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Sonne auf Vorrat: Batteriespeicher für die Photovoltaik

Immer mehr Solarstromanlagen erhalten bei der Installation gleich auch einen Batteriespeicher. Denn wer speichert, hat mehr vom eigenen Solarstrom. Wie ein Batteriespeicher für die Photovoltaik (PV) funktioniert, aus welchen Modellen Sie für Ihre Anlage wählen können und was es sonst noch zu beachten gibt, fassen wir im Folgenden für Sie zusammen.

Inhaltsverzeichnis

  1. Was ist ein PV-Batteriespeicher?
  2. Die Funktionsweise einer Batterie
  3. Diese Typen von Batteriespeichern gibt es für die Photovoltaik
  4. Die Komponenten eines Batteriespeichers
  5. Worauf sollten Sie beim Kauf eines Photovoltaik-Batteriespeichers achten?
  6. Kosten von Batteriespeichern
  7. Der Fachbetrieb berät bei Photovoltaik-Batteriespeichern
Batteriespeicher Photovoltaik: Ansicht von drei Speichern

Was ist ein PV-Batteriespeicher?

Was verstehen Experten unter einem Batteriespeicher? Ein Gerät, das elektrischen Strom aufnehmen und bei Bedarf wieder freisetzen kann. Im Prinzip ist ein Batteriespeicher für eine Photovoltaikanlage nichts anderes als der Akku in einem Smartphone oder einem Laptop. Der einzige Unterschied: Der Batteriespeicher der Photovoltaikanlage kann deutlich mehr Strom vorhalten kann als ein einfacher Akku.

Ziel des Batteriespeichers bei der Photovoltaik: Eigenverbrauch steigern

  • Wenn die Sonne stark scheint und die Solaranlage mehr Strom produziert, als der Haushalt benötigt, speichert der Batteriespeicher den überschüssigen Strom.

  • Wenn die Stromproduktion der Anlage in den Abendstunden endet, kann der Haushalt auf den Strom aus dem Speicher zugreifen.

  • Es geht also darum, durch den Einsatz des Batteriespeichers mehr vom selbst erzeugten Photovoltaikstrom zu nutzen.

Auch ohne Batteriespeicher funktioniert eine Photovoltaikanlage ohne Probleme. Der überschüssige Strom fließt dann in das Stromnetz hinein. Die Vergütung für eingespeisten Photovoltaikstrom wird aber immer geringer. Deshalb geht der Trend dahin, den Eigenverbrauch mithilfe eines Stromspeichers zu steigern.

Die Funktionsweise einer Batterie

Elektrischer Strom ist nichts anderes als die Bewegung von Elektronen. Das sind die negativ geladenen Bestandteile eines Atoms. Ein Batteriespeicher muss also Atome enthalten, die Elektronen binden und bei Bedarf wieder abgeben können. In den meisten Batteriespeichern, die heute auf dem Markt sind, übernehmen Lithiumatome diese Funktion. Lithium ist ein Leichtmetall, das eines seiner Elektronen besonders gern abgibt. Darum sind in der Natur nur positiv geladene Lithiumionen (Li+) in Form von Salzen zu finden.

Der Aufbau einer Lithium-Ionen-Batteriezelle Grafik
Viele Batteriezellen zusammengeschaltet ergeben einen Batteriespeicher, welcher bei der Photovoltaik zum Einsatz kommt.

Die kleinste Einheit eines Batteriespeichers nennen Experten Batteriezelle. Ein Speicher entsteht durch das Verschalten vieler einzelner Batteriezellen. In einer Batteriezelle gibt es für den Plus- und den Minuspol zwei durch einen Separator getrennte Kammern. So kann es nicht zu einem Kurzschluss kommen.

Der Separator ist jedoch für die Lithiumionen durchlässig. Die Kammern sind mit einer Flüssigkeit gefüllt: Dem sogenannten Elektrolyten. Wenn man die Batterie lädt, wandern die Lithiumionen im Elektrolyten vom Pluspol (auch Kathode genannt) durch den Separator zum Minuspol (auch Anode genannt). Sie lagern sich dort an.

Die Anode besteht aus Grafit. Sie ist gemeinsam mit dem Lithium nun in der Lage, je Lithiumatom ein Elektron aufzunehmen. Beim Entladen gibt die Lithium-Grafit-Struktur die Elektronen wieder frei. Elektrischer Strom kann fließen und die Geräte im Haushalt versorgen. Die Lithiumionen werden frei und wandern zurück zur Kathode.

