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Der Vorteil eines Stromspeichers für die Photovoltaik-Anlage

[fa icon="calendar"] 16.05.17 16:04 / von maxx-solar Team

maxx-solar Team

So profitieren Unternehmen von selbst erzeugtem Solarstrom 

Zu den großen Herausforderungen jeder Photovoltaik-Anlage gehört die effektive Speicherung der elektrischen Energie, die gerade nicht benötigt wird. Hierfür gibt es unterschiedliche Ansätze, derzeit ist die Verwendung von Stromspeichern in Form von Akkumulatoren die am weitesten verbreitete praktische Methode. Welche Technik dahinter steckt, beschreibt diese Beitrag. 

Stromspeicher Photovoltaik Anlage

Das Licht der Sonne in elektrische Energie umzuwandeln, ist umweltfreundlich und kostengünstig. Die dafür verwendete Photovoltaik-Technologie gilt als fortschrittlich und ist für nahezu jeden Hausbesitzer eine lohnenswerte Möglichkeit, um sich von den kontinuierlich steigenden Strompreisen der kommerziellen Energielieferanten unabhängig zu machen.

Wer clever ist, nutzt zudem staatliche Förderungen, um den Anschaffungspreis zu minimieren und durch Einspeisung überschüssig produzierter Elektroenergie ins öffentliche Stromnetz zusätzlich Geld zu erwirtschaften. Dann obwohl die finanzielle Rückvergütung in den letzten Jahren immer weniger geworden ist, lohnt sich das.

Allerdings gilt für jede Photovoltaik-Anlage: Kein Licht, kein Strom. Dieses Dilemma lässt sich jedoch umgehen, wenn sich überschüssig produzierte Elektroenergie der Photovoltaik-Anlage im hauseigenen Elektrosystem speichern lässt. Die Lösung dafür sind moderne Stromspeichersysteme, die allgemein auch als Solarbatterie bezeichnet werden. Sie speichern Elektroenergie und stellen sie auch dann zur Verfügung, wenn die Photovoltaik-Anlage kein Sonnenlicht bekommt. Aber wie funktioniert das in der Praxis?

Aufladen, entladen
Ein Stromspeicher ist nichts anderes als ein Akkumulator – kurz Akku genannt. Vereinfacht lässt sich das Prinzip mit der Autobatterie oder der Batterie eines Mobiltelefons vergleichen. Um hier unabhängig von der Steckdose zu werden, wird Elektroenergie in einem speziell dafür geeigneten Akku gespeichert. Ein Akku muss also erst aufgeladen werden, damit man die dann Energie wieder entnehmen kann.

Das Auf- und Entladen basiert auf elektrochemischen Prozessen und lässt sich mehr oder weniger oft wiederholen. Beim Aufladen wird also elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und beim Entladen wird dann die chemische Energie wieder in elektrische Energie umgewandelt. Grundsätzlich unterliegen alle Akkus einem Alterungsprozess und haben eine zeitlich begrenzte Lebensdauer.

In der Praxis kommen viele verschieden Materialien zum Einsatz, die einen elektrochemischen Prozess ermöglichen. Sie sind zumeist in der Bezeichnung der Akkus wiederzufinden. Bei Akkus für Photovoltaik-Anlagen haben sich vor allem zwei Typen durchgesetzt:

  • Bleiakkumulatoren (typisch sind Bleielektroden und das Elektrolyt auf Basis von Schwefelsäure)
  • Lithium-Ionen-Akkumulatoren (Li-Io-Akku) als Oberbegriff für verschiedene Akkutypen auf Lithium-Basis


Im Vergleich zur Batterie eines mit Benzin- oder Dieselmotor ausgestatteten Fahrzeugs oder dem Akku eines Mobiltelefons hat der Stromspeicher – der Akku – einer Photovoltaik-Anlage in erster Linie eine wesentlich höhere Speicherkapazität. Auch die Bauweise, die Form und die Handhabung unterscheiden sich.

Speichertypen für Solaranlagen
Blei-Akkus gelten als robuste, zuverlässige Stromspeicher. Preislich sind sie relativ günstig und ihre Lebensdauer beträgt mehrere Jahre. Aufgrund des verwendeten Materials haben sie jedoch ein relativ hohes Gewicht und weisen zugleich eine nur geringe Energiedichte auf. Die Energiedichte bezeichnet das Verhältnis zwischen maximal speicherbarer Energie pro Masse (spezifische Energie) oder pro Volumen. Dabei gilt: je höher die Energiedichte, desto mehr Energie lässt sich speichern.

Lithium-Ionen-Akkus haben eine wesentlich höhere Energiedichte bei gleichzeitig hoher Lebensdauer von mehr als 10 Jahren. Sie besitzen keinen Memory-Effekt, der die Kapazität negativ beeinflusst. Allerdings benötigen Li-Io-Akkus besondere Schutzvorkehrungen, um die Ladespannung und die Eigenerwärmung zu überwachen. Auch eine zu tiefe Entladung schadet dem Akku und muss daher durch geeignete Schutzmaßnahmen verhindert werden.

