Versorgen statt erzeugen – Grundwissen zur Auslegung von Eigenverbrauchsanlagen

Von am 27. Mai 2013 in der Kategorie Energiemanagement, Technologie mit 4 Kommentare
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Selbst verbrauchen statt einspeisen – durch die in Deutschland erreichte Netzparität ist die Selbstversorgung mit Solarstrom inzwischen die wirtschaftlichste Art, eine neue PV-Anlage zu betreiben. Eng damit verknüpft ist das wachsende Interesse an Speichersystemen. Denn sie sorgen dafür, dass ein größerer Anteil des günstigen Solarstroms auch im eigenen Haus verbraucht werden kann und ermöglichen zudem noch mehr Unabhängigkeit. Die Auslegung von PV-Anlagen zur Eigenversorgung folgt jedoch grundlegend anderen Regeln als die von reinen Einspeiseanlagen, erst recht in Kombination mit Speichern – vor allem deshalb, weil dabei einige neue Kenngrößen zu berücksichtigen sind, die zudem in wechselseitiger Abhängigkeit stehen. Dieser Beitrag soll die grundlegenden Zusammenhänge erläutern und Hilfestellung bei der Planung und Bewertung solcher Anlagen geben.


Grundlagen und Grundbegriffe

Wenn es um die günstige Eigenversorgung mit Solarstrom geht, sind zunächst zwei Punkte zu klären: Welchen Kostenvorteil hat der selbst erzeugte Strom gegenüber gekauftem Strom aus dem Netz? Und welcher Anteil des häuslichen Strombedarfs lässt sich damit decken? Neben den Erzeugungskosten des Solarstroms, dem jeweiligen Bezugsstrompreis und dem Strombedarf des Haushalts spielen dabei die Eigenverbrauchs- und die Autarkiequote die entscheidende Rolle.

Die Eigenverbrauchsquote beschreibt, welcher Anteil des selbst produzierten Solarstroms auch im eigenen Haushalt  verbraucht wird. Sie geht also von der Gesamtmenge der erzeugten PV-Kilowattstunden aus und bestimmt ihren durchschnittlichen Wert: Der selbstverbrauchte Teil ist so viel Wert wie der Bezugsstrompreis, der Rest so viel wie die jeweilige Einspeisevergütung. Die Eigenverbrauchsquote als „Mischungsverhältnis“ bestimmt folglich den durchschnittlichen Wert jeder erzeugten Kilowattstunde Solarstrom. Seitdem die Einspeisevergütung kleiner ist als der typische Bezugsstrompreis für Haushaltskunden, ist eine hohe Eigenverbrauchsquote natürlich sinnvoll und erstrebenswert.

Die Autarkiequote beschreibt hingegen, welcher Anteil des im Haushalt benötigten Stroms aus der PV-Anlage stammt und wie viel vom Energieversorger zugekauft werden muss. Sie geht also vom Strombedarf des Haushalts aus und bestimmt den durchschnittlichen Preis jeder verbrauchten Kilowattstunde. Denn der Preis für den Bezugsstrom ist durch den Versorger vorgegeben, während der Solarstrom zu deutlich geringeren Kosten produziert werden kann. Je höher die Autarkiequote als „Mischungsverhältnis“, desto geringer der durchschnittliche Preis jeder im Haushalt verbrauchten Kilowattstunde – oder kurz: desto mehr Stromkosten spart der Haushalt.


Autarkie versus Eigenverbrauch
Auf den ersten Blick scheint die Sache nun einfach: Wenn Solarstrom in der Herstellung günstiger ist als gekaufter Strom aus dem Netz, sollte man lediglich eine hinreichend große PV-Anlage installieren. Doch leider sind die Verhältnisse komplizierter. Denn je größer die PV-Anlage bei gleichbleibendem Stromverbrauch, desto geringer wird die Eigenverbrauchsquote und damit der Kostenvorteil des Solarstroms. Schuld sind die zunehmenden Überschüsse zu einstrahlungsstarken Zeiten, die gegen eine geringe und bestenfalls kostendeckende Einspeisevergütung ins Netz fließen.

