Solaranlage mit Stromspeicher
Die Funktionsweise einer Photovoltaikanlage mit Speicher lässt sich recht einfach erklären. Das Sonnenlicht wird von Solarmodulen zur Stromerzeugung genutzt. Um diesen Solarstrom im Haushalt nutzbar zu machen, muss er mithilfe eines Wechselrichters in Wechselstrom umgewandelt werden. Wird der Strom nicht sofort benötigt, kann er in einem Stromspeicher zwischengespeichert werden.
Die Funktionsweise der Photovoltaik mit Speicher lässt sich im Detail erklären. Photovoltaik ist der Prozess, bei dem Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom umgewandelt wird. Dabei kommen Solarmodule, auch Photovoltaikmodule genannt, zum Einsatz. Diese Module bestehen aus mehreren Solarzellen und werden mithilfe einer metallischen PV-Unterkonstruktion auf dem Dach eines Gebäudes befestigt. Trifft das Sonnenlicht auf die Solarzellen, erzeugen diese elektrischen Strom. Dieser grundlegende Prozess bildet die Grundlage für den Betrieb einer Photovoltaikanlage.
Die Solarkabel übertragen Gleichstrom, der dann vom Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt wird und so die Nutzung im Wohnbereich ermöglicht. Ein PV-Stromzähler wird verwendet, um sowohl die Erzeugung als auch den Verbrauch von Solarstrom zu messen. Nicht verbrauchter Strom wird über den Einspeisezähler in das öffentliche Stromnetz eingespeist.
Reicht die Einspeisevergütung nicht aus und soll mehr Solarstrom genutzt werden, kann das System um einen Stromspeicher ergänzt werden. Dieser funktioniert wie eine große Batterie und ermöglicht es, in Zeiten des Überflusses überschüssigen Solarstrom zu speichern, um ihn zu einem späteren Zeitpunkt wieder abzurufen und zu nutzen.
Bei der Funktionsweise einer Photovoltaikanlage ist zu beachten, dass zwischen AC- und DC-Stromspeichern unterschieden wird.
Vor dem Wechselrichter sind DC-seitige Speicher (DC = Direct Current) angeschlossen, die als Speicher für Gleichstrom dienen. Wird Strom im Haushalt benötigt, wird dieser vom Stromspeicher über den Wechselrichter zur Umwandlung weitergeleitet.
Hinter dem Wechselrichter sind AC-seitige Stromspeicher (AC = Alternating Current) angeschlossen. Dabei ist zu beachten, dass Strom nur in Form von Gleichstrom gespeichert werden kann. Um dieses Problem zu lösen, sind Wechselstromspeicher mit einem Hybridwechselrichter ausgestattet, der die Umwandlung von Strom während des Lade- und Entladevorgangs erleichtert.
Sowohl Wechselstrom- als auch Gleichstromspeichersysteme haben Vor- und Nachteile. Das Hinzufügen von Wechselstromsystemen zu einem bereits vorhandenen PV-System ist einfacher. Andererseits weisen Gleichstromsysteme während des Umwandlungsprozesses einen geringeren Stromverlust auf.
Welchen Zweck erfüllen Stromspeichersysteme?
Durch die Integration eines Stromspeichersystems können Sie die von Ihnen erzeugte Energie auch in Zeiten mit eingeschränkter Sonneneinstrahlung nutzen. Die optimale Zeit für die Stromerzeugung aus einer Photovoltaikanlage (PV) liegt um die Mittagszeit, also in der Zeit, in der Haushalte normalerweise am wenigsten Strom verbrauchen. Umgekehrt verbrauchen Haushalte in Deutschland tendenziell morgens und abends die meiste Strommenge, was mit der Zeit übereinstimmt, in der Solaranlagen am wenigsten Strom erzeugen. Folglich wird der Großteil des Solarstroms in das öffentliche Netz eingespeist, während nur etwa 30 % vom System selbst verbraucht werden.
Ohne Stromspeicher funktioniert eine PV-Anlage für den Eigenverbrauch. Mit der Integration eines Stromspeichers in die PV-Anlage steigt die Nutzung des Solarstroms für den Eigenverbrauch jedoch auf durchschnittlich 60 %. Anstatt überschüssigen Strom ins Netz einzuspeisen, wird er im PV-Speicher für die spätere Nutzung gespeichert. Optimaler Eigenverbrauch führt unweigerlich zu einer deutlichen Reduzierung der Stromkosten.
Der Eigenverbrauch ist aufgrund der Kosteneffizienz der Erzeugung einer Kilowattstunde Solarstrom von etwa 11 Cent vorteilhaft und damit deutlich günstiger als Netzstrom. Darüber hinaus ist die Vergütung für die Rückspeisung ins Netz mit etwa 8 Cent sogar noch geringer.
Das Diagramm veranschaulicht die Nutzung einer PV-Anlage für den Eigenverbrauch mit Stromspeicher. Tagsüber wird die überschüssige Energie, die von den Solarmodulen erzeugt wird, zum Laden des Stromspeichers verwendet. Anschließend wird abends und nachts der gespeicherte Solarstrom entladen und genutzt. Der zusätzlich benötigte Strom wird vom Netz geliefert.
