Konzeption einer PV-Anlage: Der Solarspeicher

Wozu brauchen wir Solarspeicher?

Ein Blick auf so manches “günstige” PV Angebot offenbart einen gravierenden Mangel: Es wird kein – bzw. zu wenig Solarspeicher angeboten. Brauchen moderne PV-Anlagen etwa keinen Solarspeicher? Mitnichten – wir brauchen so viel Speicher wie möglich. Warum ist das so?

Die Gründe hierfür sind dieselben, wie sie für ziemlich jede Situation unserer realen Welt gelten: Die Politik, und das Wetter.

Die Politik

Von der Politik wurde im Jahr 2000 das “Erneuerbare Energien Gesetz” (EEG) auf den Weg gebracht. Um Solaranlagen für Hausbesitzer attraktiv zu machen, wurde damals jedem PV-Betreiber eine hohe Vergütung von mehr als 50 Cent / kWh für die Einspeisung von Energie ins öffentliche Netz garantiert.

Im Vergleich zu den damaligen Bezugskosten von 22 Cent pro Kilowattstunde hatte das zur Folge, dass die Eigennutzung der erzeugten Solarenergie wirtschaftlich sinnlos war. Weil man für die reine Einspeisung ins öffentliche Netz keinen Solarspeicher benötigte, besaßen die PV-Anlagen der damaligen Generation keinen Solarspeicher. Eigennutzung von Solarenergie war mit diesen Anlagen weder möglich noch sinnvoll _(*1).

In der Zwischenzeit hat sich die Situation komplett gedreht. Heute erhält man über das EEG nur noch 8,2 Cent _(*6) Einspeisevergütung. Demgegenüber stehen drastisch gestiegene Bezugskosten von 43 Cent / kWh mit steigender Tendenz. Auch die Degression der Einspeisevergütung bis 2024 eingefroren wird, ändert das nichts an der grundlegenden Situation: Einspeisen ist wirtschaftlich uninteressant. Was sich vor dem Hintergrund der Energiekrise hingegen mehr denn je lohnt, ist der reine Eigenverbrauch – und zwar jeder einzelnen erzeugten Kilowattstunde. Und genau hier kommt der zweite Grund für Solarspeicher in den Fokus – das Wetter.

Das Wetter

Einspeisen war im Prinzip eine tolle Sache. Ohne in Solarspeicher investieren zu müssen, konnte man jede erzeugte Kilowattstunde einfach in die Strom-Cloud _(*2) pumpen, ohne sich Gedanken über die Vorratshaltung von Energie machen zu müssen. Denn genau darum geht es: Wohin mit der erzeugten Solarenergie, wenn ich sie selber im Moment nicht verbrauchen kann?

Sonne ist abhängig von Wetter und Tageszeit. Die meiste Solarenergie sammelt unsere Solardach zwischen 11 – 16 Uhr. Benötigen werden wir allerdings die meiste Energie am Abend, wenn Licht, Fernseher & Co. angeschaltet werden. Hinzu kommt die Tatsache, dass es nicht nur sonnenreiche Tage, sondern auch schlechtes Wetter gibt. Uns steht also zur Erzeugung von Solarenergie nur ein begrenztes Zeitfenster zur Verfügung.

Wie gut, dass moderne Solarmodule in diesen wenigen Sonnenstunden unseren kompletten Tagesbedarf an Solarenergie produzieren können. Nur wohin mit all der wertvollen Solarenergie? Wie bereits erwähnt, ist Einspeisen wirtschaftlich gesehen, keine gute Lösung. Also selber verbrauchen. Dafür benötigen wir eine funktionierende Vorratshaltung für Solarenergie. Fazit: Wir brauchen ein Speichermedium für die erzeugte Energie – den Solarspeicher.

Was ist ein Solarspeicher?

