Auslegung eines PV-Speichers

Mit einer Photovoltaikanlage eigenen sauberen Solarstrom produzieren und sich unabhängig von den großen Energieversorgern machen – eine verlockende Vorstellung. Über das Jahr gesehen lassen sich aber nur bis zu 30 % des selbst produzierten Solarstroms auch wirklich selbst nutzen, wenn die PV-Anlage so dimensioniert wurde, dass sie rechnerisch den Bedarf deckt. Der größte Teil des selbst produzierten Stroms wird also in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Das liegt daran, dass PV-Anlagen dann den meisten Strom erzeugen, wenn er im Haushalt nicht abgerufen wird: in den Mittagsstunden. Morgens und abends, wenn in der Regel alle Bewohner zuhause sind und der Energiebedarf besonders hoch ist, wird dagegen wenig oder kein Solarstrom erzeugt.

Wird ein Stromspeicher mit der Photovoltaikanlage verbunden, lässt sich der Eigenverbrauch deutlich erhöhen. Damit der eigene Solarstrom optimal genutzt werden kann, müssen PV-Speicher und Anlage im richtigen Verhältnis zueinander dimensioniert werden. Hier gilt es, das Maß zwischen einem hohen Autarkiegrad ‒ der durch einen möglichst großen Stromspeicher erreicht werden kann ‒ und den dafür notwendigen Ausgaben zu finden, damit die Investition rentabel ist.

Stromspeicher lassen sich übrigens auch mit einer bestehenden PV-Anlage kombinieren. Für wen sich die Nachrüstung lohnt, erklären wir im Artikel "Stromspeicher nachrüsten".

Wenn von der Größe eines PV-Speichers gesprochen wird, ist damit dessen Speicherkapazität gemeint. Die Speicherkapazität wird oft auch als Energieinhalt bezeichnet. Sie gibt an, wie viel Energie in Kilowattstunden (kWh) maximal gespeichert werden kann.

Ein Batteriespeicher ist so konstruiert, dass er sich in der Regel nicht vollständig entlädt. Dies soll Schäden verhindern. Entscheidend für den tatsächlich nutzbaren Energieinhalt ist daher die Entladetiefe (Depth of Discharge, kurz DoD): Je höher der Wert, desto mehr Energie kann aus dem Stromspeicher entnommen werden. Ein Stromspeicher mit einer Speicherkapazität von 7 kWh und einer Entladetiefe von 80 % stellt demnach nur 5,6 kWh zur Verfügung. In der Regel liegt die Entladetiefe bei Lithium-Ionen-Akkus zwischen 70 und 100 %.

Eine weitere wichtige Größe – vor allem dann, wenn leistungsfähige Verbraucher in das System eingebunden werden – ist die C-Rate des Stromspeichers. Sie beschreibt, wie schnell der Speicher im Verhältnis zu seiner Kapazität entladen und wieder vollständig geladen werden kann. Ist die Lade- und Entladeleistung zu gering, dauert es sehr lange, bis die Batterie wieder geladen ist. Zudem lassen sich Lastspitzen im Verbrauch nicht abdecken.

Um die optimale Größe des Solarspeichers berechnen zu können, ist es hilfreich, die Einflussfaktoren zu kennen:

• Jahresstromverbrauch
• Nutzungsverhalten
• Leistung der PV-Anlage
• Standort und Ausrichtung der Anlage
• angestrebter Autarkiegrad und Eigenverbrauchsanteil

Jahresstromverbrauch

Ähnlich wie bei Pufferspeichern für Solarthermieanlagen ist auch bei Batteriespeichern für PV-Anlagen der Verbrauch eines der wichtigsten Kriterien für die Auslegung. Zur Berechnung der Speichergröße wird für gewöhnlich der Jahresstromverbrauch herangezogen. Als Faustregel gilt, dass der Speicher pro 1.000 kWh Jahresverbrauch einen Energieinhalt von 1 kWh aufweisen sollte. 

Dazu ein Beispiel: Ein durchschnittlicher Vier-Personen-Haushalt hat einen Jahresstromverbrauch von rund 4.500 kWh. Laut Faustregel würde ein nutzbarer Energieinhalt von 4,5 kWh benötigt. Geht man von einer Entladetiefe zwischen 70 und 100 % aus, ergibt das einen Gesamtenergieinhalt zwischen 4,5 und 6,5 kWh.

Der individuelle Jahresstromverbrauch lässt sich anhand der Stromkostenabrechnungen der vergangenen Jahre ermitteln. Bei der Berechnung sollte man die Zukunft im Blick haben und bereits eventuelle Verbrauchsänderungen – etwa durch die Anschaffung eines E-Autos, einer Wärmepumpe oder weiterer elektrischer Großverbraucher – berücksichtigen.

