photovoltaik Ausgabe: 06-2016

„Bei der Auslegung der Systeme gibt es Luft nach oben“

Professor Sauer ist auch Konferenzleiter der internationalen Speichermesse IRES, die in diesem Jahr in Düsseldorf tagte.

Professor Sauer ist auch Konferenzleiter der internationalen Speichermesse IRES, die in diesem Jahr in Düsseldorf tagte.

KfW-Speichermonitoring — Im letzten Jahr gab es eine massive Verschiebung hin zu Systemen mit Lithiumbatterien. Durch den Einstieg mehrerer Autokonzerne wird die Qualität dieser Systeme schnell verbessert, verspricht Professor Dirk Uwe Sauer von der RWTH Aachen. Ein Interview

Inhaltsübersicht

  1. „Bei der Auslegung der Systeme gibt es Luft nach oben“
  2. KfW-Speichermonitoring
  3. Dirk Uwe Sauer

Sie haben den Monitoringbericht zur KfW-Speicherförderung für die Bundesregierung verfasst. Wie sieht Ihr Fazit aus?

Dirk Uwe Sauer: Erfreulich ist die Anzahl der installierten Systeme im Jahr 2015. Die Gesamtzahl der mit und ohne Fördermittel gebauten Systeme lag wohl bei rund 20.000 Stück, was bedeutet, dass in etwa jede zweite neue Photovoltaikanlage unter 30 Kilowatt mit einem Speicher gebaut worden ist. Insgesamt haben wir im letzten Jahr eine massive Verschiebung hin zu Lithiumbatteriesystemen beobachtet. Zum Programmstart der KfW-Speicherförderung Anfang 2013 wurden noch zwei Drittel Bleibatterien und nur ein Drittel Lithiumsysteme installiert. Dieses Verhältnis änderte sich im vierten Quartal 2015 vollständig: Es wurden rund 90 Prozent Lithiumbatterien installiert.

... weil die Lithiumakkus in den vergangenen Jahren stark im Preis gesunken sind?

Richtig. Wir verzeichnen derzeit einen Preisnachlass von rund einem Fünftel pro Jahr auf Systemebene, das ist enorm. Zum Vergleich: Bleibatteriesysteme sind jährlich nur um rund sieben Prozent günstiger geworden. Die Hersteller bestätigen diesen Trend. Einige der Speichersystemhersteller, die bisher Blebatterien angeboten haben, steigen auf Lithium um oder haben das Angebot entsprechend erweitert. Fakt ist: Aufgrund von Nachteilen bei den Wirkungsgraden und der Lebensdauer müssten Bleibatterien auf dem Markt im Einkauf deutlich günstiger sein, um mit Lithium konkurrieren zu können.

Welche Erkenntnisse haben Sie noch aus dem Monitoring gezogen?

Das Interesse von Investoren für den Speichermarkt hat deutlich zugenommen. Das zeigt sich daran, dass vermehrt internationale Autokonzerne wie beispielsweise Tesla, Daimler und BMW bei Heimspeichern mitmischen. Durch dieses Engagement wird die Qualität der Systeme schnell besser werden. Außerdem handelt es sich bei den Automobilfirmen um Experten, wenn es um die Nutzung von Skaleneffekten in der Produktion geht. Daraus ergeben sich positive Entwicklungen sowohl im Preis als auch in der Qualität. Und wie schon angesprochen, ist die Preisentwicklung für Speichersysteme rasant. Von den 3.000 Euro pro nutzbarer Kilowattstunde Kapazität, die vor drei Jahren aufgerufen wurden, liegen die Preise nun im Mittel bei 1.700 Euro und die günstigsten Systeme bei 1.200 Euro. Ich erwarte, dass die Preise einiger Hersteller bald unter der Schallgrenze von 1.000 Euro pro nutzbarer Kilowattstunde Speicherkapazität liegen. Endkundenpreise wohlgemerkt.

Der sinkende Preis ist ein wichtiger Faktor. Wie ist es um die Qualität der Systeme bestellt?

Bei der Auslegung der Systeme und den Systemwirkungsgraden gibt es noch Luft nach oben. Zum einen ist die richtige Auslegung von Batteriesystemen sehr komplex. Viele Faktoren wie die Leistung der Photovoltaikanlage, der Verbrauch des Haushalts sowie die zeitliche Struktur des Strombedarfs sollten in die Berechnung eingehen. Das alles beeinflusst die Größe des Umrichters. Unsere Berechnungen zeigen, dass meist zwei bis drei Kilowatt Leistung an der Batterieseite des Wechselrichters genügen würden, in der Praxis aber mehr Leistung installiert wurde. Wenn der Umrichter die meiste Zeit nur in relativ kleiner Teillast läuft, senkt das den Wirkungsgrad enorm. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Zeitwertersatzgarantie von zehn Jahren, die aktuell im neuen Förderprogramm gefordert wird. Manche Hersteller empfehlen ihren Kunden, auf die Förderung zu verzichten, auch weil sie dann die zehn Jahre Garantie nicht geben müssen. Davon können wir nur abraten.