Zunächst wollen wir den Wirrwar der Begriffe aufklären. “Solarspeicher”, “Solar-Batterie”, “Solar-Akku”: Alle Begriffe meinen dasselbe: Es handelt sich um einen Speicher, der die in den Sonnenstunden des Tages produzierte Solarenergie für die spätere Nutzung speichert.

Wenn man theoretische Speicherkonzepte wie Pumpspeicherwerk oder Schwungradspeicher außer Acht lässt, gibt es in der Realität aktuell nur ein praxistaugliches Konzept zur Speicherung von elektrischer Energie : Den Akkumulator – oder kurz Akku.

Den Akku kennen wir aus dem Haushalt als kleine runde Batteriezellen, oder aus dem Auto als unförmigen schweren Kasten, oder auch als praktische Einschubbox für den Akku-Rasenmäher.

Es gibt also unterschiedliche Akkus für verschiedene Zwecke. Obwohl die Akku-Technologie durchaus fortgeschritten ist, lässt sich der aktuelle Stand der Technik im Grunde mit einem Wort zusammenfassen: “Kompromiss”. Es gibt nicht DEN idealen Akku. Jede Akku-Technologie hat Vor- und Nachteile.

Solarspeicher – die Herausforderung

Solarspeicher sind eine echte Herausforderung an Mensch und Material. Man muss sich vor Augen halten, dass wir hier über wirklich große Akkus sprechen. Während eine Autobatterie in der Größe eines halben Bierkastens eine Kapazität von vielleicht 1 kWh hat, benötigen wir für unseren Solarspeicher je nach gewünschtem Grad der Eigennutzung gute 10 kWh oder mehr. Also das Zehnfache der Speicherkapazität. So ein Akku muss erst einmal hergestellt, transportiert, in den Keller getragen und installiert werden. Ganz zu schweigen von den Anschaffungskosten. Außerdem sind Autobatterien als Solarspeicher absolut ungeeignet. Folglich benötigen wir eine Alternative. Zum Glück steht uns mit der LiFePo4 Technologie eine solche Alternative zur Verfügung.

Möchtest Du mehr Details zu den verschiedenen Akku-Technologien erfahren, wirf einen Blick in den Infokasten.

Der LiFePo4 Solar Akku

LiFePo4 ist eine Weiterentwicklung der Lithium-Technologie. Signifikante Nachteile anderer Akku-Technologien (z.B. nutzbare Kapazität, Wirkungsgrad, Brandgefahr, etc.) werden mit der LiFePO4 Technologie vermieden. Dazu kommt, dass der Markt für Solarspeicher im Jahr 2022 richtig Fahrt aufgenommen hat. Mittlerweile sind fertig konfektionierte Top Produkte zu bezahlbaren Preisen verfügbar.

Allerdings ist auch beim Thema “Solarspeicher” ein solides Hintergrundwissen von Vorteil. Fehlinvestitionen an dieser Stelle wären sehr ärgerlich. Immerhin reden wir von einer Investition in der Größenordnung mehrerer tausend Euro.

Deshalb wollen wir an dieser Stelle die verschiedenen Varianten von Solar-Akkus etwas genauer unter die Lupe nehmen. Woraus besteht ein marktüblicher Solar-Akku?

Ein Solar-Akku ist relativ simpel aufgebaut – er besteht nämlich im Wesentlichen aus 2 Komponenten:

Akku-Zellen: Ein Solarspeicher enthält eine genau kalkulierte Menge an einzelnen Akkuzellen. Die Anzahl in abhängig von der gewünschten Kapazität und der vorgesehenen Systemspannung. Rechts im Bild ist ein typischer Vertreter einer einzelnen LiFePO4 Akkuzelle zu sehen. Die Zelle im Beispiel hat 280 Ah Kapazität, und in etwa Abmaße und Gewicht eines Sixpacks Lagerbier. Die Nennspannung von LiFePO4 Zellen beträgt immer 3,2 V. Die beiden Anschlüsse stehen für die Pole Plus und Minus, und besitzen üblicherweise ein M6 Gewinde. Bus Bars (Verbinder) aus Kupfer verbinden dann im fertigen Solarspeicher die einzelnen Akku-Zellen miteinander.

