Photovoltaik -Lexikon

Grundsätzliches zu einer Photovoltaik-Anlage:

Die Grundeinheit einer Photovoltaikanlage ist das Solarmodul, in dem zahlreiche Solarzellen elektrisch verschaltet sind. Mehrere Module werden zu einem Solargenerator verbunden. Der von den Solarzellen produzierte Gleichstrom wird über Gleichstromleitungen zum Wechselrichter geführt. Dieses Gerät wandelt den Gleichstrom in Wechselstrom um, der bei einer netzgekoppelten Photovoltaik-Anlage über einen Zähler ins öffentliche Stromnetz eingespeist wird. In sonnenarmen Zeiten kann der Strom aus dem Netz oder von einem Speicher bezogen werden.

Kristalline Solarzellen

Kristalline Solarzellen, auch Dickschicht-Solarzellen genannt, unterschieden sich in der Herstellung grundlegend von Dünnschicht-Solarzellen. Die kristalline Bauform ist immer noch Standard in vielen Solarmodulen. Die Zellen bestehen aus Silizium, welches wiederum aus weltweit in großen Mengen verfügbarem Quarzsand hergestellt wird.

Dünnschicht Solarzellen

Dünnschicht-Solarzellen - im Vergleich zu den kristallinen Solarzellen ist die Dünnschicht-Variante nur in etwa ein Hundertstel so dick. Auch wenn zum Teil mit anderen Rohstoffe experimentiert wird, kommt bei der Herstellung der Zellen wie beim kristallinen Typ meist Silizium zum Einsatz, allerdings sogenanntes amorphes Silizium. Die physikalischen Eigenschaften, die sich von kristallinem Silizium unterscheiden, beeinflussen die Nutzbarkeit und Produktionsverfahren der Zellen.

Wechselrichter für Photovoltaik-Strom

Der Wechselrichter ist ein Gerät zur Netzeinspeisung, der dafür sorgt, dass die von der Photovoltaik-Anlage produzierte Energie in den in europäischen Stromnetzen üblichen Wechselstrom umgewandelt werden kann. 

Stromspeichersysteme

Umweltfreundliche und sichere Versorgung mit Solarstrom rund um die Uhr. Speichern Sie Ihren Solarstrom am Tage und verbrauchen Sie ihn dann, wenn Sie ihn benötigen. Dadurch erhöhen Sie den Eigenverbrauchsanteil auf bis zu 70-80%!

Photovoltaik Versicherung

Mit einer Photovoltaik-Versicherung werden Solaranlagen unter anderem gegen Schäden an der Anlage und / oder gegen Schäden, die durch den Betrieb der Photovoltaik-Anlage entstehen, versichert.Eventuell kann eine bereits bestehende Gebäude-Haftpflichtversicherung erweitert werden. Alternativ kann es, abhängig vom Versicherer bzw. Tarif möglich sein, einen Teil der Risiken auch über eine Privat-Haftpflichtversicherung abzudecken.

Solarförderung 2014 - EEG Reform

Im Zuge der EEG-Reform werden die bisherigen Regelungen zum Eigenverbrauch geändert, dies hat die Regierungsmehrheit im Bundestag am 27. Juni 2014 beschlossen. Die wichtigste geplante Neuerung: Betreiber größerer, neu errichteter PV-Anlagen über 10 kWp sollen für den selbst verbrauchten Solarstrom ab 2015 30%, ab 2016 35% und ab 2017 40% der EEG-Umlage entrichten. Betreiber typischer Photovoltaikanlagen, wie sie auf Ein- und Zweifamilienhäusern installiert werden (ca. 5 bis 7 kWp), sind von der Umlage nicht betroffen.