Batterie oder Akku?

  • Man unterscheidet bei elektrochemischen Speichersystemen zwischen Primär- und Sekundärbatterien.

  • Eine Primärbatterie lässt sich nicht mehr aufladen.

  • Bei einer Sekundärbatterie ist das erneute Aufladen möglich. Sie ist auch als Akkumulator (Akku) bekannt.

  • Folglich fallen Akkus ebenfalls unter die Bezeichnung „Batterie“.1

Diese Typen von Batteriespeichern gibt es für die Photovoltaik

Damit das Stromspeichern reibungslos funktioniert, müssen die Kathoden einer Lithiumbatterie aus komplizierten Materialkombinationen bestehen. Am häufigsten setzen die Hersteller in Batteriespeichern für Photovoltaik auf ein Mischoxid aus Lithium, Nickel, Mangan und Kobalt (kurz Li-NMC) oder auf Lithium-Eisenphosphat (kurz Li-FePO4). Aber auch andere Metalle statt Lithium können als Speichermedium dienen.

1. Li-NMC

Batteriespeicher aus Li-NMC weisen eine sehr hohe Energiedichte auf. Das heißt, die Geräte sind bei gleicher Speicherkapazität für den Strom leichter und kleiner als andere Batterietypen. Deshalb ist Li-NMC in den meisten Elektroautos und Pedelecs zu finden.

Nachteilig bei Li-NMC ist, dass es zu einem sogenannten thermischen Durchgehen kommen kann: Ist der Separator nicht einwandfrei gefertigt und kommt es daher zu kleinen Kurzschlüssen? Dann heizt sich die Batterie stark auf und entzündet sich.

2. Li-FePO4

Batteriespeicher aus Lithium-Eisenphosphat sind im Vergleich zu Li-NMC-Batterien etwas schwerer und größer. Das ist bei stationären Anwendungen – wie bei Photovoltaik – aber nicht sehr relevant. Lithium-Eisenphosphat kann nicht „thermisch durchgehen“.

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3. Bleiakku

Anstelle von Lithium kann auch das Schwermetall Blei Elektronen aufnehmen und bei Bedarf wieder freisetzen. Noch vor wenigen Jahren galten Bleiakkus bei Photovoltaik-Batteriespeichern als gute Alternative zu Lithiumbatterien.

Der Grund: Bleiakkus kommen in Autos als Starterbatterien zum Einsatz. Dort gelten sie als zuverlässig und lange erprobt. Institutionen wie Krankenhäuser, die bei einem Ausfall des Stromnetzes auf eine unterbrechungsfreie Stromversorgung angewiesen sind, setzen bis heute auf Bleiakkus.

Im Vergleich zu Lithiumbatterien sind Bleiakkus aber deutlich schwerer und größer. Auch ihre Lebensdauer ist wesentlich kürzer als die der Lithiumbatterien. Außerdem kann der Ladeprozess das brennbare Gas Wasserstoff freisetzen. Bleiakkus müssen daher immer in gut gelüfteten Räumen stehen.

Der entscheidende Vorteil der Bleiakkus war lange der günstige Preis. Durch den starken Preisrückgang der Lithiumbatterien in den vergangenen Jahren ist dieser Vorteil aber dahin. Die Bleiakkus sind vom Markt der Batteriespeicher für Photovoltaik so gut wie verschwunden.

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4. Salzwasserbatterie

Statt Lithium verwendet die Salzwasserbatterie als Speichermedium Natrium. Natrium ist als Bestandteil von Kochsalz unbegrenzt verfügbar und ungiftig für Natur und Mensch. Ein weiterer Vorteil: Salzwasserbatterien können sich tiefentladen, ohne dass sie einen Schaden davontragen.

Bleiakkus und Lithiumbatterien sollten sich niemals ganz entladen. Bei Lithiumbatterien sollte der Akkustand zum Beispiel nur bis maximal 20% sinken. Ansonsten kann die Kapazität einbrechen. Schlimmstenfalls bilden sich Kurzschlüsse und damit entsteht die Gefahr des Abbrennens.

Nachteilig ist bei der Salzwasserbatterie die geringe Speicherdichte.