Bei der Festlegung der Anlagengröße bewegt man sich planerisch also zwischen zwei wenig vorteilhaften Extremen: Auf der einen Seite stehen sehr kleine Anlagen mit prinzipiell sehr hoher Eigenverbrauchsquote, aber nur geringer Energieerzeugung. Die erzeugten Kilowattstunden sind also besonders viel Wert, tragen aber kaum zur Versorgung des Haushalts bei. Auf der anderen Seite finden sich sehr große PV-Anlagen, die einen größeren Teil des häuslichen Strombedarfs decken können – allerdings nur bis zu einer Grenze von etwa 40 Prozent. Denn egal wie viele Kilowattstunden die PV-Anlage auch erzeugt, ein Teil der elektrischen Energie wird in der Regel dann benötigt, wenn sie gerade keine oder nur eine geringere Menge liefert (z. B. nachts). Und sobald die Einspeisevergütung auch nur minimal geringer ist als die Erzeugungskosten des Solarstroms, sorgen die wachsenden Einspeise-Überschüsse darüber hinaus noch für Verluste und machen die größeren Anlagen zunehmend unrentabel.

Ideal sind daher mittleren Anlagengrößen: Sie bieten von Natur aus eine immer noch gute Eigenverbrauchsquote, während die Autarkiequote schon beinahe ihr Maximum erreicht. Auf dieser Basis lassen sich Eigenverbauchs- und Autarkiequote dann weiter optimieren. Als Faustregel zur Planung möglichst wirtschaftlicher Eigenversorgungsanlagen bietet es sich daher an, den Anlagenertrag in etwa auf die Höhe des jährlichen Stromverbrauchs einzustellen – diese Konstellation wird auch von SMA in Beispielrechnungen verwendet.

Eigenverbrauch und Autarkie

Abb. 1: Typischer Verlauf: Während die Eigenverbrauchsquote mit zunehmender PV-Leistung gegen Null strebt, geht die Autarkiequote bei einfachen PV-Anlagen nicht über 30 bis 40 Prozent hinaus (Haushaltslastprofil, Jahresverbrauch 5.000 kWh, Südausrichtung)

 

Mehr Autarkie durch Energiemanagement
Ausgehend von der gewählten Anlagenleistung geht es nun darum, die Autarkie- und Eigenverbrauchsquote gleichzeitig zu erhöhen und so den Effekt der Stromkostensenkung zu verstärken. Möglich ist das durch zwei konkrete Maßnahmen: die zeitliche Angleichung des Verbrauchs an die Erzeugung der PV-Anlage und die Zwischenspeicherung von Solarstrom. Im Idealfall sind beide Maßnahmen Teil eines intelligenten und weitgehend automatischen Energiemanagements. Darüber hinaus umfasst das Energiemanagement aber auch die Auswertung aller Energieflüsse, eine vorausschauende Planung auf Basis von Erzeugungs- und Verbrauchsprognosen sowie eine komfortable Eingriffsmöglichkeit für den Nutzer. Bei der Zwischenspeicherung von Solarstrom ist ein Energiemanagement-System ebenfalls sehr hilfreich, da es zusätzlich den Betrieb des Batteriespeichers optimieren kann.

Die mit der Steigerung von Eigenverbrauch und Autarkie verbundenen Vorteile sind natürlich gegen die anfallenden Kosten abzuwägen. Ein zentraler Energiemanager ist in der Anschaffung vergleichsweise günstig, im Betrieb praktisch kostenlos und kann darüber hinaus auch die Effizienz des Speichers steigern – die Möglichkeit, Stromverbräuche zeitlich zu verschieben sollte daher immer zuerst ausgeschöpft werden. Allerdings ist sie nicht in jedem Fall gegeben, während Speichersysteme immer einsetzbar sind und zunehmend günstiger werden. Werden beide Maßnahmen mit Augenmaß umgesetzt, lassen sich Eigenverbrauchs- und Autarkiequote zu vertretbaren Kosten erheblich steigern, wodurch dann auch die Stromkosten des Haushalts sinken. Doch gerade bei den immer noch recht teuren Speichersystemen stellt sich noch eine wichtige Auslegungsfrage: Was ist die geeignete Speichergröße?