BMS: Das BMS oder Batteriemanagementsystem ist für LiFePO4 Akkus unbedingt erforderlich. Grund dafür ist, dass die Einzelzellen sehr toleranzempfindlich sind. Schon geringe Toleranzen innerhalb der Reihenschaltung würden ohne BMS zu Über- oder Unterladungen einzelner Zellen, und letztendlich zu deren Zerstörung führen. Das BMS überwacht jede einzelne Zelle auf das Hundertstel Volt genau, und gleicht etwaige Abweichungen aus. Zusätzlich wird die Temperatur des Solarspeichers überwacht.

Im Falle gravierender Abweichungen oder Störungen schaltet das BMS den gesamten Speicher ab. Oftmals bietet das BMS eine Bluetooth Funktion zur Überwachung per App. Oben im Bild ist das BMS eines bekannten Herstellers abgebildet. Die Eingangsbuchsen im Bild sind im fertigen Solarspeicher mit den einzelnen Akku-Zellen verbunden.

Übrigens: Manche Inverter-Hersteller werben mit der Integration des Solarspeicher-BMS per CAN-Bus in die Inverter-Elektronik. Das ist nach unserer Meinung (Solarbringer Redaktion) ein verzichtbares Feature. Ziel solcher Integrationen ist eher die Promotion eigener Speicherprodukte als ein echter Mehrwert. Entscheidend für das Funktionieren deiner PV-Anlage ist, dass ein BMS die Akkuzellen zuverlässig schützt. Auf welche Weise das geschieht, ist für die übrigen Komponenten der PV-Anlage nicht relevant.

Plug & Play Solarspeicher

Selbstverständlich musst du deinen Solarspeicher nicht aus Einzelteilen selber zusammenbauen. Am Markt gibt es eine Vielzahl fertiger Produkte. Etabliert haben sich 2 Bauformen:

Rack Mounted: Die Geräte werden ähnlich wie Serversysteme in 19″ Racks montiert. Dementsprechend “technisch” sehen die fertig montierten Geräte mit ihren blinkenden und verkabelten Bedienfeldern aus. Diese Bauform wird vor allen von Tech-Art-Liebhabern geschätzt, und ist für spätere Skalierung vorteilhaft.

Wall Mounted: Bei dieser Design-Variante stehen minimaler Platzbedarf und Wohntauglichkeit im Vordergrund. Wie der Name besagt, werden diese Geräte an der Wand montiert. Die Anschlüsse befinden sich auf der Unterseite. Diese Bauform ist ebenfalls skalierbar – möchtest du deinen Solarspeicher aufrüsten, wird einfach ein weiterer Solarspeicher daneben gesetzt. Oftmals haben diese Produkte ein unauffälliges schickes Design, um auch in Wohnbereichen punkten zu können. Aufgrund der Wohnkompatibilität und des geringeren Platzbedarfs empfehlen wir dir diese Bauform für dein PV-Projekt.

Solarspeicher intern

Unabhängig von der Bauform ist der interne Aufbau eines Solarspeichers immer gleich. Der Großteil des Gehäuses wird von den per Bus-Bars miteinander verbundenen Akku-Zellen dominiert. Wichtig sind hierbei Systemspannung und Zellen Verschaltung. Obwohl es hier 3 gängige Spannungsklassen gibt (12 V, 24 V, 48 V), hat sich für PV-Anlagen die 48 V Klasse durchgesetzt, weil die höhere Gesamtspannung des Solarspeichers Vorteile bei der Kabelführung bietet, weniger Wärmeverluste verursacht, und eine höhere Gesamtleistung ermöglicht. PV-Anlagen zur Eigenbedarfs-Vollversorgung basieren deshalb immer auf 48 V Solarspeichern, wobei die 48 V als Klassifizierung zu verstehen ist – die konkrete Spannung eines typischen 16s Solarspeichers ist 51,2 V (siehe Bild).

