Batteriespeicher (PV-Speicher) erklärt

Die Energiewelt befindet sich im Wandel, und Batteriespeicher spielen eine zentrale Rolle in dieser Transformation. Mit dem steigenden Anteil erneuerbarer Energien wie Photovoltaik (PV) wird die effiziente Speicherung von Energie immer wichtiger. Batterien ermöglichen es, überschüssigen Strom zu speichern und bei Bedarf wieder abzurufen, was nicht nur die Unabhängigkeit von externen Stromquellen erhöht, sondern auch Kosten spart und die Umwelt schont.

In der Industrie tragen Batteriespeicher dazu bei, Betriebskosten zu senken und die Energieversorgung zu sichern. Sie ermöglichen eine Optimierung des Eigenverbrauchs, reduzieren Lastspitzen und bieten eine zuverlässige Notstromversorgung. Für Unternehmen, die große Mengen an Energie benötigen, sind Batteriespeicher ein Schlüssel zu mehr Effizienz und Nachhaltigkeit.

Auch im privaten Bereich gewinnen Batteriespeicher zunehmend an Bedeutung. Haushalte die über eine Solaranlage mit Speicher verfügen können durch die Speicherung von Solarstrom ihren Eigenverbrauch maximieren und sich unabhängiger vom Stromnetz machen. Dies führt nicht nur zu einer Reduzierung der Stromkosten, sondern auch zu einer erhöhten Versorgungssicherheit.

Batteriespeicher sind in verschiedenen Technologien erhältlich, die jeweils spezifische Eigenschaften und Anwendungsbereiche haben. Die Auswahl des richtigen Batterietyps hängt von mehreren Faktoren ab, einschließlich der geplanten Anwendung, Kosten, Lebensdauer und Leistungsanforderungen.

Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien sind die am häufigsten verwendeten Batterietypen für Energiespeicheranwendungen, sowohl im industriellen als auch im privaten Bereich. Sie bieten eine hohe Energiedichte, was bedeutet, dass sie viel Energie auf kleinem Raum speichern können. Diese Batterien haben eine lange Lebensdauer und sind sehr effizient, mit Wirkungsgraden von bis zu 95%. Ein weiterer Vorteil ist ihre hohe Zyklenfestigkeit; sie können viele Lade- und Entladezyklen durchlaufen, bevor ihre Kapazität signifikant abnimmt.

Blei-Säure-Batterien

Blei-Säure-Batterien sind eine bewährte Technologie, die seit vielen Jahren in verschiedenen Anwendungen eingesetzt wird. Sie sind kostengünstiger als Lithium-Ionen-Batterien, haben jedoch eine geringere Energiedichte und eine kürzere Lebensdauer. Diese Batterien sind weniger effizient, mit Wirkungsgraden zwischen 70% und 85%. Es gibt zwei Haupttypen von Blei-Säure-Batterien: geschlossene und offene Systeme. Geschlossene Systeme (VRLA) sind wartungsfrei, während offene Systeme regelmäßig Wasser nachgefüllt werden müssen.

Redox-Flow-Batterien

Redox-Flow-Batterien (RFB) sind eine vielversprechende Technologie für großflächige Energiespeicheranwendungen. In diesen Batterien wird die Energie in flüssigen Elektrolyten gespeichert, die in externen Tanks gelagert und durch eine Zelle gepumpt werden, um Energie zu speichern oder freizugeben. Redox-Flow-Batterien zeichnen sich durch eine flexible Skalierbarkeit aus, da die Speicherkapazität einfach durch Hinzufügen von mehr Elektrolyt erhöht werden kann.

Nickel-Cadmium (NiCd) und Nickel-Metallhydrid (NiMH) Batterien

Nickel-Cadmium-Batterien (NiCd) sind für ihre Robustheit und Zuverlässigkeit bekannt. Sie haben eine moderate Energiedichte und können in einem weiten Temperaturbereich betrieben werden. NiCd-Batterien haben eine gute Zyklenfestigkeit, sind jedoch aufgrund ihrer umweltbelastenden Cadmiumkomponente weniger umweltfreundlich.

Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH) bieten eine höhere Energiedichte als NiCd-Batterien und sind umweltfreundlicher, da sie kein Cadmium enthalten. Sie haben jedoch eine kürzere Lebensdauer und geringere Zyklenfestigkeit im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien.