Um völlige Selbstversorgung zu erreichen, bei der die Abhängigkeit vom Stromnetz vollständig eliminiert wird, müssten sowohl die Photovoltaikanlage (PV) als auch der Stromspeicher eine beträchtliche Größe haben. Dies ist jedoch mit hohen Kosten verbunden und würde den Eigenverbrauch aufgrund eines Stromüberschusses verringern. Die Wirtschaftlichkeit der Umsetzung einer solchen PV-Anlage ist höchst fraglich.
Der Markt wird seit einigen Jahren überwiegend von Lithium-Ionen-Speichersystemen beherrscht. Bei einem Photovoltaik-Speichersystem mit Lithium-Ionen-Batterie gibt es bestimmte Komponenten, aus denen sich das System zusammensetzt.
Der Speicher für elektrische Energie, umgangssprachlich Akkumulator oder Batterie genannt, speichert die Energie. Den Lade- und Entladevorgang der Batterie überwacht das Batteriemanagementsystem.
Der Laderegler sorgt für den Schutz der Batterie, indem er sie vor Tiefentladung und Kurzschlüssen schützt. Der Wechselrichter spielt eine entscheidende Rolle bei der Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom.
Die Steuerung des Verbrauchs von Solarstrom und der Ladung des Stromspeichers ist die Hauptfunktion des Energiemanagementsystems. Darüber hinaus überwacht das Überwachungssystem die Stromerzeugung, den Stromverbrauch und die Versorgung aus dem Netz.
Neben den Lithium-Ionen-Speichern gibt es noch Alternativen für die klassischen Bleichspeicher. Diese sind zwar günstiger, ihre Leistung und Lebensdauer sind jedoch deutlich schlechter. Weitere Alternativen sind Pufferspeicher und Salzwasserspeicher.
Die Funktionsweise eines Photovoltaik Speichers erklärt
Die Funktionsweise eines Stromspeichers ähnelt der eines Smartphones oder einer Autobatterie und fungiert als Quelle gespeicherter Energie.
Der Stromverbrauch des Haushalts wird vom Energiemanager geregelt, der die Aktivierung von Elektrogeräten wie Waschmaschinen und Geschirrspülern steuert, wenn Solarstrom verfügbar ist. Darüber hinaus überwacht er das Laden und Entladen des Stromspeichers. Normalerweise sind diese Systeme so konfiguriert, dass der Eigenverbrauch von Solarstrom Vorrang hat, anstatt ihn ins Netz einzuspeisen.
Im Gegensatz dazu ist das Batteriemanagementsystem allein dafür verantwortlich, das ideale und sichere Laden des Speichers zu überwachen. Seine Hauptfunktion besteht darin, zu verhindern, dass die Batterie jemals vollständig entladen wird, da dies zu irreversiblen Schäden oder zur vollständigen Zerstörung der Batterie führen würde.
Beim Speichern von Chemikalien wird elektrische Energie aus Solarmodulen in chemische Energie umgewandelt. Um dies zu ermöglichen, besteht der Stromspeicher aus zwei Elektroden – einer positiven (Anode) und einer negativen (Kathode). Diese Elektroden sind in eine leitfähige Flüssigkeit eingetaucht, die als Elektrolyt bezeichnet wird.
Während die Solarzellen elektrische Energie erzeugen, durchqueren die Elektronen den Elektrolyten und wandern von der Kathode zur Anode, bis die Anode mit Elektronen gesättigt ist. An der Anode reagieren die Elektronen und verwandeln sich in Atome. Folglich ist die elektrische Energie nun als chemische Energie gespeichert.
Während des Entladevorgangs bewegen sich die Atome in umgekehrter Richtung zur Kathode, wo sie erneut in Elektronen umgewandelt werden und als elektrischer Strom genutzt werden können.
Stromspeicher, die Batteriewechselrichter verwenden, sind speziell für die Speicherung von Elektrizität in Form von Gleichstrom ausgelegt. Denn Solarmodule erzeugen Gleichstrom, sodass Gleichstromspeicher diese Energie direkt nutzen können, ohne dass ein integrierter Wechselrichter erforderlich ist.
Im Gegensatz dazu befinden sich Wechselstromspeicher auf der Rückseite des Wechselrichters und verfügen über einen eingebauten Batteriewechselrichter. Diese Komponente wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um, um den Speicher aufzuladen. Umgekehrt wird der Strom beim Entladen des Speichers wieder in Wechselstrom umgewandelt. Der Hybridwechselrichter, auch Batteriewechselrichter genannt, verdankt seinen Namen seiner doppelten Fähigkeit, Strom in beide Richtungen umzuwandeln.
Zusammenfassung
Eine Photovoltaikanlage mit integriertem Speicher funktioniert ähnlich wie eine herkömmliche PV-Anlage ohne Speicher. Die Solarmodule erzeugen Strom, der dann vom Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt und direkt im Haushalt oder zur Einspeisung ins Stromnetz genutzt werden kann. Durch die Integration eines Speichers ermöglicht die Anlage nicht nur den Direktverbrauch und die Netzeinspeisung, sondern bietet auch die Möglichkeit, überschüssige Solarenergie für die spätere Nutzung zu speichern.
Hierzu kann der PV-Speicher direkt an die Solarmodule angeschlossen oder in Verbindung mit dem Wechselrichter platziert werden. Um die Nutzung der Solarenergie zu maximieren, regelt ein Energiemanagementsystem die Nutzung, das Laden und Entladen des Speichers. Dies garantiert die Wirtschaftlichkeit des Speichersystems und ermöglicht erhebliche Einsparungen bei den Stromkosten.
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