PV Anlage Stromspeicher Technik

Komponenten eines Photovoltaik-Speichersystems

PV-Anlage ohne Akku?

Akku als zentrales Element

Die zentrale Komponente eines Photovoltaik-Batteriespeichersystems ist die wieder aufladbare Batterie (Akkumulator, kurz Akku). Darin wird der Solarstrom zwischengespeichert, bis er im Haushalt verbraucht wird.
Solar Batterie (Akku): Wie lange halten Stromspeicher für Photovoltaikanlagen ?Marktüblich sind derzeit Blei-Akkus sowie Lithium-Ionen-Akkus. Blei-Gel- und Blei-Säure-Batterien sind jahrzehntelang erprobt und vergleichsweise günstig, haben aber einen deutlich niedrigeren Wirkungsgrad als Lithium-Ionen-Akkus. Dass letztere in stationären Anwendungen wie PV-Speichersystemen eingesetzt werden, ist relativ neu. Deshalb sind Lithium-Ionen-Akkus noch teurer als Bleibatterien. Dafür ist ihre Speicherdichte deutlich höher, wodurch sie weniger Platz benötigen, und sie halten länger als Bleibatterien.
Ende 2015 hatten Lithium-Ionen-Speicher bereits einen Marktanteil von rund 90 Prozent. Zum Einsatz kommen unterschiedliche Zelltechnologien wie Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4), Lithium-Titanat (LTO) und Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (Li-NMC). Lithium-Akkus können theoretisch bis zu 100 Prozent entladen werden, um sie nicht zu schädigen, werden sie aber nur zu circa 80 bis 95 Prozent entladen. Bleibatterien haben eine Entladetiefe von etwa 50 Prozent.
Im Jahr 2015 kam der erste Heimspeicher mit Vanadium-Redox-Flow-Akkus auf den Markt. Diese Technologie wurde zuvor nur in Industrieanwendungen eingesetzt. Redox-Flow-Speicher können komplett entladen werden, haben jedoch eine niedrige Energiedichte und benötigen entsprechend viel Platz.

Batterie-Wechselrichter

Ein Batterie-Wechselrichter mit Ladereglerfunktion regelt die Be- und Entladung der Batterie. Außerdem sorgt er dafür, dass elektrische Energie in das Hausnetz geleitet wird, wenn gerade zu wenig Solarstrom erzeugt wird und noch genügend Energie in der Batterie vorhanden ist.
Die wichtigsten Kenndaten eines Batteriewechselrichters sind der Wirkungsgrad und die maximale Lade- und Entladeleistung. Je höher der Wirkungsgrad, desto geringer sind die Verluste, das heißt, desto weniger Strom wird im Wechselrichter in Wärme umgewandelt. Gute Werte für den Wirkungsgrad liegen bei etwa 95 Prozent pro Stromrichtung (Be- oder Entladen). Die Ladeleistung ist maßgeblich dafür, wie schnell der Akku aufgeladen werden kann. Von der Entladeleistung hängt es ab, welche Lasten im Haus mit dem Speicher bedient werden können.

Solar-Wechselrichter

Der Solar-Wechselrichter (Photovoltaik-Wechselrichter) wandelt den von den PV-Modulen erzeugten Gleichstrom in haushaltsüblichen Wechselstrom um. Darüber hinaus optimiert er die Anlagenleistung. Hierfür betreibt er die Module in ihrem Leistungsoptimum, das heißt am „Maximum Power Point“ (MPP). Der MPP bezeichnet die Kombination aus Stromstärke und Spannung, bei der das Modul – abhängig von der Temperatur und der Sonneneinstrahlung – die optimale Leistung erzeugt.

Mit sogenannten MPP-Trackern optimieren Wechselrichter den MPP laufend je nach Temperatur und Einstrahlung. Weiterhin erfasst der Solarwechselrichter die Betriebsdaten der Photovoltaikanlage bzw. des jeweiligen Modulstrings. Diese Daten können am Display des Wechselrichters eingesehen werden oder über ein Monitoring-Programm, an welche der Wechselrichter die Betriebsdaten sendet.

Akku für Solaranlagen?

fully charged battery

DC/DC-Wandler

Ein DC/DC-Wandler (Gleichspannungswandler) ist eine elektrische Schaltung, die zugeführte Gleichspannung in Gleichspannung mit höherem oder niedrigerem Spannungsniveau umwandelt. Bei Speichersystemen, die in die Gleichstromseite eingebunden sind, ist der DC/DC-Wandler direkt hinter den Solarmodulen und noch vor dem Laderegler und dem Wechselrichter installiert.

