Die Funktionsweise einer Photovoltaikanlage mit Speicher ist einfach erklärt: Die Solarmodule erzeugen mithilfe der Sonneneinstrahlung Strom. Damit der Solarstrom im Haushalt verwendet werden kann, muss er mit einem Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt werden. Soll der Strom zu einem späteren Zeitpunkt genutzt werden, muss er in einem Stromspeicher zwischengespeichert werden.
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Funktionsweise von Photovoltaik mit Speicher im Detail
Photovoltaik bedeutet die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom. Dafür werden Photovoltaik-Module, auch Solarmodule genannt, benötigt. Sie bestehen aus mehreren Solarzellen und werden mit einer PV-Unterkonstruktion aus Metall auf dem Hausdach befestigt. Sobald Sonnenlicht auf die Solarzellen fällt, erzeugen sie elektrischen Strom. Dieser Prozess ist die Grundlage für die Funktion einer PV-Anlage.
Bei dem Strom handelt es sich um Gleichstrom, der nun durch die Solarkabel zum Wechselrichter geleitet wird. Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom in den haushaltsüblichen Wechselstrom um. Ein PV-Stromzähler ermittelt dabei die Höhe des erzeugten Solarstroms und die Höhe des verbrauchten Solarstroms. Der Strom, der nicht verbraucht wird, gelangt durch den Einspeisezähler ins öffentliche Stromnetz.
Will man jedoch mehr Solarstrom selbst verbrauchen, da sich die Einspeisevergütung gar nicht lohnt, wird ein Stromspeicher zum System hinzugefügt. Ein Stromspeicher funktioniert im Prinzip wie ein großer Akku. Er wird mit dem überschüssigen Solarstrom geladen und stellt ihn zu einem späteren Zeitpunkt zur Verfügung.
Dabei ist zu beachten, dass zwischen AC- und DC-seitigen Stromspeichern unterschieden wird.
DC-seitige Speicher (DC = Direct Current, Wechselstrom) werden noch vor dem Wechselrichter geschaltet. Sie speichern den Strom in Form von Gleichstrom. Wird der Strom im Haushalt benötigt, wird er vom Stromspeicher durch den Wechselrichter geleitet und dann erst umgewandelt.
AC-seitige Stromspeicher (AC = Alternating Current, Wechselstrom) werden hinter dem Wechselrichter geschaltet. Strom kann aber leider nur in Form von Gleichstrom gespeichert werden. AC-Stromspeicher besitzen deshalb einen hybriden Wechselrichter, der den Strom zum Laden des Speichers wieder umwandelt und beim Entladen noch einmal zurückwandelt.
Sowohl AC- als auch DC-Stromspeichersysteme haben ihre Vor- und Nachteile. AC-Systeme lassen sich zum Beispiel leichter bei einer bestehenden PV-Anlage ergänzen. Bei DC-Systemen ist dafür der Stromverlust bei der Umwandlung niedriger.
-> Erfahren Sie mehr: AC oder DC gekoppeltes Speichersystem?
Wozu sind Stromspeicher gut?
Mit einem Stromspeicher kann man den eigens erzeugten Strom auch dann nutzen, wenn die Sonne nicht scheint. Eine PV-Anlage erzeugt nämlich um die Mittagszeit den höchsten Stromertrag - zu einer Zeit also, in der die meisten Haushalte am wenigsten Strom verbrauchen. Den meisten Strom nutzen Haushalte in Deutschland im Durchschnitt morgens und abends. Genau dann erzeugt die Solaranlage allerdings den wenigsten Strom. Das bedeutet, dass der Großteil des Solarstroms ins öffentliche Netz eingespeist wird und nur rund 30 % selbst verbraucht werden.
Wird nun aber ein Stromspeicher zu dem PV-System hinzugefügt, steigt der Eigenverbrauch des Solarstroms im Schnitt auf etwa 60 %. Der Stromüberschuss wird nicht mehr eingespeist, sondern im PV-Speicher gelagert, bis er benötigt wird. Ein hoher Eigenverbrauch bedeutet immer auch eine größere Ersparnis bei den Stromkosten.
Der Eigenverbrauch lohnt sich, da eine Kilowattstunde selbst erzeugter Solarstrom mit einem Preis von rund 11 Cent deutlich günstiger ist als Strom aus dem Netz. Zusätzlich liegt die Vergütung für die Einspeisung des Stroms mit etwa 8 Cent noch weiter unter diesem Wert.
Wie Sie der Grafik entnehmen können, wird der Mittagsüberschuss verwendet, um den Stromspeicher zu laden. Am Abend und in der Nacht wird der PV-Speicher wieder entladen und der Solarstrom verbraucht. Der restliche Strombedarf wird mit Netzstrom gedeckt.
Damit eine 100 % Autarkie erreicht wird, sprich kein Netzstrom mehr bezogen werden muss, müssten sowohl PV-Anlage als auch Stromspeicher extrem groß dimensioniert sein. Dies bringt jedoch hohe Kosten mit sich und würde den Eigenverbrauchsanteil senken, da wieder ein Stromüberschuss entsteht. So ein PV-System lohnt sich wirtschaftlich kaum.