Festkörperbatterien

Festkörperbatterien sind eine aufstrebende Technologie, die flüssige Elektrolyte durch feste Materialien ersetzt. Diese Batterien versprechen eine höhere Energiedichte, mehr Sicherheit und eine längere Lebensdauer. Obwohl sie sich noch in der Entwicklungsphase befinden, haben Festkörperbatterien das Potenzial, die zukünftige Energiespeicherung zu revolutionieren.

Batterietypen und deren Anwendungen im Überblick

Batteriespeicher spielen eine entscheidende Rolle in der modernen Energieversorgung und bieten zahlreiche Vorteile, die sowohl für private Haushalte als auch für industrielle Anwendungen von großer Bedeutung sind. Die wichtigsten Vorteile von Batteriespeichern lassen sich in den folgenden Punkten zusammenfassen:

Erhöhung der Energieunabhängigkeit

Batteriespeicher ermöglichen es, überschüssigen Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie Photovoltaik (PV) oder Windkraft zu speichern und bei Bedarf wieder abzurufen. Dies erhöht die Unabhängigkeit vom öffentlichen Stromnetz und reduziert die Abhängigkeit von Energieversorgern. Für private Haushalte bedeutet dies, dass sie einen größeren Anteil ihres eigenen Solarstroms nutzen können, anstatt ihn ins Netz einzuspeisen. In der Industrie hilft dies, die Betriebskosten zu senken und die Versorgungssicherheit zu erhöhen.

Kostenersparnis durch Eigenverbrauchsoptimierung

Durch die Speicherung und den gezielten Einsatz von selbst erzeugtem Strom können Haushalte und Unternehmen ihre Stromkosten erheblich senken. Der Eigenverbrauch wird maximiert, indem der gespeicherte Strom zu Zeiten genutzt wird, in denen keine oder nur wenig Energie erzeugt wird (z.B. nachts oder bei bewölktem Wetter). Dies reduziert die Menge des aus dem Netz bezogenen Stroms und spart Geld. Darüber hinaus können Unternehmen durch den Einsatz von Batteriespeichern Lastspitzen kappen und so zusätzliche Gebühren vermeiden.

Notstromversorgung

Batteriespeicher bieten eine zuverlässige Notstromversorgung bei Stromausfällen. Für Haushalte bedeutet dies, dass wichtige Geräte wie Kühlschränke, Heizungen und Beleuchtung weiterhin betrieben werden können. In der Industrie können Produktionsausfälle vermieden und kritische Prozesse aufrechterhalten werden. Diese Notstromfunktion ist besonders in Regionen mit instabilen Stromnetzen von großem Vorteil.

Beitrag zur Netzstabilität

Durch die Zwischenspeicherung von Energie tragen Batteriespeicher zur Stabilisierung des Stromnetzes bei. Sie können dazu beitragen, Lastspitzen abzufedern und die Netzfrequenz zu stabilisieren, indem sie überschüssige Energie aufnehmen und bei Bedarf wieder abgeben. Dies ist besonders wichtig, da der Anteil der erneuerbaren Energien am Energiemix weiter steigt und die Schwankungen in der Stromerzeugung zunehmen. Batteriespeicher unterstützen somit die Integration von erneuerbaren Energien und fördern die Netzstabilität.

Umweltfreundlichkeit und Reduzierung von CO2-Emissionen

Batteriespeicher unterstützen die Nutzung von erneuerbaren Energien und tragen so zur Reduzierung von CO2-Emissionen bei. Indem sie den Eigenverbrauch von Solar- oder Windstrom erhöhen, verringern sie den Bedarf an fossilen Brennstoffen zur Stromerzeugung. Dies führt zu einer saubereren Energieversorgung und trägt zum Klimaschutz bei. Für Unternehmen bedeutet dies nicht nur ökologische Vorteile, sondern auch die Erfüllung von Nachhaltigkeitszielen und eine verbesserte Umweltbilanz.

Verbesserte Energiemanagementsysteme

Batteriespeicher ermöglichen die Implementierung fortschrittlicher Energiemanagementsysteme. Durch die Kombination von Speicherlösungen mit intelligenten Steuerungssystemen können Haushalte und Unternehmen ihren Energieverbrauch optimieren. Diese Systeme können den Energiefluss in Echtzeit überwachen und steuern, um den Energieverbrauch zu minimieren und die Effizienz zu maximieren. Dies führt zu einer besseren Ausnutzung der verfügbaren Ressourcen und weiteren Kosteneinsparungen.