Insgesamt überwiegen jedoch die Vorteile von Li-Io-Akkus, weshalb diese Akku-Variante bei den Solarbatterien die höchste Verbreitung hat.

So passt der Stromspeicher zur Photovoltaik-Anlage
Jeder Akku besteht aus mindestens einer Akku-Zelle mit einer vom Typ und vom verwendeten Material abhängigen, definierten elektrischen Spannung und Energiedichte. Typische Zellspannungen für Li-Io-Akkus liegen je nach Material zwischen 3,3 Volt und 3,8 Volt Gleichspannung. Das passt auf den ersten Blick überhaupt nicht zur üblichen Netzspannung im Haushalt. Denn diese beträgt 230 Volt Wechselspannung. Wie lässt sich dann aber ein solcher Akku in die Photovoltaik-Anlage integrieren und als Energiespeicher nutzen? Die Lösung ist recht einfach und lässt sich grob in zwei Schritten erledigen.

1. Schritt
Im ersten Schritt werden mehrere Akkuzellen hintereinander in Reihe geschaltet. Dabei addieren sich die einzelnen Zellspannungen. Wenn eine Zelle 3,7 Volt hat, haben zwei 3,7V + 3,7V = 7,4 Volt. Noch eine Zelle mehr ergeben dann 11,1 Volt usw. Das Ziel ist ein Zellenblock mit 350 bis 400 Volt.

Dieser Block hat jetzt zwar genügend Spannung, aber als einzelner Block entspricht die Leistungsdichte nur der einer einzelnen Zelle. Um die Leistungsdichte zu erhöhen, sind nun entsprechend viele Blöcke parallel zu schalten. Damit addiert sich wie gewollt die Leistungsdichte, die Blockspannung bleibt aber unverändert.

Letztendlich entsteht damit ein Akkublock oder eine Sonnenbatterie, die Anbieter in unterschiedlichen Leistungsgrößen und Preisen anbieten. Ein Beispiel ist die Powerwall 2 des Herstellers Tesla. Diese gibt der Hersteller mit einer elektrischen Leistung von 13,5 kWh und einer Gleichspannung von 350 bis 400 Volt an. Es lassen sich sogar mehrere dieser Solarbatterien parallel zusammenschalten, wodurch sich die Leistung erhöhen lässt. Das lässt sich in der Praxis aber nicht bis ins Unendliche treiben. Vielmehr setzen hier die verbauten Komponenten der gesamten Photovoltaik-Anlage Grenzen.

2. Schritt
So richtig passt die im Schritt 1 beschriebene Solarbatterie aber noch nicht zu einer Energieversorgung im Haushalt. Der Grund: Die Solarbatterie lässt sich nur mit Gleichstrom laden und gibt auch nur Gleichstrom ab. Die übliche Netzspannung für Haushalte beträgt aber 230 Volt Wechselspannung mit einer Frequenz von 50 Hertz. Das passt zunächst überhaupt nicht zusammen.

Die Lösung ist ein Wechselrichter. Das ist eine elektronische Baugruppe, die Gleichspannung in normgerechte Wechselspannung von 230 Volt und 50 Hertz umwandelt. Dabei funktionieren moderne Wechselrichter in beide Richtungen. Das bedeutet, dass sie auch Wechselspannung in Gleichspannung umwandeln. Zugleich haben sie einen hohen Wirkungsgrad, sodass Verluste nur gering sind. Moderne Sonnenbatterien haben einen Wechselrichter bereits integriert, etwa die oben genannte Powerwall 2. Je nach Konzeption der Photovoltaikanlage kommen mehrere Wechselrichter zum Einsatz. So müssen zum Beispiel auch alle Parameter bei der Einspeisung ins öffentliche Energienetz exakt eingehalten und überwacht werden.

Fazit
Die Installation einer Photovoltaik-Anlage ist eine nachhaltige Investition, die bei Ausschöpfung aller Möglichkeiten eine gute Rendite erwirtschaftet. Zwar lässt sie sich auch ohne einen Stromspeicher betreiben, aber warum Energie verschenken? Stattdessen ist es günstiger, nicht selbst verbrauchte Energie für den Eigenbedarf zu speichern.

Denn tagsüber wird meist nur wenig Strom benötigt. Aber gerade dann produziert die Photovoltaik-Anlage den meisten Strom. Abends kehrt sich dieses Verhältnis um. Die Solaranlage produziert nur wenig oder gar keinen Strom mehr, aber der Strombedarf ist jetzt relativ hoch. Der Einsatz effektiver Stromspeicher gleicht dieses Verhältnis aus.

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Wenn Sie Speicherlösungen richtig planen bzw. nachrüsten möchten, stehen Ihnen die maxx-solar Experten geren zur Verfügung.

maxximal sonnige Grüße 

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Dieter Ortmann
Geschäftsführer

maxx-solar & energie GmbH & Co. KG
Eisenacher Landstraße 26
99880 Waltershausen

Telefon: 0 36 22 / 40 103-210
Telefax: 0 36 22 / 40 103-222

Topics: Selbstversorgung, Verbrauch, Batteriespeicher

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