Bestandteile eines PV-Speichersystems
Seit einigen Jahren beherrschen Lithium-Ionen-Speicher den Markt. Ein Photovoltaik-Speichersystem mit Lithium-Ionen-Akku besteht aus folgenden Bestandteilen:
- Der Akkumulator (auch Akku oder Batterie genannt) speichert die elektrische Energie.
- Das Batterie-Management-System steuert das Laden und Entladen des Akkus.
- Der Laderegler schützt die Batterie vor einer Tiefentladung und Kurzschlüssen.
- Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom in Wechselstrom um.
- Das Energiemanagementsystem steuert den direkten Solarstrom-Verbrauch und das Laden des Stromspeichers.
- Das Monitoring-System wird genutzt, um die Stromerzeugung, Stromverbrauch und den Bezug aus dem Netz zu kontrollieren.
Neben Lithium-Ionen-Speichern sind auch immer noch die klassischen Bleich-Speicher erhältlich. Diese sind zwar kostengünstiger, haben dafür aber eine deutlich geringere Leistung und Lebensdauer. Weitere Alternativen sind Pufferspeicher und Salzwasserspeicher.
Mehr zu den verschiedenen Arten von PV-Speichern erfahren Sie hier: Stromspeicher: welche Arten von PV-Speichern gibt es?
Wie funktioniert ein Stromspeicher im Detail?
Ein Stromspeicher funktioniert im Prinzip wie der Akkus eines Smartphones oder wie eine Autobatterie.
Das Energie- und Batterie-Management-System
Der Energiemanager reguliert den Stromverbrauch im Haushalt. Das bedeutet, er schaltet elektrische Verbraucher wie Waschmaschine und Geschirrspüler an, wenn Solarstrom zur Verfügung steht. Er steuert aber auch das Laden und Entladen des Stromspeichers. In der Regel sind die Systeme so eingestellt, dass der Solarstrom möglichst für den Eigenverbrauch genutzt und nicht ins Netz eingespeist wird.
Das Batterie-Management-System steuert dagegen nur das optimale und sichere Laden des Speichers selbst. So wird zum Beispiel sichergestellt, dass der Akku nie zu 100 % entladen wird. Eine solche Tiefentladung würde zu dauerhaften Schäden oder sogar der Zerstörung des Akkus führen.
Der chemische Speicherprozess
Beim Aufladen des Speichers wird die elektrische Energie der Solarmodule in chemische Energie umgewandelt. Dafür hat der Stromspeicher zwei Elektroden, eine positive (Anode) und eine negative (Kathode). Umgeben sind die beiden Elektroden von einer leitenden Flüssigkeit, dem Elektrolyten.
Wenn die Solarzellen Strom erzeugen, bewegen sich die Elektronen durch den Elektrolyten von der Kathode zur Anode, bis diese vollständig mit Elektronen geladen ist. Die Elektronen reagieren an der Anode zu Atomen um. Der Strom liegt jetzt gespeichert in Form von chemischer Energie vor.
Beim Entladen wandern die Atome wieder zurück zur Kathode. Hier werden die Atome zurück in Elektronen umgewandelt und stehen wieder als elektrischer Strom zur Verfügung.
Der Batteriewechselrichter
Stromspeicher können Strom nur in Form von Gleichstrom speichern. Da Solarmodule Gleichstrom erzeugen, können DC-Stromspeicher diesen auch direkt nutzen und benötigen keinen integrierten Wechselrichter.
AC-Speicher dagegen sind hinter dem Wechselrichter geschaltet und haben deshalb einen integrierten Batteriewechselrichter. Dieser wandelt den Wechselstrom zum Laden des Speichers in Gleichstrom um. Bei der Entladung wird der Strom dann wieder in Wechselstrom umgewandelt. Der Batteriewechselrichter wird wegen der Fähigkeit, in beide Richtungen umzuwandeln, auch Hybridwechselrichter genannt.
Fazit
Eine Photovoltaikanlage mit Speicher funktioniert ähnlich wie eine herkömmliche PV-Anlage ohne Speicher. Die Solarmodule erzeugen Strom, der vom Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt wird, um im Haushalt direkt verbraucht oder ins öffentliche Netz eingespeist zu werden. Kommt nun ein Speicher dazu, gibt es neben dem direkten Verbrauch und der Einspeisung auch die Option, den Solarstrom für später zu speichern.
Dafür wird der PV-Speicher entweder direkt mit den Solarmodulen verbunden oder hinter den Wechselrichter gekoppelt. Damit der Solarstrom optimal genutzt werden kann, regelt ein Energiemanagementsystem den Verbrauch und das Laden beziehungsweise Entladen des Speichers. So wird sichergestellt, dass das Speichersystem sich auch lohnt und möglichst viel an Stromkosten gespart wird.
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