Solarmodule erzeugen Strom, wenn Sonnenlicht vorhanden ist. Die Solarstromproduktion deckt jedoch nicht immer den Strombedarf. Ein leistungsstarker Solarspeicher löst dieses Problem, indem er überschüssige Solarenergie speichert und später zur Verfügung stellt, beispielsweise nachts, bei geringer Sonneneinstrahlung oder bei Stromausfall.
Aber wie funktioniert eine Solarbatterie in Verbindung mit Solarmodulen und einem Wechselrichter?
In einem typischen Solar-Speicher-System erzeugen Solarmodule Gleichstrom, der Wechselrichter wandelt diesen um und speichert überschüssige Energie in der Batterie. Die genaue Funktionsweise dieser Komponenten hängt davon ab, ob es sich um ein netzgekoppeltes, netzunabhängiges oder hybrides System handelt und wie es konfiguriert ist.
1. Die zentralen Thesen
- Solarmodule wandeln Sonnenlicht in Gleichstrom um.
- A Solar Inverter wandelt Strom um und verwaltet ihn für die Verbraucher, die Batterie und gegebenenfalls das Stromnetz.
- Eine Solarbatterie speichert überschüssige Solarenergie zur Nutzung, wenn die Solarstromproduktion nicht ausreicht.
- Hybrid- und netzunabhängige Wechselrichter können den Energiefluss zwischen Solarmodulen, Batterien, Verbrauchern und dem Stromnetz steuern.
- LiFePO4-Batterien werden aufgrund ihrer langen Lebensdauer, hohen nutzbaren Kapazität und guten thermischen Stabilität häufig für die Solarspeicherung eingesetzt.
- Moderne LiFePO4-Batterien erreichen unter festgelegten Betriebsbedingungen mehr als 6,000 Lade- und Entladezyklen.
- Entladungstiefe (DoD) bestimmt, wie viel von der Nennkapazität einer Batterie genutzt werden kann.
- Batterie und Wechselrichter müssen hinsichtlich Spannung, Leistung, Lade- und Entladegrenzen sowie Kommunikationskompatibilität optimal aufeinander abgestimmt sein.
- Ein fachgerecht konzipiertes Hybrid-Solarsystem kann, sofern es vom Wechselrichter und der Backup-Konfiguration unterstützt wird, bei Stromausfällen oder Spannungseinbrüchen als Notstromversorgung dienen.
2. Haupttypen von SPS
Bevor man versteht, wie eine Solarbatterie funktioniert, ist es hilfreich, die drei Haupttypen von Solarenergiesystemen – netzgekoppelte, netzunabhängige und hybride Systeme – sowie die Rolle der Netzeinspeisung in netzgekoppelten Systemen zu verstehen.
2.1. On-Grid-Solarsystem
Eine netzgekoppelte Solaranlage ist an das öffentliche Stromnetz angeschlossen. Solarmodule erzeugen tagsüber Strom, der vom Wechselrichter in Wechselstrom für Haushalts- oder Gewerbeverbraucher umgewandelt wird.
Wenn die Solarstromproduktion den Strombedarf des Gebäudes übersteigt, kann der Überschuss in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden. In Regionen mit Netzeinspeisungsprogrammen oder ähnlichen Regelungen kann die eingespeiste Energie gemäß den Bestimmungen des örtlichen Energieversorgers vergütet werden.
Wenn die Solarstromproduktion nicht ausreicht, kann Strom aus dem Stromnetz bezogen werden, um den Bedarf des Gebäudes zu decken.
Herkömmliche netzgekoppelte Systeme benötigen in der Regel keine Batterie, da das Stromnetz die Stromversorgung sicherstellen kann, wenn die Solarstromerzeugung nicht ausreicht. Ein Standard-Netzsystem ohne Batteriespeicher kann jedoch typischerweise die Verbraucher bei einem Netzausfall oder einer Spannungseinbruchrate nicht weiter mit Strom versorgen.
2.2. Off-Grid-Solarsystem
Ein netzunabhängiges Solarsystem arbeitet unabhängig vom öffentlichen Stromnetz. Es wird häufig in abgelegenen Gebieten eingesetzt, in denen kein oder nur unzuverlässiger Strom aus dem Netz verfügbar ist.
Da es nach Sonnenuntergang oder in Zeiten geringer Sonneneinstrahlung kein Stromnetz gibt, benötigt ein netzunabhängiges System normalerweise Solarpaneele, Batterien und einen Wechselrichter.