Große Speicher, kleine Wirkung
Ebenso wie die installierte PV-Leistung muss auch die benötigte Speicherkapazität immer zusammen mit dem elektrischen Energiebedarf des Haushalts betrachtet werden. Mit der Größe von Speichersystemen verhält es sich dabei ähnlich wie mit der Autarkiesteigerung durch größere PV-Leistungen: In beiden Fällen hat der Wahlspruch „viel hilft viel“ keine Gültigkeit, wenn das Gesamtsystem wirtschaftlich arbeiten soll.

Ursache ist die mit zunehmender Speicherkapazität immer geringere Auslastung der Batterie, die meist auch die teuerste Komponente ist. So kann eine in Relation zur PV-Leistung sehr große Batterie an einstrahlungsschwachen Tagen nicht vollständig geladen werden, während sie im an Tagen mit  geringerem Strombedarfs kaum entladen wird. Da Batterien neben einer begrenzten Anzahl von Lade-/Entladezyklen auch eine begrenzte kalendarische Lebensdauer haben, lässt sich der geringere Energiedurchsatz nicht auf einen längeren Zeitraum verteilen, sondern verfällt und treibt die Kosten der Zwischenspeicherung deutlich nach oben (das gilt insbesondere bei Verwendung von zyklenfesteren Li-Ion-Batterien).

Felderfahrungen und Simulationen von SMA zeigen sehr eindrucksvoll, dass eine Vervierfachung der nutzbaren Kapazität lediglich eine Verdopplung des Speicherdurchsatzes zur Eigenverbrauchs- und Autarkiesteigerung bewirkt (Abb. 2). Mit Blick auf die Wirtschaftlichkeit sollte die Speicherkapazität also generell eher kleiner als größer gewählt werden. Eine vollständige Autarkie allein auf Basis von PV-Anlage und Speicher ist dagegen überproportional teuer und wird selbst bei Off-Grid-Systemen in besonders sonnenreichen Regionen nicht umgesetzt – stattdessen kommen hier zur Überbrückung einstrahlungsschwacher Zeiten Dieselgeneratoren oder andere dezentrale Erzeuger zum Einsatz.

Speicherdurchsatz und Speicherkapazität

Abb. 2: Erzielbarer Speicherdurchsatz bei unterschiedlich großen Li-Ion-Batterien: Zunehmende Kapazität bringt immer weniger Vorteile

 

Speichernutzung zum Peak Shaving
Auch die Nutzung der Batterie zum Peak Shaving, also zur verlustfreien Begrenzung der Einspeisewirkleistung, spricht nicht gegen kleine Speichergrößen: Untersuchungen von SMA zeigen, dass bei typischen PV-Anlagen mit Eigenverbrauch in Haushalten bereits 2 kWh nutzbare Kapazität ausreichen, um die Verluste durch eine Kappung der Einspeiseleistung auf 70 Prozent der installierten PV-Leistung (gemäß §6 EEG) zu minimieren. Ist der Speicher zudem in ein intelligentes Energiemanagement eingebunden, dass  Erzeugungs- und Verbrauchsprognosen nutzt, wird die Eigenverbrauchssteigerung durch das Peak Shaving praktisch nicht beeinträchtigt: Die Batterie kann damit gezielt zu Zeiten hoher PV-Überschüsse Leistung geladen werden und wird wieder entladen, sobald der Verbrauch im Haus die aktuelle PV-Leistung übersteigt.

Bei einer Kappung der Einspeiseleistung auf 60 Prozent der installierten PV-Leistung, wie sie im kürzlich gestarteten Förderprogramm für PV-Speicher vorgesehen ist, sind bei klassischer Südausrichtung natürlich etwas größere Speicherkapazitäten zur optimalen Nutzung des Energieangebots erforderlich. Bei nicht ganz optimaler Ausrichtung oder einem Ost/West-Generator kann jedoch auch ein System mit nur 2 kWh Kapazität das 60 Prozent-Kriterium erfüllen und die anfallende PV-Energie dennoch nahezu vollständig nutzen. Gleiches gilt bei einem besonders hohen und zeitlich flexiblen Stromverbrauch, wie er zum Beispiel bei elektrischer Brauchwassererwärmung mittels Heizpatrone oder Wärmepumpe auftritt.