Altanlagen sind zunächst vor der Abgabe geschützt (Bestandsschutz), allerdings hat die EU dies als Ungleichbehandlung gerügt. Daher soll 2017 geprüft werden, ob auch diese Anlagen mit der Umlage belegt werden müssen.
Allerdings ist sowohl die EEG-Umlage für den Selbstverbrauch als auch die Aufhebung des Bestandsschutzes rechtlich umstritten – es dürfen Klagen gegen das neue Gesetz erwartet werden. Deren Ausgang ist ungewiss, wiewohl die Rechtsposition, dass Eigenverbrauch nicht durch eine Abgabe belegt werden kann, uns überzeugt. Um es in einer derzeit häufig bemühten Analogie zu sagen: Selbstgezogene Tomaten werden auch nicht mit der Umsatzsteuer belegt. Um in den Genuss des Bestandsschutzes zu kommen, lohnt es sich, lieber heute als morgen eine PV-Anlage zumindest einmal durchrechnen zu lassen.

Noch einmal: Photovoltaikanlagen mit einer Leistung von unter 10 kWp – also PV-Anlagen wie auf Dächern von Ein- und Zweifamilienhäusern üblich – sind durch die Änderung ausdrücklich nicht betroffen.

Kennzahlen eine Solarbatterie

Kennzahlen einer Solarbatterie: technische & praktische Bezugsgrößen

Die Beschäftigung mit technischen Daten einer Solarbatterie beginnt ganz grundsätzlich bereits mit der Frage, was für Strom eine Solarbatterie überhaupt speichert: Gleichstrom oder Wechselstrom? Wissen Sie es? Es ist Gleichstrom. Und dies ist nur die einfachste in einer Reihe von vielen weiteren Grundlagen die man braucht, um Batteriespeicher für Photovoltaikanlagen verstehen und bewerten zu können. Bis dato haben sich folgende Daten und Größen herauskristallisiert, um das Leistungs­vermögen und Leistungsverhalten einer Solarbatterie zu beschreiben:

Batterietechnologie

Batteriespeicher arbeiten entweder auf Blei-Basis (Blei-Säure, Blei-Gel) oder mit Lithium-Ionen. Blei-Akkus sind wirtschaftlich erprobt und länger im Einsatz als Lithium-Ionen-Speicher. Der Wirkungsgrad von Lithium-Ionen-Akkus ist jedoch höher als bei Blei-Akkus.

Speicherkapazität / Batteriekapazität (Nennkapazität)

Die Speicherkapazität einer Solarbatterie gibt an, wieviel Strom sie mit einer vollen Aufladung speichern kann. Die Speicherkapazität ist eine technische Angabe des Herstellers und wird in Kilowattstunden angegeben (kWh). Die Nennkapazität sollte mit einem Herstellerhinweis versehen sein, für welche PV-Leistung die Solarbatterie empfohlen wird.

Entladetiefe (DoD)

Eine Solarbatterie kann nicht zu 100% entladen werden. Diese sog. Tiefenentladung schädigt die Batterie. Deshalb kann eine Solarbatterie nur bis zur Entladetiefe entladen werden. Diese variiert je nach Hersteller. Zwischen 50% und mehr als 90% der gespeicherten Strommenge kann bei einem Entladevorgang deshalb (nur) entnommen werden.

Nutzbare Speicherkapazität / Batteriekapazität

Die technische Speicherkapazität einer Solarbatterie ist nur theoretischer Natur, da die Entladetiefe berücksichtigt werden muss. Die wirkliche praktische Kapazität einer Solarbatterie gibt deshalb erst die nutzbare Speicherkapazität an. Beispiel: hat eine Solarbatterie eine Speicherkapazität von 9 kWh und eine Entladetiefe von 80%, so kann die Batterie praktisch "nur" 7,2 kWh speichern (80% von 9 kWh).

Vollzyklus

Eine Solarbatterie einmal bis zur Entladetiefe zu entladen und anschließend vollständig wieder aufzuladen ist ein Vollzyklus. Dieser Gebrauch wird theoretisch einer Solarbatterie zugrunde gelegt.
 

Kleinstzyklus

Eine Solarbatterie wird nur geringfügig entladen und anschließend wieder aufgeladen. Welche Auswirkung dies auf die Alterung einer Solarbatterie hat ist bislang nicht ausreichend erforscht.

