Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage mit Speicher?

Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage mit Speicher?

Eine PV-Anlage mit Speicher erzeugt Gleichstrom, versorgt nach der Umwandlung zuerst laufende Verbraucher, lädt mit Überschüssen anschließend den Stromspeicher und speist erst dann die verbleibende Energie ins Netz.

Die Solarzellen in den Modulen setzen Licht in elektrische Energie um. Wie dieser photovoltaische Effekt im Einzelnen abläuft, erklärt unser Ratgeber Funktionsweise einer Photovoltaikanlage. Der Stromweg einer PV-Anlage mit Speicher lässt sich in folgende fünf Schritte gliedern:

1. Die Solarmodule erzeugen Gleichstrom, sobald ausreichend Licht auf die Solarzellen fällt.
2. Ein Wechselrichter wandelt den Gleichstrom in den haushaltsüblichen Wechselstrom um. 
3. Der Solarstrom versorgt zunächst die eingeschalteten Verbraucher im Haus. Dadurch muss der Haushalt in diesem Moment weniger Strom aus dem öffentlichen Netz beziehen.
4. Übersteigt die Erzeugung den aktuellen Verbrauch, leitet das Energiemanagement den Überschuss zum Stromspeicher. Die Batterie nimmt die Energie auf und hält sie für einen späteren Bedarf bereit.
5. Ist die Batterie geladen, fließt der weitere Überschuss ins öffentliche Netz. Reicht die aktuelle Solarleistung später nicht aus, gibt der Stromspeicher Energie ab. Erst wenn diese Energie nicht ausreicht, schaltet das System auf Netzstrom um.

Die PV-Anlage erzeugt mit einem Stromspeicher nicht mehr Energie. Sie verschiebt lediglich einen Teil des mittags erzeugten Solarstroms in Stunden mit geringer oder fehlender Erzeugung. Der Stromspeicher gleicht damit die zeitliche Lücke zwischen der Solarstromproduktion und dem Verbrauch im Haushalt aus.

Erzeugung und Verbrauch verändern sich dabei fortlaufend. Schaltet sich ein größerer Verbraucher ein, sinkt der verfügbare Überschuss und die Steuerung verringert die Ladeleistung. Übersteigt der Verbrauch die aktuelle Solarleistung, kann die Batterie die fehlende Leistung bis zu ihrer technischen Grenze bereitstellen. Der Energiefluss ist deshalb keine starre Abfolge, sondern wird laufend an die Messwerte des Hauses angepasst.

Wie funktioniert ein Stromspeicher?

Ein Stromspeicher nimmt überschüssigen Solarstrom auf, wandelt elektrische Energie in chemische Energie um und gibt sie bei Bedarf wieder als Gleichstrom ab.

Das Energiemanagement erfasst, wie viel Solarstrom die PV-Anlage erzeugt und wie viel Strom der Haushalt gerade benötigt. Es verteilt die verfügbare Energie zwischen direktem Verbrauch, Batterie und öffentlichem Netz. Unser Überblick zu Stromspeichern für Photovoltaik bietet eine ausführliche Einordnung der Technik. 

Innerhalb der Batterie überwacht das Batteriemanagementsystem den Ladezustand, die Temperatur sowie die Lade- und Entladeströme. Es hält den Betrieb innerhalb der vorgesehenen Grenzen der Batteriezellen. Mess- und Steuerungstechnik erfüllen damit unterschiedliche Aufgaben: Das Energiemanagement regelt den Energiefluss im gesamten Haus, das Batteriemanagement schützt und steuert die Batterie selbst.

Typische Lithium-Ionen-Heimspeicher erreichen einen Systemwirkungsgrad von 88 bis 95%. Der Systemwirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der eingespeicherten Energie nach den Verlusten von Batterie, Leistungselektronik und Regelung wieder nutzbar ist. Je nach Zellchemie, Betriebsweise und Hersteller sind 4.000 bis 10.000 vollständige Ladezyklen und eine Lebensdauer von 15 bis 20 Jahren möglich. Ein Ladezyklus entspricht dabei der Summe mehrerer Teilentladungen, die zusammen einer vollständigen Entladung und Ladung entsprechen.