Flexibilität und Anpassungsfähigkeit

Batteriespeicher sind flexibel einsetzbar und lassen sich leicht an unterschiedliche Anforderungen anpassen. Sie können in verschiedenen Größen und Kapazitäten installiert werden, um den spezifischen Bedarf von Haushalten oder Unternehmen zu decken. Darüber hinaus lassen sich Batteriespeichersysteme problemlos erweitern, wenn der Energiebedarf steigt oder zusätzliche erneuerbare Energiequellen integriert werden sollen.

Anwendungsbereiche

Fabriken und Produktionsanlagen: Hier dienen sie zur Optimierung des Energieverbrauchs, indem sie Lastspitzen kappen und so die Stromkosten senken. Sie helfen auch, Produktionsprozesse bei Stromausfällen aufrechtzuerhalten.

Lagerhäuser und Logistikzentren: Durch die Speicherung von überschüssigem Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie PV-Anlagen kann die Energieversorgung unabhängig vom Netzbetrieb sichergestellt werden.

Große Bürogebäude und Rechenzentren: Batteriespeicher bieten Notstromversorgung und unterstützen das Energiemanagement, indem sie den Eigenverbrauch von vor Ort erzeugtem Strom maximieren.

Zwischenspeicher für Freiflächen-Photovoltaik: Große Freiflächen-PV-Anlagen können durch einen Batteriespeicher überschüssige Energie direkt am Ort der Erzeugung zwischenspeichern und bei geringerer Stromproduktion durch PV an das Netz abgeben.

Praxisbeispiele für Industriespeicher

Tesla Gigafactory: Tesla nutzt große Lithium-Ionen-Batteriespeicher, um die Energieversorgung der Produktionsanlagen zu sichern und die Integration von Solarstrom zu ermöglichen.

Siemens: Siemens hat in mehreren seiner Produktionsstätten Batteriespeicher installiert, um den Eigenverbrauch von Solarstrom zu maximieren und Lastspitzen zu reduzieren.

Google Rechenzentren: Google setzt Batteriespeicher ein, um die Stromversorgung seiner Rechenzentren zu stabilisieren und die Nutzung von erneuerbaren Energien zu maximieren.

Hornsdale Power Reserve: In Südaustralien werden Batteriespeicher mit einer Netto-Speicherkapazität von 150 MWh direkt neben einem Freiflächen-Solarpark eingesetzt, um einen Teil der gewonnenen Energie zwischenzuspeichern.

Einige der wichtigsten Faktoren, die zu den Kosten von Solarbatterien beitragen, sind die chemischen Materialien, aus denen die Batterie besteht, der Lebenszyklus der Batterie, die Speicherkapazität und die nutzbare Kapazität. Tendenziell werden Batteriespeicherlösungen, bezogen auf die kWh, günstiger, je höher die Kapazität ist.

Für Heimspeicher mit einer Kapazität von 10kWh werden je nach Hersteller und Region zwischen 500 und 1.000 € pro kWh fällig. Der Speicher inklusive Installation kostet Eigenheimbesitzer also zwischen 5.000 und 10.000 Euro.

Industriespeicher mit deutlich höheren Kapazitäten liegen bei etwa 400 bis 700 € pro speicherbarer kWh. Somit entstehen für ein 1-MWh-Speichersystem kosten in Höhe von 400.000 bis 700.000 Euro.

Viele Länder, einschließlich Deutschland, Österreich und der Schweiz, bieten staatliche Förderprogramme und Anreize, um die Einführung von Energiespeichersystemen zu unterstützen. Diese Programme zielen darauf ab, die Anfangsinvestitionen zu reduzieren und die Rentabilität solcher Projekte zu verbessern. Fördermöglichkeiten werden in Form von Zuschüssen, Steuervergünstigungen, zinsgünstigen Krediten und speziellen Ausschreibungen bereitgestellt.

In Deutschland ist die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) eine zentrale Anlaufstelle für Zuschüsse und zinsgünstige Kredite. Die KfW bietet spezielle Programme für die Förderung von Energiespeichersystemen in Verbindung mit erneuerbaren Energien an. Diese Zuschüsse müssen nicht zurückgezahlt werden und können die Anfangsinvestitionskosten erheblich senken. Dadurch wird die Amortisationszeit deutlich verbessert, was die Investition in Batteriespeicher attraktiver macht.

Steuervergünstigungen sind ein weiteres wichtiges Instrument, um die Einführung von Energiespeichern zu fördern. In Deutschland können Unternehmen beispielsweise von Sonderabschreibungen profitieren, die die steuerliche Belastung mindern und die Rentabilität der Investition erhöhen. Auch in Österreich gibt es ähnliche steuerliche Anreize. Unternehmen können Investitionen in Energiespeichersysteme steuerlich geltend machen, was die Gesamtkosten der Investition senkt und die finanziellen Vorteile maximiert.