Es gilt also, das System intelligenter zu gestalten?

Genau. Beispielsweise regelt ein Energiemanager die Photovoltaikanlage nach den Vorgaben des neuen KfW-Förderprogramms auf 50 Prozent ab. Der Manager muss nun eine intelligente Strategie umsetzen. Das heißt, er sollte nicht gleich morgens, wenn die Sonne aufgeht, anfangen, die Batterie zu laden, sondern erst mal den eigenen Verbrauch abdecken und bis zur erlaubten Leistungsgrenze ins Netz einspeisen. Anhand einer Wetterprognose sollte der Energiemanager aber so agieren, dass der Speicher am Abend vollgeladen ist. Auch diese Potenziale gilt es künftig auszureizen. Es ist aber auch festzustellen, dass es dafür im Markt schon intelligente Lösungen gibt. Auf der anderen Seite gibt es aber auch Systeme, die diese Fördervoraussetzung von einer maximalen Netzeinspeisung ignorieren, was natürlich nicht akzeptiert werden kann. Zur Lebensdauer der Batteriesysteme im Feld lassen sich anhand unserer Daten noch keine Aussagen machen – wir werden uns noch gedulden müssen. Informationen über eine hohe Anzahl an Frühausfällen haben uns aber noch nicht erreicht, was schon mal eine gute Nachricht ist.

Ihre Datenerhebung hinkt dem Markt bis zu neun Monate hinterher. Sind die Lithiumbatterien also doch schon weiter?

Für die Speicher im Monitoring trifft das zu. Mein Institut hat allerdings im Vorfeld für die Förderverlängerung Prognosen für die künftige Preisentwicklung bis 2018 erstellt. Das Fazit lautet: Ein rein auf die Optimierung des Eigenverbrauchs ausgelegter Heimspeicher rechnet sich im normalen Fall für den Endkunden noch nicht. Interessant wird es, wenn ab 2021 immer mehr Photovoltaikanlagen aus der EEG-Förderung nach 20 Jahren rausfallen oder künftig die Anlagen gleich außerhalb des EEG-Regimes errichtet werden. Ich bin aber optimistisch, dass sich mit dem Auslaufen des KfW-Programms Ende 2018 durch die sinkenden Kosten ein selbsttragender Markt entwickelt hat.

Ein Fazit Ihres Monitorings ist, dass eine Photovoltaikanlage ohne Speicher mehr Geld verdient als mit.

Die Betrachtung ist kompliziert: Der Bau einer Photovoltaikanlage mit Speicher kann unter dem Strich wirtschaftlich für den Anlagenbetreiber sein. Ohne Speicher wäre sie aber noch etwas wirtschaftlicher. Damit hat der Speicher für sich eine negative Rendite, ansonsten gäbe es gar kein KfW-Förderprogramm. Im Detail hängt das natürlich von dem konkreten Produkt und dem Anwendungsfall ab.

Die Wirtschaftlichkeit des Speichers ist für Privathaushalte nicht das wichtigste Kriterium, oder?

Das stimmt, aber das gilt aber für viele private Investitionen. Daher kann man unter der andauernden Frage nach der Wirtschaftlichkeit schnell einen wichtigen wachsenden Markt verpassen. Welcher Pkw von mehr als 20.000 Euro wird angeschafft, weil er wirtschaftlich ist? Wer kauft ein Elektrofahrzeug von Tesla oder eine Smartphone von Apple aus Gründen der Wirtschaftlichkeit? Unsere Umfragen bei den Käufern der Systeme haben gezeigt, dass die Motive andere sind: zum Beispiel der Wille, die Energiewende in Deutschland zu unterstützen, und das Interesse an der Technologie selbst.

Sie haben auch die Qualität der ersten Installationen bemängelt. Ist Verbesserung in Sicht?