Das restliche Gehäuse wird von der BMS-Elektronik und den Steuerkabeln eingenommen. Das BMS ist exakt auf Anzahl und Leistung der verwendeten Akku-Zellen abgestimmt. Vom BMS führt ein Steuerkabel zu jeder einzelnen Akku-Zelle, um alle Zellen des Speichers exakt auszubalancieren.

Wie viel Solarspeicher brauchst du?

Diese Frage ist weniger trivial, als sie zunächst erscheint. Zunächst sollten installierte Leistung der Solarmodule, und die Kapazität deines Solarspeichers zusammenpassen. Das Ganze sollte an deinem Energiebedarf ausgerichtet sein. Dem gegenüber stehen die Kosten einer solchen Anlage. Letztlich geht es um die Frage “Was willst du mit deiner PV-Anlage erreichen”? Im Wesentlichen gibt es 3 Ansätze für ein solches Solarprojekt, aus denen sich die Überlegungen zur Dimensionierung einer PV-Anlage ableiten:

Das Energiespar- und -Kosten Motiv

Hier geht es um die maximal mögliche Einsparung von Energiekosten. Vor dem Hintergrund der Energiekrise, möchtest du dein eigener Stromproduzent sein.

Die Rechnung ist relativ simpel: Jede selbst verbrauchte Kilowattstunde Solarenergie, hat aktuell einen Gegenwert von 0,43 € (Stromtarif Stand 11/2022 für Neukunden lt. Verivox). Tendenz steigend.

Der Kostenaspekt:

Demgegenüber stehen die Anschaffungskosten deiner Solaranlage, sowie die erwünschte Laufzeit – sprich Haltbarkeit der Einzelkomponenten. D.h. – je weniger die Solaranlage dich kostet, und je hochwertiger die Komponenten sind – desto mehr Energiekosten kannst du sparen.

Der Löwenanteil der Anschaffungskosten liegt bei den Solarmodulen und dem Solarspeicher. Der oder die Inverter machen nur den kleineren Teil der Gesamtkosten aus _(*3).

Die Solarmodule sind im Hinblick auf die Haltbarkeit unkritisch. Du wirst in diesem Leben vermutlich nur einmal Solarmodule anschaffen, weil sie praktisch nicht kaputtgehen. Nicht umsonst geben Hersteller mehr als 10 Jahre Funktionsgarantie und bis zu 25 Jahre sog. Peak-Power Garantie auf ihre Solarmodule. Durch die extrem gestiegene Nachfrage sind die Modulkosten im Gesamtpaket jedoch nicht zu unterschätzen.

Anders steht es um den Batteriespeicher. Er ist zugleich die teuerste Komponente, und die Komponente mit der kürzesten Lebenszeit. Die Geräte der Top-Klasse erreichen eine Lebensdauer von ca. 6000 Zyklen. Nimmt man pro Tag einen Zyklus (Aufladen und Entladen) an, erreichen heutige LiFePO4 Akkus der Top-Klasse eine Lebensdauer von 16 Jahren _(*4).

Ein realistisches Beispiel:

