photovoltaik Ausgabe: 03-2017

Gläserner Strompuffer


Bei den Stromspeichern gehört die laufende Betriebsüberwachung per Internet und App zum Standard.

Bei den Stromspeichern gehört die laufende Betriebsüberwachung per Internet und App zum Standard.

Solarbatterien — Stromspeicher brauchen eine Fernüberwachung, um Störungen zu melden und Fehler zu beheben. Aber vor allem, um die Effizienz der Systeme zu überprüfen. Denn die Hersteller versprechen viel, und die Kunden sind skeptisch. Heiko Schwarzburger

Einen Fehler hat die Speicherbranche nicht wiederholt, an dem die Photovoltaik zu kauen hat: Schon in der Anlaufphase dieses Marktes wurden die Speicherbatterien mit Internetanschluss und Fernüberwachung ausgeliefert.

Faktisch gibt es draußen nur sehr wenige Stromspeicher, die nicht über einen Datenlogger angesteuert werden können.

Zehntausende Testfälle im Feld

Das hilft bei Störungen. Das hilft aber auch, die Effizienz der Batterien laufend zu überprüfen. Denn die Hersteller gehen mit hohen Wirkungsgraden und Zyklenzahlen in die Werbung. Die werden in der Praxis aber entweder nicht erreicht oder spielen kaum eine Rolle, wenn der Betrieb wirtschaftlich sein soll.

Somit ist jeder neu installierte Speicher für die Installateure und ihre Kunden ein Testfall, ob die Systeme halten, was ihre Produzenten versprechen. Ehrlich währt am längsten, das hilft den Installateuren auch im Vertrieb.

„Die Hersteller geben gern einen Wirkungsgrad von 98 Prozent auf ihren Datenblättern an“, nennt Kai-Philipp Kairies ein Beispiel. Der Forscher aus Aachen ist ein Experte, denn er überwacht 20 Heimspeicher im gesamten Bundesgebiet. Das Forschungsprojekt läuft bis zum Sommer, im Juli soll die Auswertung kommen. Denn für den tatsächlichen Wirkungsgrad eines Speichers im laufenden Betrieb vor Ort spielt der maximale Wirkungsgrad kaum eine Rolle. „Er wird vielleicht an drei Tagen im Jahr voll ausgenutzt“, urteilt Kairies.

Zwischen 200 und 250 Zyklen im Jahr

Insgesamt 64 Messwerte erheben die Wissenschaftler von jedem Speicher. Pro Tag laufen 120 Millionen Daten ein. Schon jetzt sind Resultate erkennbar. Stichwort Ladezyklen: „Die meisten der von uns ausgemessenen Systeme bewegen sich zwischen 200 und 250 Zyklen im Jahr“, erläutert Kairies. „Sehr kleine Speicher – etwa zwei Kilowattstunden mit sechs Kilowatt Photovoltaik gekoppelt – kommen auf 300 bis 320 Ladezyklen. Sehr große Speicher weisen 150 Zyklen auf. 100 Zyklen habe ich noch nicht gesehen.“

Bei den ausgewählten Haushalten, die an den Messungen teilnehmen, wurden sehr verschiedene Lastprofile sichtbar. „Wir haben einen Zwei-Personen-Haushalt dabei, der im Jahr acht Megawattstunden Strom verbraucht“, sagt er. „Das sind Architekten mit aufwendiger IT, Druckern und Plottern. Wir haben einige Haushalte, die Elektroautos fahren.“

Und er fand in den Testhaushalten eine ganz neue Konstellation: „Photovoltaik, Stromspeicher und Modelleisenbahn, die auch viel Strom braucht.“

Für eine professionelle Betriebsüberwachung der Speichersysteme plädiert auch Nina Munzke, Wissenschaftlerin am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Dort laufen seit Oktober 2015 insgesamt 16 Heimspeicher auf den Prüfständen. Die Systeme wurden frei am Markt eingekauft, allesamt Lithium-Ionen-Speicher.

16 Heimspeicher auf dem Prüfstand

Bisher liegen Ergebnisse von neun Speichern vor. Die Lastdaten wurden der VDI 4655 entnommen: 4.200 Kilowattstunden Stromverbrauch im Jahr, dazu 3,2 Kilowatt Photovoltaik auf dem Dach und Speicher mit zwei bis sechs Kilowattstunden Nettokapazität. „Allein die Batteriewirkungsgrade schwanken erheblich zwischen 80 und 98 Prozent“, erläutert sie. „Im Systemwirkungsgrad versuchen wir, alle Verluste zu erfassen.“

Das sind neben den Verlusten in der Batterie die Verluste durch die Leistungselektronik (DC-Wandler oder Batteriewechselrichter) und der Verbrauch im Stand-by. „Da ergeben sich bei Nennleistung und bei Teilleistung erhebliche Unterschiede. Vor allem die Leistung beim Laden und Entladen wirkt sich stark auf die Verluste und damit auf die Effizienz der Systeme aus.“

Bei den Tests offenbarte sich, dass die Entladeleistung in Eigenheimen meist unter einem Kilowatt liegt. Nur selten werden höhere Leistungen abgerufen. Wenn die Entladeleistung nur 500 Watt beträgt, unterscheiden sich die Wirkungsgrade der einzelnen Systeme um immerhin 15 Prozent.

