Solarenergie speichern und nachts nutzen

Photovoltaikmodule erzeugen Strom, solange ausreichend Einstrahlung verfügbar ist. Nach Sonnenuntergang ist ein herkömmliches PV-Array keine aktive Quelle mehr, daher müssen nächtliche Lasten aus einer anderen Quelle versorgt werden, etwa aus dem Stromnetz, einer Batterie, einem Generator oder einer Kombination davon.

Ein Speicher verändert, wann solar erzeugte Energie genutzt werden kann, nicht aber, wie die PV-Module sie erzeugen. In Zeiten, in denen die PV-Erzeugung den unmittelbaren Bedarf des Standorts übersteigt, kann ein Teil der Energie in eine Batterie geleitet werden, sofern Anlagenarchitektur, Betriebsregeln und Batteriezustand das zulassen. Die gespeicherte Energie kann später entladen werden, wenn die PV-Erzeugung geringer ist oder ganz fehlt.

Die entscheidende Planungsfrage lautet daher nicht einfach, wie viel Strom das PV-Array tagsüber erzeugt. Das System muss berücksichtigen, wann Energie erzeugt wird, wann sie verbraucht wird, wie viel sich tatsächlich speichern lässt und welche Verluste zwischen Laden und späterer Nutzung auftreten.

Nicht für jede PV-Anlage ist eine Batterie erforderlich. Netzgekoppelte Standorte können die Solarerzeugung tagsüber verbrauchen und nachts Strom aus dem Netz beziehen, wo der Anschluss und die örtlichen Regeln dieses Betriebsmodell erlauben.

Bei einem netzgekoppelten Standort bleibt der nächtliche Verbrauch normalerweise eine Frage der Netzversorgung, es sei denn, der Eigentümer hat einen Grund, Energie zwischen Zeiträumen zu verschieben oder ausgewählte Lasten bei einem Ausfall aufrechtzuerhalten. Wer nur deshalb Batterien ergänzt, weil der Standort PV hat, kann Betriebsmittel, Steuerungen, Wartung, Umwandlungsverluste und Betriebseinschränkungen einführen, die für das eigentliche Ziel gar nicht nötig sind.

Ausgangspunkt sollte das Lastprofil des Standorts sein. Ein Haushalt mit geringem Bedarf über Nacht stellt ein anderes Speicherproblem dar als ein Gewerbebetrieb mit Kühlung, Pumpen, Servern, Prozessanlagen oder anderen Lasten, die durch die Nacht weiterlaufen. Der monatliche Energieverbrauch allein beschreibt diese Unterschiede nicht.

Auch der zeitliche Verlauf der Last zählt. Zwei Standorte können am Tag dieselbe Zahl an Kilowattstunden verbrauchen und dennoch sehr unterschiedliche Batteriesysteme erfordern, weil der eine den Bedarf auf einen kurzen Abendzeitraum konzentriert und der andere eine gleichmäßige Last durch die ganze Nacht hat.

Auch die Netzbedingungen gehören in die Analyse. Regeln für Bezug und Einspeisung, verfügbare Anschlussleistung, Tarifstruktur, Messkonzept und örtliche technische Anforderungen können verändern, ob ein Speicher betrieblich sinnvoll ist. Diese Fragen hängen von der tatsächlichen Rechtsordnung und vom Stromvertrag ab, nicht von einer allgemeinen Regel für Solarspeicher.

Vor der Auswahl der Betriebsmittel sollte der Betreiber daher drei Fragen trennen: Wie viel Energie wird nachts benötigt, welche Momentanleistung muss bereitgestellt werden, und ist das Netz in dieser Zeit weiterhin verfügbar?

Batteriekapazität und Batterieleistung sind verschiedene Größen. Die Energiekapazität wird normalerweise in Kilowattstunden angegeben und beschreibt, wie viel Energie innerhalb des nutzbaren Betriebsbereichs gespeichert oder abgegeben werden kann. Die Leistung, angegeben in Kilowatt, beschreibt, wie schnell die Batterie und die zugehörige Leistungselektronik Energie liefern oder aufnehmen können.

Eine Batterie kann daher genug Energie für den nächtlichen Bedarf haben und trotzdem eine große Momentanlast nicht tragen. Auch das Gegenteil ist möglich: Ein System liefert kurzzeitig hohe Leistung, hat aber nicht genug nutzbare Energie, um mehrere Stunden Verbrauch abzudecken.