Was passiert beim Laden und Entladen im Akku?

Beim Laden wandern Lithium-Ionen durch den Elektrolyten zur negativen Elektrode, während Elektronen über den äußeren Stromkreis dorthin fließen. 

Der Elektrolyt ist das Medium zwischen den Elektroden, durch das sich die Lithium-Ionen bewegen können. Die Elektronen nehmen einen separaten Weg durch die angeschlossene Leistungselektronik. An der negativen Elektrode werden die Lithium-Ionen in das Elektrodenmaterial eingelagert. Die zugeführte elektrische Energie liegt anschließend als chemische Energie vor.

Beim Entladen läuft der Vorgang in umgekehrter Richtung. Lithium-Ionen wandern durch den Elektrolyten zurück zur positiven Elektrode. Gleichzeitig fließen Elektronen durch den äußeren Stromkreis und liefern elektrische Energie. Die Batterie gibt dabei Gleichstrom ab, den ein Wechselrichter für die Verbraucher im Haushalt in Wechselstrom umwandelt.

Woraus besteht ein PV-Speichersystem?

Ein PV-Speichersystem besteht aus einer Batterie, dem Batteriemanagement, dem Wechselrichter, dem Energiemanagement sowie den Mess-, Monitoring- und Schutzeinrichtungen. 

Jeder dieser Komponente erfüllt eine spezifische Aufgabe:

• Batterie: Speichert die zugeführte Energie chemisch und gibt sie als Gleichstrom wieder ab.
• Batteriemanagementsystem: Überwacht die Batteriezellen und steuert das Laden und Entladen innerhalb ihrer Betriebsgrenzen.
• Batterie- bzw. Hybridwechselrichter: Wandelt Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) um und umgekehrt.
• Energiemanagementsystem: Verteilt den Solarstrom zwischen Haushalt, Batterie und öffentlichem Netz.
• Mess-, Monitoring- und Schutzeinrichtungen: Erfassen Erzeugung, Verbrauch, Netzbezug und Ladezustand sowie stellen die Werte für Steuerung und Auswertung bereit.

Die Funktionen können in getrennten Geräten oder in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein. Entscheidend für die Funktionsweise ist dabei nicht die Anzahl der Geräte, sondern das abgestimmte Zusammenspiel von Batterie, Leistungselektronik und Steuerung.

Laut Solarenergie-Förderverein Deutschland kommen bei Heimspeichern vor allem Lithium-Ionen-Speicher zum Einsatz. Als weitere Technologie werden Natrium-Ionen-Speicher, umgangssprachlich auch Salzbatterie, genannt. Die Speicherarten unterscheiden sich unter anderem bei Zellchemie, nutzbarer Kapazität, Wirkungsgrad und Lebensdauer. Unser Überblick zu den Arten von PV-Speichern ordnet diese Unterschiede im Detail ein.

Wie viel Solarstrom lässt sich mit einem Speicher selbst nutzen?

Ohne Stromspeicher nutzt ein Haushalt im Schnitt 25 bis 35% seines Solarstroms direkt, mit einem passend dimensionierten Stromspeicher steigt der Eigenverbrauch auf 55 bis 80%. 

Der Eigenverbrauchsanteil bezeichnet den Anteil des erzeugten Solarstroms, den der Haushalt selbst nutzt. Ohne Batterie fällt ein großer Teil des Solarstroms mittags an, während viele Haushalte morgens und abends mehr Strom benötigen. Der nicht gleichzeitig verbrauchte Überschuss fließt in diesem Fall ins öffentliche Netz.

Ein Stromspeicher nimmt einen Teil dieses Mittagsüberschusses auf. Am Abend und in der Nacht gibt die Batterie die gespeicherte Energie wieder ab. Die folgende Grafik ergänzt den Erzeugungs- und Verbrauchsverlauf um diesen zeitlich verschobenen Solarstrom.