Die Mängel waren in erster Linie auf die geringe Erfahrung der Installateure mit Speichersystemen zurückzuführen. Bei Blei-Säure-Batterien bedarf es zum Beispiel zwingend einer Abluft, die für einige Installateure Neuland darstellte. Wir konnten beobachten, dass die von uns inspizierten Speichersysteme mittlerweile ein deutlich besseres Gesamtbild abgeben. Dies ist sicher auch auf die von uns öffentlich gemachten Fehlinstallationen zurückzuführen. Sowohl Installateure als auch Speichersystemhersteller haben in den letzten Monaten deutlich hinzugelernt und teilweise ihre Installationskonzepte überdacht. Insgesamt profitieren die Endkunden dadurch von schnelleren und fachgerechteren Installationen.

Andere Probleme sind aber systemisch ...

Ja, beispielsweise wenn Heimspeicher mit dreiphasigen Umrichtern ausgestattet werden, dann hat das zwar Vorteile für die Netzsymmetrie, aber bei kleiner Last liegen die Phasen im starken Teillastbereich. Gerade nachts verbrauchen die Haushalte nur sehr wenig Leistung, und damit arbeiten die Umrichter bei nur wenigen Prozent ihrer Nennleistung. In diesen Arbeitspunkten ist der Wirkungsgrad deutlich reduziert. Vielen Wechselrichterherstellern ist das aus dem Blick geraten. Techniker und Unternehmen, die aus dem Bereich der netzfernen Stromversorgung kommen, kennen diese Probleme. Im kleinen Leistungsbereich müssen die Geräte gut sein. Einige Hersteller haben schnell reagiert und eine Teilphasenabschaltung bei kleinem Leistungsbedarf eingebaut. Auch über modulare Wechselrichter sollte nachgedacht werden. So könnte beispielsweise eine Einheit mit 20, 50 oder 100 Watt den Basisverbrauch mit hohem Wirkungsgrad decken. Wenn mehr Leistung gebraucht wird, kann diese durch zusätzliche Module zugeschaltet werden.

Die eingebaute Leistung hängt natürlich davon ab, was der Betreiber will.

Klar, wenn ein Nutzer sich mal vom Netz wegschalten will, braucht er mehr Leistung. Es ist aber nicht sinnvoll, die Leistung nach dem höchsten Bedarf auszurichten. Diese Spitzen sollten aus dem Netz gedeckt werden, an das der Verbraucher angeschlossen ist. Die konkrete Auslegung hängt immer auch von den regulatorischen Rahmenbedingungen ab. Unter den aktuellen Vorgaben machen kleine Leistungen für den Umrichter deutlich mehr Sinn. Haushalte müssen bis dato nicht extra zahlen, wenn sie eine hohe Leistung aus dem Netz ziehen – bei industriellen Großverbrauchern sieht das anders aus. Nur wenn es gelingt, die Hausspeichersysteme zu poolen und gemeinschaftlich als Speicher zum Beispiel im Primärregelmarkt anzubieten, kann eine Auslegung der Umrichter mit höheren Leistungen unter dem Strich wirtschaftlicher sein.

Viele Experten bemängeln die fehlende Transparenz im Heimspeichermarkt. Können unabhängige Labels dem noch jungen Speichermarkt helfen?

Es gibt schon verschiedene Arbeitskreise, die daran arbeiten. Allerdings existieren sehr verschiedene Interessen. Unterschiedliche Faktoren wie Effizienz, Sicherheit und Lebensdauer müssen bewertet werden. Aber an die Lebensdauer traut sich noch niemand ran. Klar ist, dass die Kunden mehr Transparenz brauchen, denn sie investieren eine Menge Geld in die Systeme. Es war aber wichtig, zuerst mal Produkte auf den Markt zu bringen. Die Garantieverpflichtung im Förderprogramm hilft auf jeden Fall auch, um das Qualitätsbewusstsein zu erhöhen.

Das KIT hat vor zwei Jahren auf die Frage der Sicherheit bei Heimspeichern aufmerksam gemacht. Sind die Risiken gebannt?

Fragen der Sicherheit sind immer relativ. Jede Batterie und auch jeder Pkw sind brennbar. Eine 100-prozentige Sicherheit gibt es nicht. Man muss also definieren, was als sicher gelten soll. Aber das Risiko steigt schnell, wenn qualitativ schlechte Zellen eingebaut werden. Für die Sicherheit wäre ein Label hilfreich. Zur Einführung der KfW-Förderung hatten wir vorgeschlagen, dass die Batterie mit einer Police geliefert werden muss. Die Ansprüche des Nutzers bestehen dann nicht gegenüber dem Hersteller, sondern gegenüber einer Versicherung. Denn viele der neuen Batteriehersteller wird es in einigen Jahren nicht mehr geben. Und Versicherer wissen, wie sie das Risiko bewerten und entsprechend einpreisen. Das Verfahren ist aber aufwendig, und gerade Lebensdauertests sind langwierig und teuer. Aus diesem Grund wurde von so einem Verfahren bislang Abstand genommen.