Batteriemanagementsystem

Das Batteriemanagementsystem gewährleistet den langfristigen und sicheren Betrieb der Batterie. Eine Batterie bzw. ein Akku besteht aus mehreren Batteriezellen, die zusammengeschaltet werden. Fertigungsbedingt haben die einzelnen Zellen leicht unterschiedliche Parameter, zum Beispiel verschiedene Kapazitäten. Das Batteriemanagementsystem ist eine elektronische Schaltung, welche die Zellen überwacht und regelt. So kontrolliert es beispielsweise die Temperatur der Zellen, es ermittelt die Ladezustände und passt die Be- und Entladung zellspezifisch an. Außerdem erfasst es die Betriebsdaten der Zellen.

Energiemanagementsysteme

Energiemanagementsysteme gibt es als einfache Variante bis hin zum komplexen System. Ein einfaches Energiemanagementsystem erfasst die Energieflüsse im Gebäude, die Betriebsdaten der PV-Anlage und den Ladezustand der Batterie. Zum Beispiel: Wie viel Solarstrom wird gerade erzeugt, wie viel wird im Haushalt verbraucht, wie viel kann noch in der Batterie gespeichert werden und wie viel Solarstrom wird in das Netz eingespeist.

Komponenten eines Photovoltaik-Speichersystems mit AkkuEin etwas aufwändigeres Energiemanagementsystem bindet Wetterprognosen mit ein, die bei der Steuerung berücksichtigt werden.

Ein leistungsfähiges Energiemanagementsystem wie das von Caterva arbeitet auf zwei Ebenen. Die erste Ebene ist die im Haus. Hier steuert das Energiemanagementsystem die Energieflüsse so, dass die Eigenversorgung mit Solarstrom optimiert wird. Auf der zweiten Ebene ist der PV-Speicher mit der Leitwarte von Caterva verbunden, wo eine Vielzahl dezentraler und miteinander vernetzter PV-Speicher gemeinsam vom Energiemanagement organisiert wird, um weitere – zum Beispiel netzstabilisierende – Funktionen zu erfüllen und Zusatzerlöse zu erwirtschaften.

Stromzähler

Bei nicht vernetzten Heimspeichern werden ein Energieflussrichtungssensor und ein Zweirichtungszähler installiert. Bei dem Modell von Caterva werden zwei sogenannte Smart Meter installiert. Smart Meter sind, einfach gesprochen, elektronische Zähler, die den tatsächlichen Energieverbrauch und die Nutzungszeit messen. Bei den vernetzten Speichern nach dem Freistrom-Konzept erfassen sie einerseits, wie viel elektrische Energie in das Haus kommt und wieviel herausgeht, andererseits, wieviel Energie in den Speicher geschickt und wieviel wieder entnommen wird.

Ersatz- Notstrom – Inselfähigkeit

Die Ersatzstromfunktion (auch – technisch nicht ganz korrekt – als Notstromfunktion bezeichnet) springt bei Ausfall der Stromversorgung durch das öffentliche Netz ein. Ausgewählte oder sämtliche Verbraucher werden dann von einer anderen Stromquelle, wie einem Solarstrom-Speichersystem, mit elektrischer Energie versorgt. Bei der Ersatzstromfunktion mit einem PV-Speicher wird zunächst das Haus vom öffentlichen Netz getrennt, anschließend wird durch das Speichersystem ein separates Netz gebildet. Bis das Ersatzstromnetz aufgebaut ist, kann es zu einer Unterbrechung der Stromversorgung von wenigen Sekunden kommen.
Die Ersatzstromfunktion ist von der unterbrechungsfreien Stromversorgung (UVS) zu unterscheiden. Bei letzterer muss eine permanente Stromversorgung gewährleistet sein. Sie ist beispielsweise in Krankenhäusern und Rechenzentren notwendig.
Der Begriff Inselnetzfähigkeit bezieht sich auf die gesamte Photovoltaikanlage. Systeme, die bei Ausfall des öffentlichen Stromnetzes einen Inselnetzbetrieb ermöglichen, können durch die Photovoltaikanlage versorgt und nachgeladen werden. Wie die Ersatzstromfunktion und die unterbrechungsfreie Stromversorgung, ist die Inselnetzfähigkeit oft eine optionale Funktion von Solarstromspeichersystemen.

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