5. Redox-Flow-Batterie

Die Besonderheit der Redox-Flow-Batterie: Der Anoden- und Kathodenraum befinden sich in räumlich getrennten Behältern. Somit wird eine Selbstentladung vermieden. Lithiumionenakkus verlieren zum Beispiel monatlich 4% ihrer Kapazität, wenn sie niemand verwendet und sie unbenutzt lagern.2

Nachteilig ist die sehr geringe Speicherdichte von Redox-Flow-Batterien. Hinzu kommt der hohe Preis bei besonders kleinen Batterien von diesem Typ, wie sie eine häusliche Photovoltaikanlage braucht.

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Die Komponenten eines Batteriespeichers

Die Batterie selbst ist zwar ein wichtiger, aber lange nicht der einzige Bestandteil eines Batteriespeichers. Ebenso bedeutsam sind das Batteriemanagementsystem, der Batterie-Wechselrichter und das Energiemanagementsystem.

Batteriemanagementsystem

Unter einem Batteriemanagementsystem verstehen Experten eine integrierte Elektronik, die jederzeit jede einzelne Batteriezelle eines Speichers überwacht. Das System ist bei Lithiumbatterien unerlässlich.  Es sorgt nämlich dafür, dass in einem Speicher alle Zellen den gleichen Ladezustand haben.

Außerdem stellt es fest, wenn bei einzelnen Zellen eine Überschreitung der Maximalspannung oder Unterschreitung der Minimalspannung vorliegt. Das Batteriemanagementsystem kann somit noch rechtzeitig den Speicher abschalten. So vermeidet es gefährliche Zustände, die zum Abbrennen führen könnten.

Batterie-Wechselrichter

Jede Batterie kann nur Gleichstrom speichern. Darum benötigt das Speichersystem einen Wechselrichter. Dieser wandelt jenen Gleichstrom in nutzbaren Wechselstrom für den Haushalt um.

AC- und DC-gekoppelte Systeme

  • Einige Systeme wandeln auch Wechselstrom zum Laden in Gleichstrom um. Solche Systeme nennen Experten AC-gekoppelt. AC ist die Abkürzung für Wechselstrom.

  • Andere Systeme leiten den Gleichstrom, den die Photovoltaikanlage liefert, direkt in den Speicher. Solche Systeme bezeichnet die Fachwelt als DC-gekoppelt. DC ist die Abkürzung für Gleichstrom.

  • Beide Methoden haben Vor- und Nachteile.

  • Geht es um die Nachrüstung bei einer bestehenden Photovoltaikanlage, sind AC-gekoppelte Systeme eher geeignet. Noch effizienter sind diese Systeme zudem, wenn der Batteriespeicher nur eine Teil- und nicht seine volle Leistung erbringt.

  • Bei DC-gekoppelten Systemen fällt ein Umwandlungsschritt weg – und somit ebenso Umwandlungsverluste.

Energiemanagementsystem

Ein intelligentes Energiemanagementsystem steuert die Energieflüsse im Haushalt. Es stellt fest, wenn Stromüberschüsse aus der Photovoltaikanlage vorliegen und priorisiert den Verbrauch. Soll zum Beispiel zuerst die Waschmaschine starten?  Soll der Überschuss in das Elektroauto fließen? Oder soll erst einmal die Wärmepumpe heizen? Der Batteriespeicher bekommt den Überschuss in der Regel erst dann, wenn alle anderen Verbraucher versorgt sind.

Wie zuvor geschildert, sollten sich Lithiumbatterien nicht tiefentladen. Am längsten halten sie, wenn sie sich immer in einem mittleren Ladezustand befinden. Ein gutes Energiemanagementsystem trägt dieser Anforderung Rechnung. Manche Systeme können auch auf Wetterprognosen zurückgreifen. Wenn die Sonne lange scheint, laden sie den Speicher erst kurz vor Sonnenuntergang voll auf. So verkürzen Sie den ungünstigen Ladezustand.

Wie funktioniert das Steuern der Energieflüsse im Haushalt? Dafür muss das Energiemanagementsystem in der Lage sein, mit den unterschiedlichen Geräten zu kommunizieren. Umgekehrt müssen auch die Geräte über geeignete Schnittstellen und Programme verfügen. So kann zum Beispiel nicht jede Wärmepumpe Stromüberschüsse aus der Photovoltaikanlage nutzen. Sie wollen Ihren Solarstrom aus der Anlage zum großen Teil selbst nutzen? Dann sollten Sie sich vor der Installation eingehend beraten lassen.

Worauf sollten Sie beim Kauf eines Photovoltaik-Batteriespeichers achten?