Maximale Lade / Entladeleistung & C-Rate

Waschmaschinen oder andere größere technische Geräte benötigen kurzzeitig viel Strom und erzeugen damit so genannte Lastspitzen. Ob diese Lastspitzen mit dem Batteriespeicher vollständig abgedeckt werden können, lässt sich an der maximalen Entladeleistung (in kW) ablesen. Wie schnell die Solarbatterie dabei entladen wird im Verhältnis zur Speicherkapazität, gibt die C-Rate an. Entlädt sich ein Batteriespeicher binnen einer Stunde völlig, so liegt der Wert bei 1C. Wie schnell der Batteriespeicher anschließend wieder aufgeladen werden kann, gibt im Umkehrschluss die maximale Ladeleistung an.

Zyklenlebensdauer / Anzahl der Vollzyklen

Technische Angabe des Herstellers, für wie viele Vollzyklen die Solarbatterie ausgelegt ist. Heutige Batteriespeicher haben eine Zyklenlebensdauer bis zu 7.000 Vollzyklen. Bei Erreichen der Zyklenlebensdauer hat die Solarbatterie eine Kapazität von 80% ihrer ursprünglichen Nennkapazität (und kann theoretisch noch weiter benutzt werden).

Kalendarische Lebensdauer

Die kalendarische Lebensdauer ist ebenfalls eine theoretische Angabe des Herstellers. Wird der Batteriespeicher weder entladen noch geladen, so besitzt die Solarbatterie nach Ablauf der kalendarischen Lebenszeit noch 80% ihrer ursprünglichen Nennleistung. Einige Hersteller tauschen z.B. bei einer geringen kalendarischen Lebensdauer die Solarbatterie einmal kostenfrei aus.

Gebrauchsdauer

Die Gebrauchsdauer ist ähnlich wie die nutzbare Speicherkapazität eine praktische Größe. Bei der Gebrauchsdauer wird zunächst angenommen, wie viele Vollzyklen ein Batteriespeicher pro Jahr praktisch machen wird. Die Photon hat hier z.B. angenommen, dass ein Batteriespeicher jährlich rund 200 mal vollständig entladen und geladen wird. Bei 7.000 Vollzyklen hätte die Solarbatterie eine Gebrauchsdauer von 35 Jahren.

Systemwirkungsgrad

Batteriespeicher sind elektrochemische Speicher und werden über elektronische Komponenten (Laderegler / Batteriewechselrichter) gesteuert. Aus diesem Grund ergeben sich wie bei allen technischen Anlagen Leistungsverluste von einigen Prozentpunkten. Die Herstellerangaben zum Systemwirkunsgrad einer Solarbatterie sind bis dato noch uneinheitlich. Entscheidend ist, dass sowohl der Zyklenwirkunsgrad des Akkus (Blei ca. 75%; Lithium-Ionen >90%) als auch die Teilwirkungsgrade der verschiedenen elektronischen Komponenten zum Systemwirkungsgrad hinzugezählt werden.

AC / DC gekoppelt

Batteriespeicher können elektrisch entweder "nach" dem Wechselrichter der PV-Anlage im Wechselstromkreis des Hauses eingebunden werden (AC-gekoppelt) oder "vor" dem Wechselrichter im zwischengeschalteten Gleichstromkreis (DC-gekoppelt). Da eine Solarbatterie grundsätzlich Gleichstrom lädt, sind AC-gekoppelte Systeme zusätzlich mit einem Konverter (Batteriewechselrichter) ausgestattet, der den Wechselstrom zum Laden der Solarbatterie in Gleichstrom wandelt. Zum Entladen wird der Batterie-Gleichstrom wieder in Wechselstrom gewandelt. DC-gekoppelte Systeme benötigen diesen Konverter nicht, da sie direkt den erzeugten Gleichstrom der PV-Anlage laden. Hierdurch ergibt sich ein leicht höherer Wirkungsgrad, jedoch muss bei einer nachträglichen Installation der Wechselrichter der PV-Anlage getauscht werden, was bei AC-gekoppelten Systemen nicht der Fall ist und die Nachrüstung mit einem Batteriespeicher flexibler gestaltet.

