 Prozent der EEG-Umlage zu belasten. Diese zusätzlichen Kosten senken insgesamt die Renditeerwartungen für die Anlagenbetreiber und damit generell auch die Investitionsbereitschaft in Batteriespeichersysteme. Die Förderpolitik des Bundes wird durch diese gesetzlichen Änderungen also ein Stück weit konterkariert.

Allerdings sieht das Gesetz eine Bagatellgrenze für Anlagen bis zehn Kilowatt und für höchstens zehn Megawattstunden selbst verbrauchten Strom pro Jahr vor, sodass zumindest kleinere Dachanlagen von der Neuregelung nicht betroffen sein werden.

Welche Speichertechnologie ist empfehlenswert?
Die Technologien für Batteriespeicher haben sich in den letzten Jahren stark weiter entwickelt. Am Markt erhältlich sind derzeit Bleibatterien (Blei-Säure- oder Blei-Gel-Batterien) und Lithium-Ionen-Batterien (insb. Lithium-Eisen-Nanophosphat). Diese beiden grundlegenden Batterietypen unterscheiden sich in wesentlichen Parametern, die es bei der Konzeptionierung des Speichersystems zu berücksichtigen gilt.

Die nutzbare Batteriekapazität gibt an, welche Kapazität über die maximale Lebensdauer der Batterie zur Verfügung steht. Für die Betrachtung der Lebensdauer wiederum ist zunächst die Zyklenzahl, also die Anzahl der möglichen Be- und Entladungen der Batterien, von Bedeutung. Lithium-Ionen-Batterien schaffen zwischen 4000 und 15000, Bleibatterien zwischen 1500 und 3000 Vollzyklen. Ein Durchschnittshaushalt benötigt etwa 250 Zyklen pro Jahr. Allein aus der Zyklenzahl ergäbe sich für Bleibatterien entsprechend eine Lebensdauer zwischen 6 und 12 Jahren und für Lithium-Ionen-Batterien zwischen 16 und 25 Jahren. Allerdings ist neben der Zyklenalterung auch die kalendarische Alterung der Speicher von Bedeutung. Diese beschreibt die Alterung durch chemische Zerfallsprozesse, die auch auftreten, wenn das Batteriesystem gar nicht belastet wird. Je nach Anwendungsprofil ist der eine oder der andere Parameter für die Lebensdauer bestimmender.

Um die Kapazität eines Speichers über einen möglichst langen Zeitraum aufrecht erhalten zu können, sollten außerdem bei beiden Technologien die jeweils vom Hersteller empfohlenen maximalen Entladetiefen nicht unterschritten werden, da sich dadurch sowohl die zyklische als auch die kalendarische Lebensdauer verringern würde. Bei Lithium-Ionen-Batterien ist grundsätzlich eine größere Entladetiefe (etwa 80 Prozent) möglich als bei Bleibatterien (etwa 60 Prozent).

Bleibatterien sind technisch deutlich bewährter als Lithium-Ionen-Batterien und entsprechend deutlich günstiger. Entscheidender als der Anschaffungspreis ist aber letztlich der Preis für eine gespeicherte Kilowattstunde. Dieser setzt den Gerätepreis mit der speicherbaren Energiemenge in Verbindung. Berücksichtigt werden sollte auch, dass Bleibatterien grundsätzlich wartungsintensiver als Lithium-Ionen-Batterien sind. Aufgrund der geringeren Energiedichte benötigen sie außerdem entsprechend mehr Platz im Haushalt.

Der Bundesverband Solarwirtschaft (BSW) und der Zentralverband der Deutschen Elektro- und Informationstechnischen Handwerke (ZVEH) haben mittlerweile ein Qualitätssiegel für Solarstromspeicher („Photovoltaik-Speicherpass“) entwickelt. Analog zum bereits länger vorliegenden Photovoltaikanlagenpass sollen Fachbetriebe damit eine Hilfestellung erhalten, welche einschlägigen Normen und Standards bei der Installation von Solarspeichern zu beachten sind. Den Kunden soll bei der Übergabe des Speichersystems ein Pass ausgehändigt werden, der die Qualität der Komponenten sowie die fachgerechte Installation dokumentiert.