Teillast viel wichtiger als Nennleistung

Interessant sind die Verluste zwischen Laden, Speichern und Entladen. Sie kennzeichnen die Qualität der Leistungselektronik – Batteriewechselrichter bei AC-Systemen oder Laderegler (Hochsetzsteller, Tiefsetzsteller) bei DC-Systemen. Dort variierten die Wirkungsgrade von 70 bis 90 Prozent – wenn man von den Maximalwirkungsgraden ausgeht. „Bei Teilleistung klaffen die Unterschiede noch größer“, sagt Munzke.

Definitiv klar ist bereits jetzt, wenn auch wenig überraschend: Je höher die elektrische Leistung im System, desto niedriger ist sein Wirkungsgrad.

Stand-by als Stromfresser

Auch der Stromverbrauch zur Systemerhaltung im Stand-by ist unterschiedlich gelöst. „Einige Systeme haben fast keinen Stand-by-Verbrauch, andere einen sehr hohen Strombedarf“, meint die Forscherin. „Der Stand-by-Strom wird entweder aus der Batterie oder aus dem Netz gedeckt. Dann entlädt sich die Batterie, auch wenn keine Last am Speicher anliegt.“

Bei einem Eigenstrombedarf von 41 Watt summieren sich die Stromkosten je nach Stand-by-Bedarf auf zwei bis 61 Euro im Jahr – wenn der Speicherkunde den Strom aus dem Netz bezieht.

Ganz wichtig ist zudem, wie schnell ein Speicher auf Lastanforderungen aus der Hausversorgung reagiert. „Manche Systeme sind schnell, da reagiert das System innerhalb von einer Sekunde“, berichtet Nina Munzke. „Andere brauchen 20 oder gar bis zu 70 Sekunden, um sich auf die neuen Anforderungen einzuschwingen.“

Das muss nicht unbedingt nachteilig sein, weil die trägen Speicher sehr kurzfristige Lastspitzen einfach durchfahren. In der Summe sind träge Speicher aber weniger effizient, die Betriebskosten aufgrund der Regelverluste erreichen bis zu 40 Euro im Jahr.

Rechnet man alle Verluste zusammen, kann man die Speicher auch bezüglich ihrer ökonomischen Qualität bewerten: Gute Speicher kosten 50 Euro im Jahr, schlechte Speicher verschlingen eher 200 Euro – zusätzlich zur Investition und Installation.

Speicher haben zu wenig Intelligenz

Munzke moniert, dass nur 30 Prozent der Speicher über intelligente Ladestrategien verfügen, die sowohl das Netz vor Einspeisespitzen als auch die Batterie vor Leistungsspitzen schonen. Sie beginnen nicht mit dem Ladevorgang, sobald die Solaranlage einen Überschussstrom meldet. Sondern sie verteilen die Einspeisung über den Tag, damit der Speicher am Abend möglichst voll ist und den Nutzer durch die Nacht bringen kann.

70 Prozent der Speicher haben diese Intelligenz nicht. Sie beginnen mit der Aufladung, sobald die Sonne scheint und die Solarmodule stromen. Wichtig ist natürlich, dass die Batteriesteuerung mit dem Energiemanager agiert. Denn er muss die Ströme vom Dach zunächst in den Direktverbrauch schicken, etwa in sommerliche Kühlung oder ins warme Trinkwasser.

Tjarko Tjaden von der Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) in Berlin schlägt vor, die Effizienz der Speichersysteme mit Simulationen zu ermitteln. Das ist ungefähr so, als würde man die Abgaswerte eines Dieselautos im Computer ermitteln und nicht mehr auf dem Prüfstand.

So sieht es auch der neue Effizienzleitfaden der Speicherbranche vor. Allerdings ist das Papier eher eine akademische Abhandlung als ein handfester Beitrag zu mehr Transparenz für die Installateure und ihre Kunden. Immerhin, es ist ein Anfang.

Effizienz vergleichbar machen

Besser wären freilich standardisierte Testroutinen, mit denen unabhängige Institute die Effizienz der einzelnen Speicher zertifizieren können.

Darin müssten Daten aus der Anwendung einfließen, was wiederum dafür spricht, die Monitoringdaten der Hersteller von ihren Systemen draußen bei den Kunden zu nutzen – natürlich anonymisiert und normiert.

Ein guter Ansatz ist es, den AC-Systemnutzungsgrad eines Speichers zu ermitteln: Wie viel AC-Energie stecke ich rein, wie viel bekomme ich raus? Das lässt sich für ideale (verlustfreie) Systeme ermitteln und mit realen Betriebsdaten oder Simulationen für verlustbehafteten Betrieb abgleichen.

SPI: System Performance Index

Daraus ließe sich direkt der ökonomische Vorteil eines Speichers (Einsparung beim Strombezug aus dem Netz) in Euro beziffern – auch gegenüber Photovoltaik ohne Speicher. Tjaden bezeichnet den neuen Parameter als System Performance Index (SPI).

Wie effizient die Speicher wirklich sind, wird die Installateure, ihre Kunden, die Hersteller und die Forscher weiter beschäftigen. Basis ist die lückenlose Betriebsüberwachung der Batterien. Nur sie wird erweisen, wie nützlich die installierten Systeme im Feld sind.

Literatur

Fussnoten

  • Fachgerechte Installation einer Powerwall von Tesla im Eigenheim.

Foto: HS

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