Nutzungsverhalten

Wird der meiste Strom in den Morgen- oder Abendstunden verbraucht, benötigt man einen größeren Stromspeicher. Liegt der größte Verbrauch dagegen rund um die Mittagszeit, wenn die Solarzellen viel Solarstrom produzieren, genügt ein kleinerer Batteriespeicher. 

Leistung der PV-Anlage

Die Leistung der PV-Anlage spielt ebenfalls eine Rolle für die Dimensionierung des PV-Speichers. Generell ist ein Batteriespeicher nur sinnvoll, wenn ausreichend Stromüberschüsse anfallen. Die PV-Leistung sollte daher mindestens 0,5 kWh pro 1.000 kWh Jahresstromverbrauch betragen. Meist liegt die Nennleistung einer PV-Anlage bei 1 kWp pro 1.000 kWh Jahresstromverbrauch. 

Für typische Privathaushalte gilt die Regel: Der nutzbare Energieinhalt sollte etwa 1 kWh pro 1.000 kWh Stromverbrauch im Jahr betragen.

Standort und Ausrichtung der PV-Anlage

Sind die Solarpanels nach Süden ausgerichtet, wird tendenziell ein größerer Speicher benötigt als für Solarmodule mit Ost-West-Ausrichtung. Natürlich kommt es auch hier auf das Nutzungsverhalten an: Anlagen mit Ost-West-Ausrichtung fangen besonders gut morgendliche und abendliche Verbrauchsspitzen ab. Südanlagen erzeugen dagegen den meisten Strom in den Mittagsstunden.

Autarkiegrad und Eigenverbrauchsanteil

Der Autarkiegrad ist die Messlatte für die Unabhängigkeit vom Energieversorger. Er gibt an, wie viel Prozent des Jahresstromverbrauchs durch den eigenen Solarstrom gedeckt werden kann. Wer einen möglichst hohen Autarkiegrad anstrebt, wird sich auch für einen möglichst großen Stromspeicher entscheiden. 

Gleiches gilt im Prinzip auch für den Eigenverbrauchsanteil. Dabei ist zu beachten, dass ab einem bestimmten Speicherenergieinhalt Autarkiegrad und Eigenverbrauchsanteil nur noch geringfügig gesteigert werden können. Aufschluss gibt der Unabhängigkeitsrechner der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin (HTW). Der Rechner zeigt an, wie sich die beiden Kennzahlen in Abhängigkeit von Jahresstromverbrauch, Photovoltaikleistung und nutzbarer Kapazität des Batteriespeichers ändern.

Zu beachten ist, dass auch mit Stromspeicher im Allgemeinen keine 100-prozentige Autarkie erreicht werden kann, egal für welche Speichergröße man sich entscheidet. Das hat zwei Gründe: Zum einen produziert die Solaranlage witterungs- und jahreszeitlich bedingt nicht jeden Tag gleich viel Strom. Zum anderen ist der Stromverbrauch im Haushalt nicht jeden Tag gleich. Der Speicher wird lediglich an die Mittelwerte angepasst.

Auslegung und Wirtschaftlichkeit

Ist der Stromspeicher zu klein, lässt sich der Eigenverbrauch nicht optimieren, denn der Speicher ist schnell voll und es wird viel überschüssiger Strom ins Netz eingespeist. Bei geringer Stromproduktion muss dann relativ viel teurerer Netzstrom hinzugekauft werden. Überdimensionierte Speicher werden dagegen nicht vollständig ausgelastet. 

Speicher sind nach wie vor recht teuer, obwohl sich die Preise in den letzten Jahren bereits halbiert haben. Für einen größeren Speicher muss man tiefer in die Tasche greifen als für einen kleineren. Egal, ob großer oder kleiner Speicher: Die entstandenen Kosten sollten im Laufe der Zeit durch Einsparungen bei den Stromkosten selbstverständlich wieder eingespielt werden. Ein weiterer Grund den Speicher nicht zu groß zu dimensionieren, ist, dass eine dauerhafte Teilaufladung sich negativ auf die Lebensdauer des Stromspeichers auswirkt.

Die HTW Berlin hat im Rahmen ihrer Stromspeicher-Inspektion Empfehlungen für die Auslegung von PV-Speichern für Einfamilienhäuser ausgearbeitet und sinnvolle Obergrenzen für die nutzbare Speicherkapazität definiert: 

Die oben genannten Formeln und Faustregeln sollen lediglich zur groben Orientierung und Einschätzung der anfallenden Kosten für den Stromspeicher dienen. Die Ermittlung der exakten Speichergröße übernimmt am besten ein erfahrener Solarteur. Er bezieht nicht nur die individuellen Wünsche, sondern auch alle Gegebenheiten vor Ort in die Berechnungen ein. Was es bei der Auswahl eines passenden Betriebs zu beachten gilt, darüber klärt der Artikel „Photovoltaik-Installateur finden“ auf.