1-phasig / 3-phasig

Batteriespeicher speisen den geladenen Solarstrom entweder auf einer oder drei Phasen ins Hausnetz / öffentliche Stromnetz ein. 1-phasige Batteriespeicher können im Fall eines Stromausfalls Elektrogeräte mit 3-phasigem Anschluss nicht versorgen, so dass z.B. der Herd in der Küche nicht funktionieren würde. Ebenso müssen PV-Anlagen 3-phasig ins Stromnetz einspeisen (Ausnahmen gelten für Anlagen bis 4,6 kWp). Der Anschluss eines 1-phasigen Batteriespeicher sollte deshalb mit dem Netzbetreiber abgeklärt werden.

Volleinspeiser

Volleinspeiser sind Batteriespeicher, die gespeicherten Solarstrom (Batteriestrom) direkt ins Netz einspeisen dürfen. AC-gekoppelte Batteriespeicher benötigen hierfür einen zusätzlichen Zähler um zu verhindern, dass Strom aus dem Netz geladen und als Solarstrom eingespeist wird.

Notstromoption

Eine Notstromoption ermöglicht es, dass bei einem Stromausfall die Solarbatterie im Bruchteil einer Sekunde die Stromversorgung des Hauses übernimmt und zusammen mit der PV-Anlage das Haus im Inselbetrieb versorgt. Hierbei kommt es u.a. darauf an, ob die Solarbatterie 1-phasig oder 3-phasig einspeist, damit auch sämtliche Elektrogeräte im Haus (3-phasige) funktionieren.

Kennzahlen, die im Alltag entscheidend sind

Die zuvor genannten Daten beschreiben im Kern die technische Leistungsfähigkeit der Solarbatterie selbst. Wie gut die Solarbatterie im praktischen Betrieb abschneidet, um in Kombination mit einer PV-Anlage einen Haushalt möglichst weitgehend mit Strom zu versorgen, darüber geben die folgenden drei Größen Auskunft.   

Eigenverbrauchsanteil

Der Eigenverbrauchsanteil steht in Bezug zur erzeugten Strommenge der Photovoltaikanlage und sagt aus, wieviel Solarstrom aus der PV-Anlage selbst verbraucht werden kann im Haushalt durch den Einsatz der Solarbatterie. Ein möglichst hoher Eigenverbrauchsanteil hängt dabei von einer fachgerechten Planung und Auslegung beider Systeme ab.

Autarkiegrad

Der Autarkiegrad steht in Bezug zum gesamten Stromverbrauch des Haushalts und sagt im Unterschied zum Eigenverbrauchsanteil aus, wieviel des tatsächlichen Strombedarfs durch die Photovoltaik Solarbatterie Kombination gedeckt werden kann.

Kosten pro gespeicherter Kilowattstunde

Wie wirtschaftlich ein Batteriespeicher ist lässt sich daran festmachen, was eine gespeicherte Kilowattstunde umgerechnet kostet (in Cent). Diese lassen sich für einen Batteriespeicher wie folgt berechnen:

Nennkapazität x Anzahl der Vollzyklen = theoretisch speicherbare Energiemenge

theoretisch speicherbare Energiemenge in praktisch speicherbare Energiemenge umrechnen, indem die Entladungstiefe und der Systemwirkungsgrad prozentual abgezogen werden

Investitionskosten / Endkundenpreis (für die gleiche technische Ausstattung) durch die praktisch speicherbare Energiemenge teilen ergibt den Preis pro gespeicherter Kilowattstunde Strom

Beispielrechnung für eine Lithium Ionenen Titanat Solarbatterie:

Nennkapazität 3,2 kWh x 15.000 Vollzyklen = 48.000 kWh theroretische Speichermenge

48.000kWh im Verhältnis zu 100% Entladungstiefe und 90% Systemwirkungsgrad ergibt 43.200 kWh nutzbare Speichermenge

14.100€ Endkundenpreis geteilt durch 43.200 kWh ~ 32 Cent pro gespeicherte kWh