Wie hoch der Eigenverbrauch von Solarstrom tatsächlich ausfällt, bestimmen vor allem das Verbrauchsprofil, die Leistung der Photovoltaikanlage und die nutzbare Speicherkapazität. Ein größerer Stromspeicher erhöht den Eigenverbrauch nicht automatisch. Bleibt die Batterie an vielen Tagen teilweise leer, wird ihre zusätzliche Kapazität nicht genutzt.

Solarstrom von einer Dachanlage verursacht Stromgestehungskosten von rund 6,3 bis 14,4 ct/kWh für kleine PV-Dachanlagen in Deutschland. Bei Stromgestehungskosten handelt es sich um die Kosten je erzeugter Kilowattstunde, die sich aus Investition, Betrieb und Stromertrag über die Nutzungsdauer ergeben. Für Teileinspeiseanlagen bis 10 kWp, die vom 1. August 2026 bis 31. Januar 2027 in Betrieb gehen, beträgt die gesetzliche Einspeisevergütung 7,70 ct/kWh. Bei einer Teileinspeiseanlage verbraucht der Betreiber einen Teil des Solarstroms selbst und speist nur den Überschuss ins öffentliche Netz ein. Selbst genutzter Solarstrom ersetzt dagegen Netzstrom zum jeweiligen Bezugspreis. Der Stromspeicher kann deshalb den Nutzen des erzeugten Solarstroms erhöhen, obwohl beim Speichern Energie verloren geht.

Was unterscheidet AC- und DC-gekoppelte Stromspeicher?

DC-gekoppelte Stromspeicher sitzen auf der Gleichstromseite vor dem Wechselrichter, während sich AC-gekoppelte Stromspeicher auf der Wechselstromseite hinter dem PV-Wechselrichter befinden. 

Die Bezeichnungen AC und DC bezeichnen damit den Anschlusspunkt des Stromspeichers und nicht seine Zellchemie oder Speicherkapazität. Beide Varianten können denselben Haushalt mit gespeichertem Solarstrom versorgen. Sie unterscheiden sich vor allem darin, wie oft der Strom auf dem Weg zur Batterie und zurück umgewandelt wird und wie eng die Speichertechnik mit dem PV-Wechselrichter verbunden ist.

Bei einer DC-Kopplung fließt der Gleichstrom der Solarmodule über einen Hybridwechselrichter zur Batterie oder zum Haushalt. Für den Speicherpfad sind dadurch weniger Umwandlungsschritte nötig. Diese Verschaltung eignet sich besonders für neue PV-Anlagen, deren Module, Batterie und Leistungselektronik gemeinsam geplant werden.

Bei einer AC-Kopplung wandelt der PV-Wechselrichter den Solarstrom zunächst in Wechselstrom um. Ein Batteriewechselrichter wandelt den Überschuss zum Laden erneut in Gleichstrom und beim Entladen wieder in Wechselstrom. Dafür lässt sich ein AC-System meist einfacher unabhängig von der vorhandenen PV-Technik ergänzen. 

Die Wahl zwischen beiden Varianten hängt deshalb vom Ausgangspunkt ab: Bei einer neuen PV-Anlage kann der kürzere DC-Strompfad sinnvoll sein, bei einer Nachrüstung bietet die AC-Kopplung mehr Unabhängigkeit vom vorhandenen Wechselrichter. Der ausführliche Vergleich von AC- und DC-gekoppelten Stromspeichern erläutert weitere Unterschiede bei der Planung. 

Das Schaubild stellt die beiden Anschlusspunkte und die jeweiligen Stromwege gegenüber.

PV-Angebote vergleichen und bis zu 30% sparen

Füllen Sie das untere Formular aus und erhalten bis zu fünf Angebote von qualifizierten und geprüften Fachunternehmen für Photovoltaik aus Ihrer Region - kostenlos und unverbindlich. Es dauert nur zwei Minuten. Durch den Vergleich sparen Sie beim Kauf bis zu 30%.