Die Batterie speichert die bei guter Sonneneinstrahlung erzeugte Energie und liefert Strom, wenn die Solarpaneele nicht genügend Energie erzeugen können.
Für Standorte ohne zuverlässigen Netzanschluss kann eine entsprechend dimensionierte netzunabhängige Solaranlage eine unabhängigere Stromquelle darstellen.
2.3. Hybrides Solarsystem
Ein hybrides Solarsystem kombiniert Solarmodule, Batteriespeicher, einen Wechselrichter und einen Netzanschluss.
Tagsüber kann Solarenergie die Verbraucher versorgen und die Batterie laden. Reicht die Solarenergieerzeugung nicht aus, kann das System je nach Systemkonfiguration und Betriebseinstellungen auf gespeicherte Batterieenergie oder Netzstrom zurückgreifen.
Ein Hybridsystem bietet eine größere Flexibilität bei der Energieversorgung und kann, bei entsprechender Wechselrichter- und Backup-Konfiguration, auch bei Stromausfällen oder Spannungseinbrüchen als Notstromversorgung dienen.
3. SPS-Typen im Überblick
Vergleich von netzgekoppelten, netzunabhängigen und hybriden Solarenergiesystemen, wobei die Rolle von Solarmodulen, Batterien, Wechselrichtern und dem Stromnetz aufgezeigt wird.
Unter diesen drei Systemtypen spielen Batterien eine besonders wichtige Rolle bei netzunabhängigen und hybriden Solarsystemen.
Wie genau funktioniert die Batterie in Verbindung mit den Solarmodulen und dem Wechselrichter?
4. Wie funktionieren die einzelnen Teile?
Ein Solar-Plus-Speicher-System lässt sich anhand des Stromflusses verstehen:
Solar panels → Inverter → Electrical loads
Wenn die Solarpaneele mehr Strom erzeugen, als die Verbraucher aktuell benötigen:
Excess solar energy → Battery → Stored energy
Später, wenn die Solarstromproduktion abnimmt:
Battery → Inverter → Electrical loads
Der Wechselrichter fungiert als zentrale Komponente des Energiemanagements und steuert den Stromfluss zwischen Solarmodulen, Batterie, Verbrauchern und gegebenenfalls dem Stromnetz.
4.1. Stromerzeugung
Solarmodule nutzen Photovoltaikzellen, um Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. Der von PV-Modulen erzeugte Strom ist Gleichstrom (DC). Die meisten Haushalts- und Gewerbegeräte benötigen jedoch Wechselstrom (AC).
Die Kapazität der Solaranlage und die tatsächliche Energieproduktion hängen von mehreren Faktoren ab, darunter:
- PV-Systemkapazität
- Sonneneinstrahlung
- Höchste Sonnenstunden
- Ausrichtung und Neigung der Paneele
- Schattierung
- Temperatur
- Systemeffizienz und Verluste
Ein Beispiel hierfür ist eine Solaranlage für Wohnhäuser, die mehrere hocheffiziente Solarmodule nutzt, um genügend Strom für den Betrieb von Haushaltsgeräten tagsüber zu erzeugen und gleichzeitig überschüssige Energie zum Laden von Batterien zu produzieren.
Die bloße Installation weiterer Solarmodule garantiert jedoch nicht automatisch eine bessere Systemleistung. Die Photovoltaikanlage muss optimal auf Wechselrichter und Batterie abgestimmt sein.
4.2. Energieumwandlung
Der Wechselrichter ist eine der wichtigsten Komponenten eines Solarenergiespeichersystems.
Ein herkömmlicher netzgekoppelter Wechselrichter wandelt hauptsächlich Gleichstrom von Solarmodulen in Wechselstrom um. Ein Hybrid-Wechselrichter hingegen kann zusätzliche Energiemanagementfunktionen übernehmen.
Je nach Systemauslegung kann ein Hybrid-Wechselrichter den Stromfluss zwischen folgenden Bereichen steuern:
- Solarplatten
- Solarbatterie
- Haushalts- oder Gewerbelasten
- Versorgungsnetz
Wenn beispielsweise Solarmodule ausreichend Strom erzeugen, kann der Wechselrichter die Solarenergie vorrangig für die Verbraucher nutzen. Bei einem Überschuss an Solarstrom kann dieser zur Ladung in die Batterie geleitet werden.
Bei sinkender Solarstromproduktion kann der Wechselrichter Strom aus der Batterie entnehmen und in nutzbaren Wechselstrom umwandeln.