Der nutzbare Anteil der Nennkapazität hängt vom Batteriesystem, den Betriebsgrenzen, den Ladezustandsregelungen, der Temperatur, dem Alterungszustand und der zulässigen Entladetiefe ab. Für das tatsächliche Produkt sollten die Herstellerangaben herangezogen werden, statt anzunehmen, dass die gesamte Nennkapazität jede Nacht entladen werden kann.

Auch Umwandlungsverluste müssen berücksichtigt werden. Zwischen PV-Erzeugung und der endgültigen AC-Last kann Energie durch Ladegerät, Wechselrichter, Batterie, Verkabelung und Steuerungstechnik laufen. Die nachts zurückgewonnene Energie ist daher nicht identisch mit der Energie, die das Array ursprünglich bereitgestellt hat.

Das maßgebliche Lastprofil sollte idealerweise sowohl kurze Spitzen als auch die Gesamtenergie enthalten. Motoren, Pumpen, Klimaanlagen oder andere Geräte können Anlauf- oder Gleichzeitigkeitsbedingungen erzeugen, die die Leistungsanforderungen an Wechselrichter und Batterie bestimmen, selbst wenn ihr gesamter nächtlicher Energiebedarf mäßig ist.

Eine brauchbare Speicherberechnung beginnt mit dem über die Zeit gemessenen Verbrauch. Stündliche oder feinere Daten zeigen, wie sich der Bedarf nach Sonnenuntergang ändert, wann die höchsten Lasten auftreten und wie viel Energie bereitgestellt werden muss, bis die Solarerzeugung wieder einsetzt oder die Netzversorgung wieder verfügbar ist.

Auch jahreszeitliche Schwankungen sollten berücksichtigt werden. Winternächte können länger sein, während die PV-Erzeugung am vorangehenden Tag geringer ausfällt, und manche Gebäude haben Heiz-, Kühl-, Bewässerungs- oder Prozesslasten, die sich im Jahresverlauf ändern. Eine Batterie, die auf einen günstigen Tag ausgelegt ist, verhält sich in einer anderen Jahreszeit möglicherweise anders.

Die Auslegung hängt zudem vom Ziel ab. Energieverschiebung, geringerer Netzbezug in ausgewählten Zeiträumen, der Betrieb einer Inselanlage und Notstromversorgung bei Ausfall sind unterschiedliche Anforderungen. Jede kann selbst für denselben Standort zu einer anderen Auslegung von Kapazität, Leistung, Steuerung und Wechselrichter führen.

Überdimensionierung ist nicht automatisch sicherer oder wirtschaftlicher. Zusätzliche Batteriekapazität kann ungenutzt bleiben, wenn die PV-Anlage nicht genug Überschuss zum Laden erzeugt oder die nächtliche Last des Standorts gering ist. Eine Unterdimensionierung kann ebenso dazu führen, dass ein Teil der vorgesehenen Last von einer anderen Quelle abhängig bleibt.

Die Berechnung sollte daher ihre Annahmen ausdrücklich nennen: erwartete Last, nutzbare Kapazität, Umwandlungsverluste, Lademöglichkeiten, Umgebungsbedingungen, Betriebsreserve und gegebenenfalls erforderliche Autonomiezeit. Eine allgemeine Batteriegröße lässt sich nicht auf unterschiedliche Anlagen übertragen.

Photovoltaisch-thermische Systeme, kurz PV/T, verbinden die photovoltaische Stromerzeugung mit der Gewinnung nutzbarer Wärmeenergie. Je nach Bauart kann die Wärme an Luft oder Flüssigkeit übertragen werden, etwa für die Warmwasserbereitung oder andere thermische Lasten. Die Technologie nutzt aus dem verfügbaren Solarangebot sowohl elektrische als auch thermische Energieströme.

PV/T sollte nicht mit elektrischer Batteriespeicherung verwechselt werden. Die Gewinnung von Wärme bei Tageslicht liefert für sich genommen keine gespeicherte elektrische Energie für gewöhnliche Verbraucher in der Nacht. Müssen elektrische Lasten nach dem Ende der Solarerzeugung weiterlaufen, braucht das System dennoch eine geeignete elektrische Quelle wie das Netz, eine Batterie oder einen anderen Generator.

Wärmespeicher können nützlich sein, wenn der nächtliche Bedarf selbst thermisch ist. Erhitztes Wasser oder ein anderes Wärmeträgermedium lässt sich mitunter für die spätere Nutzung speichern, doch das ist ein anderes technisches Problem, als elektrische Lasten mit einer Batterie zu versorgen.