Ein intelligentes Energiemanagementsystem ist nur ein Punkt, auf den Sie bei der Auswahl eines Batteriespeichers für Ihre Photovoltaikanlage achten sollten. Letztlich kommt es vor allem auf die Lebensdauer an. Diese hängt insbesondere von der Zyklenfestigkeit ab. Das heißt: Wie oft lässt sich der Speicher be- und entladen, bevor seine Kapazität darunter leidet?

Die von den Herstellern genannten Zyklen variieren stark zwischen 2.500 und 10.000. Experten rechnen bei einer Photovoltaikanlage mit 250 Ladezyklen pro Jahr. Daher reichen 2.500 Zyklen für 10 Jahre aus. Das ist die Lebensdauer, die viele Hersteller für ihre Produkte garantieren.

Effizienzleitfaden für PV-Speichersysteme

  • Auch die Effizienz sollte hoch sein. So geht möglichst wenig des gespeicherten Solarstroms durch Umwandlungsverluste und Selbstentladung verloren.

  • Um unterschiedliche Batteriespeicher für Photovoltaik vergleichen zu können, sollten Sie immer auf Angaben nach dem „Effizienzleitfaden für PV-Speichersysteme“ vom Bundesverband Solarwirtschaft e. V. (BSW-Solar) und Bundesverband Energiespeicher e. V. (BVES) achten.

  • Andere Angaben sind nicht unabhängig von den Herstellern. Sie führen unter Umständen zu verzerrten Ergebnissen.

Bei der Auslegung eines Batteriespeichers für Photovoltaik können Sie sich an einer Faustformel orientieren:

  • Je Kilowatt (kW) Leistung der Solaranlage sollte der Stromspeicher 1kWh Speicherkapazität aufweisen.
  • Kleinere Speicher gehen zulasten des Eigenverbrauchs beim selbst erzeugten Strom.
  • Deutlich größere Speicher verbessern zwar den Eigenverbrauch, jedoch amortisieren sich die Mehrkosten nicht.
  • Ein konkretes Rechenbeispiel, das verdeutlicht, wie stark der Eigenverbrauch durch die Installation eines Batteriespeichers ansteigt, finden Sie im Artikel zur Definition der Photovoltaik.

Kosten von Batteriespeichern

Für die Installation eines Batteriespeichers für die Photovoltaik müssen Sie inklusive Installation mit Kosten von durchschnittlich 1.000 Euro pro kWh Speicherkapazität rechnen. Bei kleinen Speichern ist es etwas mehr. Größere werden pro kWh Speicherkapazität etwas günstiger. Für die jährliche Wartung sollten Sie 2% der Investitionskosten kalkulieren.

Und lohnt sich das Ganze?

  • Die gute Nachricht: Die meisten Batteriespeicher amortisieren sich nach 20 Jahren.

  • Wie schnell genau, hängt von vielen Faktoren ab. Ihr Stromverbrauch spielt eine Rolle und auch, wie günstig die Installation letztendlich war.

  • Bei einem größeren Stromverbrauch rechnet sich der Batteriespeicher zum Beispiel schneller als bei einem geringeren.

  • In den vergangenen Jahren sind die Preise von Lithiumbatterien rasant gefallen. Von 2013 bis 2020 waren es beispielsweise fast 75%.3

  • Es gibt attraktive staatliche Förderungen für PV-Speicher.

Der Fachbetrieb berät bei Photovoltaik-Batteriespeichern

Wollen Sie umweltfreundlichen Solarstrom produzieren und möglichst viel davon selbst verbrauchen? Dann ist für Sie ein Batteriespeicher ein Muss. Es lohnt sich in der Regel auf lange Sicht und macht unabhängig von Strompreissteigerungen.

Allerdings ist die Installation eines Photovoltaik-Speichersystems auf jeden Fall Profisache. Der Experte kann Sie auch bei Fragen rund um die Anlage beraten und Ihnen einen Kostenvoranschlag unterbreiten.

1, 2 Umweltbundesamt: Batterien und Akkus

3 Statista: Weltweite Preisentwicklung für Lithium-Ionen-Akkus in ausgewählten Jahren von 2010 bis 2019 und eine Prognose bis 2025

Jens-Peter Meyer,
Dr. rer. nat.

Über den Autor

Dr. Jens-Peter Meyer schreibt freiberuflich seit dem Jahr 2000 über Heizungsthemen. Sein journalistischer Schwerpunkt liegt auf erneuerbaren Energien in der Wärmetechnik – speziell in Solarwärmesysteme, Wärmepumpen und Holzheizungen.

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