Viele Hybrid- und Inselwechselrichter nutzen außerdem die MPPT-Technologie (Maximum Power Point Tracking), um den Betriebspunkt der Solarmodule zu optimieren und die verfügbare Solarenergie effizient zu gewinnen.
4.3. Speichert überschüssige Energie
Die Solarbatterie dient als Energiespeicher des Systems. Bei Sonnenschein erzeugen die Solarmodule möglicherweise mehr Strom, als das Gebäude verbraucht. Anstatt den gesamten überschüssigen Strom sofort zu verbrauchen, kann dieser zum Laden der Batterie genutzt werden.
Beispielsweise:
Solar panels generate 6 kW → Loads use 3 kW → Approximately 3 kW is available for battery charging
Die tatsächliche Ladeleistung hängt vom Wechselrichter, der Batterie, der PV-Leistung und der Systemkonfiguration ab.
Später am Abend:
Solar production decreases → Battery discharges → Inverter supplies the loads
Dadurch kann der tagsüber erzeugte Strom auch nach Sonnenuntergang genutzt werden.
5. Akku über Nacht?
Nach Sonnenuntergang produzieren Solaranlagen normalerweise keinen nennenswerten Strom mehr. In einem Batteriespeichersystem kann der Wechselrichter die gespeicherte Energie aus der Batterie entnehmen und in Wechselstrom für angeschlossene Verbraucher umwandeln.
Ein Haushalt kann beispielsweise gespeicherte Batterieenergie nutzen, um wichtige Haushaltsgeräte zu betreiben, wie zum Beispiel:
- LED-Beleuchtung
- Kühl- und Gefriergeräte
- Ventilatoren
- Klimaanlagen
- WLAN-Router
- Computer
- Neben Fernsehern
- Andere Haushaltsgeräte
Klimaanlagen verdienen bei der Dimensionierung eines Solarspeichersystems besondere Beachtung. In heißen Klimazonen und im Sommer können sie zu den größten Stromverbrauchern eines Haushalts gehören. Ihr Kompressor benötigt unter Umständen auch beim Anlauf mehr Leistung, daher sollten sowohl die Dauer- und Spitzenleistung des Wechselrichters als auch die Entladekapazität des Speichers berücksichtigt werden.
Ob und wie lange eine Solarbatterie eine Klimaanlage betreiben kann, hängt vom Stromverbrauch der Klimaanlage, den Betriebsstunden, der Batteriekapazität, der Wechselrichterleistung und der von den Solarmodulen verfügbaren Energie ab.
Wie lange die Batterie andere Verbraucher versorgen kann, hängt von der Batteriekapazität, dem Wirkungsgrad des Wechselrichters, der Lastleistung, der nutzbaren Batteriekapazität und den Betriebsbedingungen ab. Daher sollte die Batteriekapazität nicht allein anhand der Anzahl der angeschlossenen Geräte gewählt werden. Deren tatsächlicher Energieverbrauch und Betriebsstunden sind ebenfalls wichtig.
6. Stromausfall oder Spannungseinbruch?
Einer der Hauptgründe, warum Hausbesitzer und Unternehmen Batterien in ihre Solaranlagen einbauen, ist die Notstromversorgung.
In einem geeigneten hybriden Solarsystem kann der Wechselrichter bei einem Stromausfall oder einer Spannungseinbrüchen bestimmte Backup-Verbraucher vom Stromnetz trennen und sie weiterhin mit Solar- und Batterieenergie versorgen.
Tagsüber können Solarpaneele die Verbraucher versorgen und gleichzeitig die Batterie laden. Nachts oder wenn die Solarstromproduktion nicht ausreicht, kann die Batterie gespeicherten Strom bereitstellen.
Allerdings bietet nicht jeder Solarwechselrichter automatisch eine Notstromversorgung. Der Wechselrichter muss den Notstrom- oder Inselbetrieb unterstützen, und das System muss mit entsprechenden Notstromkreisen und Schutzeinrichtungen ausgestattet sein.
Es ist außerdem wichtig zu verstehen, dass ein Notstromsystem nicht zwangsläufig bedeutet, dass alle Geräte im Gebäude bei einem Stromausfall weiter funktionieren. Viele Systeme nutzen einen Notstromkreis, sodass Geräte mit hoher Priorität mit Strom versorgt werden, während weniger wichtige oder stromintensive Geräte vom Netz getrennt bleiben.