• Du hast ein Reihenhaus mit Südausrichtung.
• Du wirst abhängig vom Haustyp und baulichen Besonderheiten (z.B. Dachfenster) maximal 16 Standardmodule a 400 W auf dein Dach bringen. Das sind 6,4 kW Peak.
• Du hast einen Jahresverbrauch von 5000 kWh. Pro Tag sind das ca. 14 kWh. Deine Solarmodule können Dir in 3 Sonnenstunden am Tag realistische 16 kWh liefern. Allerdings NUR DANN, wenn du diese Energie auch speichern kannst.
• Wenn wir davon ausgehen, dass einige deiner elektrischen Dauerverbraucher wie z.B. Kühlschrank oder PC im Home-Office bereits während des Sonnenscheins Strom verbrauchen, dann wäre ein Solarspeicher mit 10 kWh nicht überdimensioniert.
• Mit dieser Konfiguration schaffst du es, einen Großteil deiner Energie selber zu produzieren. Die genaue Menge ist abhängig von Lage, Dachneigung, und natürlich dem Wetter. Eine realistische Schätzung sind 75% deines Jahresverbrauchs. Du erzeugst also über das Jahr 3750 kWh.
• Setzt man aktuelle Stromkosten von 43 Cent / kWh an (Stand 11 / 2022), so sparst Du pro Jahr über 1600 Euro.
• Rechnen wir mit einer Lebensdauer des Solarspeichers von 16 Jahren, ergibt sich eine Einsparung von ca. 25.000 Euro über diese Laufzeit. Die reale Ersparnis wird allerdings höher sein, weil der Strompreis voraussichtlich nur einen Weg kennt: Nach oben. Dazu kommt, dass die Lebensdauer deiner PV-Anlage deutlich über den angenommenen 16 Jahren liegt. Die Solarmodule z.B. sind mit 25 Jahren angegeben.

Fazit zum Energiespar- und -Kosten Motiv: Am obigen Beispiel wird deutlich, dass sich eine PV-Anlage mit Speicher für den Eigenverbrauch lohnt. Je eher du loslegst, desto besser. Und wann, wenn nicht jetzt?

Das Blackout Motiv

Beim Blackout-Motiv steht die Autarkie im Vordergrund. Gehen beim Nachbarn die Lichter aus, bleiben deine Lichter an. Ein totaler Blackout in naher Zukunft ist nicht gänzlich unwahrscheinlich. Es gibt eine Reihe seriöser Fachleute, die ein solches Szenario auch in Deutschland für durchaus möglich halten. Mit einer PV Inselanlage mit Netzunterstützung bist du auf der sicheren Seite. Allerdings sollte dir das höhere Maß an Sicherheit einen großen Solarspeicher wert sein. Die Rechnung ist ganz einfach: Überlege, wie viele Tage dich deine PV-Anlage im Blackout Fall bei schlechtem Wetter versorgen soll. Multipliziere die Größe deines Energiespar-Solarspeichers mal Anzahl der autarken Tage. Beispiel: Dein Solarspeicher aus dem vorigen Beispiel besitzt eine Kapazität von 10 kWh. Du möchtest im Blackout Fall eine Schlechtwetterperiode von 3 Tagen überstehen. Dann benötigst Du einen Solarspeicher mit der Kapazität von 30 kWh. Das ist in der Tat viel und teuer. Andererseits hat Sicherheit seinen Preis. Tipp zu den Blackout-Überlegungen: Vor einer Entscheidung den Roman “Blackout” von Marc Elsberg lesen. Mega spannend und außerordentlich aufschlussreich.

Das Umwelt Motiv

In diesem Punkt sind sich alle einig: Die Umwelt muss geschützt werden. Viele Menschen, die den Klimawandel gestern noch belächelt haben, machen sich heute ernsthaft Sorgen um unsere Zukunft und die Zukunft unserer Kinder. Mit einer PV-Anlage kannst du mithelfen, die Welt ein Stück klimafreundlicher zu machen. Immerhin bedeutet jede eingesparte Kilowattstunde weniger Kohlenstoffausstoß, und jedes eingesparte Kilogramm CO2 hilft der Umwelt _(*5). Warum nicht sparen, und gleichzeitig die Umwelt schützen. Also mach mit, und starte noch in diesem Jahr dein persönliches Solar Umweltschutz Projekt.

Wie geht es weiter?