Wie sehen die künftigen Entwicklungen aus?
Technisch wird in den nächsten Jahren insbesondere die Lithium-Ionen-Technologie weiterentwickelt werden. Geforscht wird derzeit außerdem an Lithium-Luft- oder Zink-Luft-Batterien, die eine höhere Energiedichte bei geringeren Materialkosten und längerer Lebensdauer aufweisen sollen. Daneben gibt es bereits erste Versuche, mit Hilfe von Batteriespeichern neue Geschäftsmodelle für Photovoltaikanlagen zu erproben. Sind diese PV-Speichersysteme fernsteuerbar zu be- oder entladen, könnten sie sich beispielswiese zukünftig vermehrt in sogenannte virtuelle Kraftwerke integrieren lassen. Im Verbund mit Biomasseanlagen oder Windrädern könnten die dezentralen Speicher dann dazu beitragen, dass diese „Kraftwerke“ am Regelenergiemarkt teilnehmen. Durch solche Modelle ließe sich die Netzstabilität weiter erhöhen und es würden gleichzeitig neue Finanzierungsmöglichkeiten für die Photovoltaik erschlossen.

Auch Kombinationen von Photovoltaikanlagen, Batteriespeichern und Mikro-Blockheizkraftwerken, die nahezu ganzjährig eine autarke Selbstversorgung mit Strom und Wärme gewährleisten, werden am Markt bereits angeboten und könnten in Zukunft an Bedeutung gewinnen.

Fazit
Trotz einer finanziellen Förderung ist die Investition in einen PV-Speicher momentan wirtschaftlich noch eher selten interessant, da die Anschaffungskosten nach wie vor sehr hoch sind. Steht für den Anlagenbetreiber eine möglichst autarke Stromversorgung – z.B. als Versicherung gegen stark steigende Strompreise – im Vordergrund, ist die Speicherlösung natürlich bereits jetzt erstrebenswert. Mittel- und insbesondere langfristig führt aufgrund stark sinkender Investitionskosten allerdings auch ökonomisch kein Weg an einer Speicherung des solar erzeugten Stroms vorbei. Dann wird im Gegenteil der Betrieb von größeren PV-Systemen ohne Speichersystem und mit entsprechend geringem Eigenverbrauchsanteil wirtschaftlich wohl nicht mehr darstellbar sein, insbesondere wenn in einigen Jahren mit Erreichen des gesetzlich festgeschriebenen Ausbaudeckels von insgesamt 52 GW installierter PV-Leistung in Deutschland die Vergütung von solar erzeugtem Strom komplett entfällt. Die Stromspeicherkapazität der Batterie sollte dabei unbedingt auf die Leistung der PV-Anlage sowie den Haushaltsstrombedarf (Stromlastprofil) abgestimmt sein. Die Entscheidung für einen PV-Speicher setzt daher in jedem Fall eine sorgfältige Planung und individuelle Vor-Ort-Beratung durch einen erfahrenen Fachmann voraus.

 

Quellen:

Angela Kanders (2014): Solarstromspeicher machen die Photovoltaik erwachsen. Kriterien zur Bewertung von Leistung und Qualität im Überblick. In: IKZ-Energy 6/7/2014. Arnsberg.

Johannes Weniger, Volker Quaschning, Tjarko Tjaden (2013): Individuelle Autarkie. In: pv magazine, Juni 2013.

Johannes Weniger, Volker Quaschning, Tjarko Tjaden (2013): Optimale Dimensionierung von PV-Speichersystemen. Auf: http://www.pv-magazine.de/archiv/artikel/beitrag/optimale-dimensionierung-von-pv-speichersystemen_100011362/86/?tx_ttnews[backCat]=291&cHash=99f33b1d4f52154495488c0e2bfd732d [Stand 23.06.2014]

Verbraucherzentrale Nordrhein-Westfalen (2012): Photovoltaik für Privathaushalte. Planung und Kauf einer Solarstromanlage. Düsseldorf.

Ein Gedanke zu „Speichersysteme für Photovoltaikanlagen: Technik, Autarkie und Wirtschaftlichkeit

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