7. Batterien sind für SES beliebt?
LiFePO4-Batterien (Lithium-Eisenphosphat-Batterien) finden breite Anwendung in modernen Solarenergiespeichersystemen für Privathaushalte und Gewerbebetriebe. Im Vergleich zu herkömmlichen Blei-Säure-Batterien bieten sachgemäß ausgelegte LiFePO4-Systeme Vorteile wie:
- Lange Lebensdauer: Moderne LiFePO4-Batterien erreichen je nach Batteriedesign, Betriebsbedingungen und Entladetiefe (DoD) über 6,000 Lade- und Entladezyklen.
- Hohe nutzbare Kapazität: LiFePO4-Batterien können typischerweise bei hoher Leistung betrieben werden. Entladungstiefe (DoD)wodurch ein größerer Teil der Nennkapazität der Batterie genutzt werden kann.
- Stabile Leistung: Die LiFePO4-Chemie gewährleistet eine gleichbleibende Leistung über viele Lade- und Entladezyklen hinweg.
- Gute thermische Stabilität: LiFePO4 ist bekannt für seine stabile chemische Zusammensetzung und seine guten thermischen Eigenschaften.
- Geringer Wartungsaufwand: Im Gegensatz zu Blei-Säure-Batterien benötigen LiFePO4-Batterien im Allgemeinen nur eine minimale regelmäßige Wartung.
- Kompakte Energiespeicher: Sie bieten eine beträchtliche Energiespeicherkapazität in einer relativ kompakten und leichten Bauform.
8. Was ist die Abflusstiefe?
Der Begriff „Entladetiefe“ (Deep of Discharge, DoD) bezeichnet den Prozentsatz der nutzbaren Kapazität einer Batterie, der bereits entladen wurde.
Wenn beispielsweise eine 10-kWh-Batterie mit einem Entladegrad von 80 % arbeitet, können etwa 8 kWh ihrer Nennkapazität genutzt werden, bevor sie wieder aufgeladen werden muss.
Eine höhere nutzbare Entladetiefe (DoD) bedeutet, dass mehr der gespeicherten Energie der Batterie genutzt werden kann, ohne dass ein größerer Batteriespeicher benötigt wird. LiFePO4-Batterien eignen sich daher gut für die Speicherung von Solarenergie, da sie tagsüber regelmäßig geladen und nachts oder bei geringer Sonneneinstrahlung entladen werden.
Die Lebensdauer einer Batterie und der Entladungsgrad (DoD) stehen in engem Zusammenhang. Im Allgemeinen kann der Betrieb einer Batterie mit einem niedrigeren DoD die Belastung der Zellen reduzieren und potenziell ihre Lebensdauer verlängern. Daher hängt die tatsächliche Lebensdauer einer LiFePO4-Batterie nicht nur von der Nenn-Zyklenzahl ab, sondern auch von Faktoren wie DoD, Temperatur, Lade- und Entladeraten sowie dem Batteriemanagement.
Eine Lithiumbatterie benötigt außerdem ein Batteriemanagementsystem (BMS). Das BMS überwacht wichtige Batterieparameter wie Zellspannung, Temperatur sowie Lade- und Entladebedingungen und trägt so zum Schutz der Batterie und zur Aufrechterhaltung eines sicheren und zuverlässigen Betriebs bei.
Für einen zuverlässigen Betrieb muss die Batterie mit dem gewählten Wechselrichter kompatibel sein. Je nach Gerät kann die Kommunikation über CAN oder RS485 für die Batterieüberwachung, die Ladezustandsmeldung und das koordinierte Laden und Entladen erforderlich sein.
Sungreat Energy bietet LiFePO4-Solarbatterien für private und gewerbliche Energiespeicheranwendungen an, wobei verschiedene Batteriekapazitäten für unterschiedliche Systemanforderungen verfügbar sind.
9. Die richtige Solarbatterie und der richtige Wechselrichter?
Die korrekte Dimensionierung des Systems ist für eine zuverlässige Speicherung von Solarenergie unerlässlich.
- Täglichen Energieverbrauch berechnen: Ermitteln Sie den täglichen Stromverbrauch Ihres Haushalts oder Unternehmens, üblicherweise gemessen in Kilowattstunden (kWh). Der tägliche Energieverbrauch hilft dabei, die benötigte Energiemenge der Solaranlage und den erforderlichen Batteriespeicher zu bestimmen.