Warum ist die Qualität der Batterien in einer Reihe von Pedelecs deutlich schlechter als bei Akkus in Elektrofahrzeugen?

Das liegt an den sehr hohen Sicherheitsstandards in der Automobilindustrie. Durch die Autohersteller, die jetzt auch in den Markt stationärer Batterien einsteigen, werden diese Standards auch in dem Markt der Hausspeicher gelangen.

Am Ende des Batterielebens steht die Entsorgung. Hat die Bleibatterie aufgrund der bereits existierenden Recyclingroutine Vorteile?

Die Bleibatterie hat bereits einen etablierten Recyclingprozess mit einer Wiederverwendungsquote von rund 99 Prozent. Kurzum: Aus einer Bleibatterie wird also wieder eine Bleibatterie. Bei Lithiumakkus liegt die Quote heute nur bei rund 50 Prozent des Materials. Und so viel Luft nach oben gibt es nicht, weil viele Bestandteile organische Materialien sind wie Separatoren, Elektrolyte und Kohlenstoffe. Der Markt und die Wirtschaftlichkeit für das Recycling hängen stark von den Preisen der Rohmaterialien ab. Lithium ist derzeit zu günstig und wird noch nicht recycelt. Vor allem die metallischen Bestandteile wie Kupfer, Aluminium, Kobalt, Nickel oder Mangan holt man dagegen heute wieder aus den Akkus.

Lassen Sie uns noch einmal über die Effizienz der Speichersysteme sprechen. Viele verbrauchen auch im Stand-by-Betrieb Strom. Was macht das aus?

Das kann mehrere Hundert Kilowattstunden im Jahr ausmachen. Der Stand-by-Verbrauch spiegelt sich auch in den geringen Wirkungsgraden der Umrichter bei kleinen Leistungen wider. Das Bewusstsein für Energieeffizienz muss bei einigen Herstellern noch wachsen. Aber auch bei den frühen Photovoltaikanlagen liefen teilweise die Wechselrichter die ganze Nacht über, und am nächsten Tag wunderte sich der Betreiber über negative Vorzeichen bei der Stromproduktion. Heute ist das meist kein Thema mehr.

Welche Trends zeichnen sich beim Batteriemanagementsystem ab?

Der Trend bei den Hausspeichern geht eindeutig dahin, ohne aktive Kühlung auszukommen. Dadurch sinken die Kosten für das System. Denn der Preisdruck bei den Herstellern nimmt immer mehr zu. Künftig werden die Balancing-Systeme auch mehr Monitoringaufgaben übernehmen und beispielsweise prüfen, ob Kabel schadhaft sind und so Zellen ausfallen können. Damit können Zuverlässigkeit, Selbstdiagnosefähigkeit und Sicherheit weiter erhöht werden. Aber viele dieser Entwicklungen sind derzeit noch Forschungsarbeiten und nicht am Markt erhältlich.

Welche Rolle spielt das Energiemanagementsystem?

Das Energiemanagement hat die Aufgabe, unter Einhaltung der regulatorischen Vorgaben, wie der Begrenzung der solaren Einspeiseleistung auf 50 Prozent der Spitzenleistung, den optimalen wirtschaftlichen Ertrag für den Anlagenbesitzer zu erzielen. Optimal ist der Betrieb, wenn möglichst wenig Energie abgeregelt wird, am Ende des Tages die Batterie möglichst voll ist und am Vormittag, wenn wieder ausreichend Solarenergie zur Verfügung steht, die Batterie möglichst leer ist und der Bezug aus dem Stromnetz so weit wie möglich vermieden wird. Dazu sind intelligente Algorithmen im Energiemanagement nötig, die sowohl den Ertrag für die Solaranlage als auch den Verbrauch vorhersagen.

Was bedeutet die Abregelung der Solarstromleistung auf 50 Prozent konkret in Stromverlusten?

Wenn die gesamte Leistung über 50 Prozent abgeregelt werden würde, würden etwa zwölf Prozent des solaren Stroms nicht erzeugt werden. Der Wert schwankt etwas – je nach Standort und Hausstromverbrauchsprofil. Mit intelligenten Managementsystemen inklusive guten Wettervorhersagen ließe sich dieser Wert aber auf drei Prozent Verluste oder sogar noch weniger begrenzen.

Das Interview führte Niels Hendrik Petersen.

Literatur

Fussnoten

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