Zinsgünstige Kredite sind eine weitere attraktive Finanzierungsoption. In Deutschland und Österreich bieten verschiedene Programme zinsgünstige Darlehen für nachhaltige Energieprojekte an. Diese Kredite erleichtern den Zugang zu Kapital und reduzieren die Finanzierungskosten. In der Schweiz stellt die Eidgenössische Finanzverwaltung ähnliche zinsgünstige Kreditprogramme zur Verfügung, die speziell für die Förderung erneuerbarer Energien und Energiespeichersysteme konzipiert sind.

Insgesamt bieten die Förderprogramme und Anreize in Deutschland, Österreich und der Schweiz zahlreiche Möglichkeiten, die Einführung von Energiespeichersystemen finanziell zu unterstützen. Diese Maßnahmen tragen wesentlich dazu bei, die Investitionskosten zu senken, die Rentabilität zu steigern und die Nutzung erneuerbarer Energien voranzutreiben.

Um die Eignung eines Batteriespeichersystems zu beurteilen, ist es wichtig, einige seiner Merkmale zu kennen:

• Energiekapazität (die maximal in der Batterie speicherbare Energiemenge), ausgedrückt in Kilowattstunden (kWh) oder Megawattstunden (MWh), je nach Größe der Batterie
• Leistungskapazität (die gesamte potenzielle Entladekapazität eines Batteriespeichersystems, ausgedrückt in Kilowatt (kW) oder in Megawatt (MW))
• Speicherdauer (die Zeit, die der Speicher zum Entladen benötigt)
• Zykluslebensdauer (Anzahl der Zyklen, in denen das System regelmäßige Lade- und Entladevorgänge durchführen kann, bevor die Batteriechemie versagt).

Die Dimensionierung eines Speichersystems ist entscheidend für die Lebensdauer und Haltbarkeit der Batterien. Eine Überdimensionierung eines Speichersystems ist kontraproduktiv. Um die erforderliche Speicherkapazität zu berechnen, muss man entweder den Verbrauch schätzen oder messen.

Nehmen wir zum Beispiel an, dass der jährliche Stromverbrauch 6 MWh (6000 kWh) beträgt und dass die geplante Photovoltaikanlage diese Energiemenge erzeugen muss. Wir wissen, dass eine Photovoltaikanlage mit einem guten Speichersystem den Energiebedarf bis zu 90 % decken kann.

Im Durchschnitt beträgt der Direktverbrauch von Photovoltaik 30 % der Energie, in diesem Fall 1800 kWh (30 % von 6 MWh). Die restlichen 60 % (90-30 %) können durch ein Speichersystem gedeckt werden. Daher wird ein Speichersystem benötigt, das mindestens 3600 kWh (60 % von 6000 kWh) pro Jahr liefern kann.

Um die tatsächliche Kapazität der zu installierenden Batterien zu verstehen, muss die Anzahl der vollständigen Lade- und Entladezyklen in einem Jahr berücksichtigt werden. Statistisch gesehen sind dies 320 Zyklen pro Jahr. Es bleibt also nichts anderes übrig, als die 3600 kWh durch 320 Zyklen zu dividieren. Das Ergebnis ist, dass die ungefähre Kapazität der Photovoltaik-Batterie 11,25 kWh beträgt. Um auf der sicheren Seite zu sein und einen eventuellen weiteren zukünftigen Verbrauch zu decken, wird eine Batterie mit einer etwas höheren Kapazität (z. B. 12–14 kWh) gewählt.

Um die beste Leistung zu erbringen, benötigen Batterien immer einen Raum mit sehr spezifischen Eigenschaften. Obwohl eine Unterbringung in Innenräumen immer vorzuziehen ist, ist eine Lösung im Freien möglich, wenn es keine Alternativen gibt. Der Raum muss eine für das Volumen der Akkumulatoren geeignete Größe haben, gut belüftet und gleichzeitig vor dem Eindringen von Insekten, Regenwasser, Schnee usw. geschützt sein. Er muss gegen extreme Temperaturen isoliert sein. Bei normaler Aufladung und erst recht bei Überladung geben die Batterien Wasserstoff und Sauerstoff ab, die in die Atmosphäre entweichen. Befindet sich das Speichersystem in einer geschlossenen Umgebung, kann sich ein explosives Gemisch bilden, wenn die Wasserstoffkonzentration in der Luft 4 Volumenprozent übersteigt, daher muss für eine angemessene Belüftung gesorgt werden.