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*1) Bei den erwähnten PV-Anlagen der alten Generation handelt es sich um Off-Grid Anlagen ohne Solarspeicher. Eigenverbrauch mit diesen Anlagen ist technisch möglich – jedoch nur im Moment der Stromerzeugung (“Erna – mach mal die Waschmaschine an – die Sonne scheint”). Deshalb gilt: Praktikabler Eigenverbrauch ist nur durch PV-Anlagen mit ausreichend dimensioniertem Solarspeicher zu erreichen.

*2) Der Begriff “Strom-Cloud” ist ein Werbegag findiger Anbieter, und ist einfach nur eine euphemistische Wortschöpfung für “Einspeisen ins Öffentliches Netz”. Aktuell gibt es auch eine Reihe neuer Strom-Wallet Angebote, die jedoch strikt an den Kauf der anbietereigenen Solaranlage gekoppelt sind. Hier muss man allerdings genau hinschauen, ob sich die Kosten für die hochpreisige Anlage mit dem Strom-Wallet Angebot amortisieren lassen.

*3) Die Aussage, dass der, oder die Inverter den kleineren Teil der Gesamtkosten verursachen, hängt natürlich von den Komponenten der Solaranlage ab. Wir verwenden im 3-Phasen-Beispiel 16 Solarmodule und einen Speicher von 10 kWh. Dazu 3 Inverter der Off-Grid-Standardklasse. Solarmodule und Solarspeicher zusammen sind im Beispiel etwa 7 mal so teuer wie die Kosten für die 3 Inverter der Standardklasse.

*4) Die Aussage, dass LiFePO4 Akkus der Top-Klasse (sog. Grade-A-Cells) bis zu 6000 Zyklen erreichen, gilt unter optimalen Bedingungen. Der Akku sollte keinen sehr hohen oder sehr tiefen Temperaturen ausgesetzt sein. Frost ist z.B. ein schlimmer Feind des Akkus. Sehr hohe Ströme beim Laden und Entladen reduzieren ebenfalls die Lebensdauer des Akkus.

*5) Laut einer im Jahr 2020 veröffentlichten Statistik, liegt der CO2 Ausstoß von deutschen Einwohnern bei 8,4 Tonnen pro Kopf.

*6) Die Einspeisevergütung für Anlagen bis 10 kWp und Teileinspeisung beträgt aktuell 8,2 Cent pro kWh. Für Anlagen bis 10 kWp und Teileinspeisung beträgt die Einspeisevergütung aktuell 13 Cent pro kWh. Für Anlagen größer 10 kWp beträgt die Einspeisevergütung 7,1 (Teileinspeisung) bzw. 10,9 (Volleinspeisung) Cent pro kWh. Basis für die Berechnung der Vergütungssätze ist zwar das “Erneuerbare Energien Gesetz” – die Zahlen hierfür errechnen sich jedoch nicht gerade transparent aus unterschiedlichen Angaben des EEG 2023. So findet man unterschiedliche Angaben in verschiedenen Quellen (z.B. 8,6 Cent anstatt 8,2 Cent). Verlässliche Informationen sind u.a. auf der Seite des Verbraucherschutzes im Beitrag “EEG 2023: Das ändert sich für Photovoltaik-Anlagen” zu finden.

Viele weitere interessante Infos zum Thema findest du in unserem Solar-Wiki:

• Solar Wiki
• Grundlagen: Wie funktioniert eine Solaranlage?
• Grundlagen: Das Solarproblem
• Grundlagen: Wo bleibt der Solarspeicher?
• Grundlagen: PV-Anlage mit Solarspeicher
• Einspeisen und Eigenbedarf
• Einspeisen: Die klassische On-Grid Anlage
• Einspeisen: Das “Wasserexperiment” mit der On-Grid Anlage
• Eigenbedarf: Die Inselanlage (Off-Grid System)
• Eigenbedarf: Die Inselanlage mit Netzunterstützung

• Solar Wiki
• Konzeption einer Off-Grid Solaranlage
• Konzeption einer PV-Anlage: Die Solarmodule
• Konzeption einer PV-Anlage: Der Wechselrichter