- Berechnen Sie die Spitzenlast: Ermitteln Sie die maximale Leistung, die beim gleichzeitigen Betrieb mehrerer Geräte benötigt wird. Diese wird üblicherweise in Kilowatt (kW) gemessen und ist besonders wichtig für die Auswahl des Wechselrichters. Klimaanlagen, Kühlschränke, Pumpen und andere motorbetriebene Geräte können ebenfalls eine höhere Anlaufleistung aufweisen, daher sollte die Anlaufstromfestigkeit des Wechselrichters berücksichtigt werden.
- Ermitteln Sie die erforderliche Backup-Zeit: Überlegen Sie, wie lange die Batterie die wichtigsten Verbraucher nachts oder bei einem Stromausfall mit Strom versorgen muss. Ein Hausbesitzer möchte beispielsweise genügend Energie speichern, um wichtige Geräte 5, 8 oder 12 Stunden lang zu betreiben.
- Dimensionierung der Photovoltaikanlage: Die Solarmodule sollten innerhalb des verfügbaren Sonnenfensters genügend Energie erzeugen, um den Tagesbedarf zu decken und die Batterie aufzuladen. Bei der Berechnung der benötigten PV-Leistung sollten die lokale Sonneneinstrahlung und die Spitzenstunden berücksichtigt werden.
- Wählen Sie den passenden Wechselrichter aus: Die Dauerleistung und die Spitzenleistung des Wechselrichters müssen für die angeschlossenen Verbraucher ausreichend sein. Der Wechselrichter muss außerdem für den gewählten Systemtyp geeignet sein, egal ob netzgekoppelt, netzunabhängig oder hybrid.
- Batterie- und Wechselrichterkompatibilität prüfen: Batteriespannung, Ladeparameter, maximaler Lade- und Entladestrom, Kommunikationsprotokolle und die Kompatibilität mit dem Batteriemanagementsystem (BMS) sollten vor der Installation überprüft werden. Die Verwendung einer nicht optimal aufeinander abgestimmten Batterie und eines nicht optimal aufeinander abgestimmten Wechselrichters kann die Systemleistung und die Kommunikation beeinträchtigen.
10. Ein integriertes System
Ein Solarenergiespeichersystem funktioniert, weil jede Komponente eine andere, aber miteinander verbundene Funktion erfüllt:
- Solarpaneele erzeugen Strom.
- Der Wechselrichter wandelt elektrische Energie um und steuert sie.
- Die Batterie speichert überschüssige Energie.
- Der Wechselrichter liefert die gespeicherte Energie bei Bedarf an die Verbraucher.
In vielen Anwendungen können netzgekoppelte Systeme ohne Batterien betrieben werden, während Batterien für die meisten netzunabhängigen Systeme unerlässlich sind und eine wichtige Komponente von Hybridsystemen darstellen, die für die Energiespeicherung und Notstromversorgung ausgelegt sind.
Bei richtiger Dimensionierung und Abstimmung kann ein System aus Solarmodul, LiFePO4-Batterie und Hybrid-Wechselrichter Haushalten und Unternehmen helfen, erneuerbare Energien besser zu nutzen, die Abhängigkeit vom Stromnetz zu verringern und die Stromversorgung aufrechtzuerhalten, wenn keine Solarstromerzeugung oder Netzstromversorgung verfügbar ist.
Wenn Sie ein Solarenergiespeichersystem planen, sollten Sie zunächst Ihren täglichen Energieverbrauch, die Spitzenlast, die benötigten Überbrückungsstunden, die verfügbaren Solarenergieressourcen und die Netzbedingungen analysieren. Diese Faktoren bilden die Grundlage für die Auswahl der passenden Solarmodulleistung, der Batteriegröße und des Wechselrichters.
11. Referenzen
- Internationale Agentur für Erneuerbare Energien (IRENA). Kosten der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien im Jahr 2023. Abu Dhabi: IRENA.
- Internationale Energieagentur (IEA). Erneuerbare Energien 2023: Analyse und Prognose bis 2028. Paris: IEA-Veröffentlichungen.
- Nationales Labor für Erneuerbare Energien (NREL). Kostenvergleich für US-Solar-Photovoltaiksysteme und -speicher. Golden, CO: Technischer Bericht des NREL.
- SolarPower Europe. Globaler Marktausblick für Solarenergie 2024–2028. Brüssel: SolarPower Europe.
- BloombergNEF (BNEF). Ausblick auf das Energiespeichersystem und Preisumfrage für Lithium-Ionen-Batterien. London: Bloomberg Finance LP