Auch andere Ansätze können den Bedarf an elektrischer Speicherung verringern. Manche Lasten lassen sich in die Tagesstunden verschieben, nach der verfügbaren PV-Erzeugung steuern oder direkt versorgen, solange das Array erzeugt. Ob das praktikabel ist, hängt vom Prozess und von den Anforderungen der Nutzer ab.

Die Planung sollte daher mit der Leistung beginnen, die nachts gebraucht wird. Elektrische Energie, Wärmeenergie, unterbrechungsfreie Notstromversorgung und einfache Lastverschiebung sollten nicht als austauschbare Ziele behandelt werden.

Eine Batterie verschafft einem Gebäude bei einem Netzausfall nicht automatisch unterbrechungsfreien Strom. Viele netzgekoppelte PV- und Speichersysteme sind so ausgelegt, dass sie sich bei Bedarf von der Netzversorgung trennen, und der Notstrombetrieb hängt von Wechselrichter, Schaltgeräten, Steuerung, Anordnung der abgesicherten Lasten und Systemkonfiguration ab.

Der Planer muss entscheiden, welche Lasten abgesichert werden sollen. Beleuchtung, Kommunikation oder ausgewählte kritische Betriebsmittel zu versorgen ist etwas anderes, als den gesamten Standort betreiben zu wollen. Spitzenleistung, Anlaufströme, erwartete Ausfalldauer und verfügbare gespeicherte Energie beeinflussen diese Entscheidung.

Auch der Übergang in den Notstrombetrieb ist wichtig. Manche Anwendungen vertragen eine kurze Unterbrechung, andere verlangen eine andere Anforderung an die Versorgungskontinuität. Die gewählten Betriebsmittel und die elektrische Architektur müssen das beabsichtigte Verhalten unterstützen, statt sich allein auf das Vorhandensein einer Batterie zu verlassen.

Die PV-Erzeugung kann bei einem Ausfall mitunter Energie zu einem richtig konfigurierten Notstromsystem beitragen, das hängt aber von Wechselrichter und Speicherarchitektur ab. Dass Solarmodule an ein System angeschlossen sind, garantiert nicht, dass ihre Leistung bei Netzausfall verfügbar bleibt.

Die Notstromauslegung sollte daher unabhängig von der gewöhnlichen nächtlichen Energieverschiebung festgelegt werden. Ein System kann geeignet sein, gespeicherte Solarenergie nach Sonnenuntergang zu nutzen, und dennoch für das geforderte Ausfallszenario ungeeignet bleiben.

Die Batterieauswahl sollte auf dokumentierten Betriebsbedingungen beruhen und nicht auf einem einfachen Vergleich nomineller Kilowattstunden. Nutzbare Entladetiefe, Lade- und Entladeleistung, Temperaturgrenzen, Zyklenverhalten, Steuerungseinstellungen, Wechselrichterkompatibilität und Einbauumgebung können den praktischen Betrieb alle beeinflussen.

Garantiebedingungen sollten direkt den Unterlagen des Herstellers oder Lieferanten für das vorgesehene System entnommen werden. Sie können Betriebsbedingungen, Durchsatzgrenzen, zeitliche Begrenzungen, Temperaturanforderungen oder weitere Bestimmungen enthalten und lassen sich nicht auf alle Batterietechnologien oder Marken verallgemeinern.

Auch die örtlichen Netzregeln spielen eine Rolle. Anschlussanforderungen, Einspeisegrenzen, Schutzeinstellungen, Messung und Genehmigungsverfahren unterscheiden sich je nach Rechtsordnung und Anlagentyp. Eine technisch mögliche Speicherkonfiguration kann an einem anderen Ort eine andere Anschlusslösung erfordern.

Finanzielle Annahmen verlangen dieselbe Vorsicht. Strompreise, Tarifzeiten, Batterienutzung, künftige Last, Alterung, Wartung, Finanzierung und der verfügbare PV-Überschuss beeinflussen das wirtschaftliche Ergebnis. Eine feste Amortisationszeit lässt sich ohne diese Angaben nicht verantwortungsvoll nennen.

Die Speicherplanung sollte daher mit gemessenen Lasten und einem klar definierten Betriebsziel beginnen. Die Batterie ist nur ein Teil des Systems; Wechselrichterverhalten, Netzanschluss, Regelungslogik, elektrischer Schutz, Umgebungsbedingungen und das tatsächliche Verbrauchsprofil entscheiden, ob die vorgesehene Auslegung den nächtlichen Bedarf decken kann.