Im Einzelfall hängt die ideale nutzbare Speicherkapazität von vielen weiteren Parametern ab, etwa der aus der Abweichung von Erzeugungs- und Lastprofil resultierenden Zyklenbelastung oder der eingesetzten Batterietechnologie. Kommen Bleibatterien zum Einsatz oder wird eine Backup-Stromversorgung bei Netzausfall gewünscht, sind durchaus auch größere Speicher sinnvoll. Für typische Haushaltsanwendungen (2.500 bis 7.000 kWh Jahresverbrauch, PV-Erzeugung in gleicher Größenordnung) und Lithium-Ionen-Batterien liegt das wirtschaftliche Optimum jedoch bei rund 2 kWh und damit deutlich unterhalb der Kapazität marktgängiger Speicherlösungen.

 

Sinnvolle Selbstversorgung
Ideal ausgelegt PV-Anlagen können in Kombination mit einem intelligenten Energiemanagement und einem kleinen Speichersystem Haushalte zu mehr als 50 Prozent mit günstigem und maximal umweltfreundlich produziertem Strom versorgen, wobei die Kosten auf Jahre hinaus kalkulierbar und stabil sind. Darüber hinaus sind sie auch bestens vorbereitet auf neue Smart Grid-Geschäftsmodelle (Beteiligung an virtuellen Kraftwerken, Angebot von Speicherdienstleistungen), die während der mindestens zwanzigjährigen Betriebsdauer der Anlagen aufkommen werden.

 

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Felix arbeitet mittlerweile nicht mehr bei SMA.

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4 Kommentare

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    Arvid Neumeister

    30. Mai 2013 um 09:03

    Natürlich hat jeder Private Interesse an einem speichersystem nur welchen Wirkungsgrad hat zum Beispiel der Sunny Island 6.0H? Im Datenblatt steht 95%. Nur das ist sicherlich nur die Umwandlung von 48V DC auf 230V AC. Aber was ist mit der Ladung der Batterie? Da geht man bei normalen Ladegeräten von einem Wirkungsgrad von 80% aus. Das wären schon mal 25% Verlust und da kann man schon bei einer einspeisevergütung von 18,5cent davon ausgehen das der gespeicherte Strom genau so teuer wäre wie der den man kauft. Oder mache ich einen Fehler in meiner Rechnung?

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      Rictec

      3. Juni 2013 um 09:55

      Bei bisher errichteten Systemen Herr Neumeister ist dies aktuell noch der Fall. Die größten Verluste entstehen nicht am Laderegler sondern abhängig von der Effizienz der Batterie. Je nach Typ Blei (75~85%) oder Lithium (90~95%).

      Für Bestandsanlagen wird mit steigendem Strompreis der Rentabilität zukünftig erreicht werden.
      Bei Neuanlagen, die ab Juni schon unter 14,5 €ct vergütet werden, wird ein el. Energiespeicher immer interessanter.

      Beim Stromspeicher ist die Rentabilität stark abhängig vom Preis des Stromspeichers. Als Anhaltswert kann man vereinfachen:
      1. Eine kWh aus dem Netz muss teurer sein, als eine selbst gespeicherte.
      2. Selbst gespeicherte kWh: Kosten der Erzeugung und Speicherung (inkl. Verluste) / kWh + Differenz zwischen Vergütung und effektiver Strompreis (inkl. Power Meter gebühren …)

      Die Kosten für Erzeugung und Speicherung stellen derzeit einen Großteil der Kosten dar. Rentabilitätsrechnung liefere ich auf Wunsch anhand eines Beispieles nach.

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    enrico

    28. Mai 2013 um 14:43

    Speichersysteme sind wohl eine feine Sache aber derzeit für den Privatanwender einfach noch zu teuer. Eine Amortisation ist wenn überhaupt erst Jahre später möglich. Und ob die verwendete Speichertechnologie (Li-Ion) dann noch funktioniert, sei einmal dahin gestellt.

    Vorteilhafter sehe ich derzeit das Thema Smart Grid im eigenen Haushalt, wobei dies auch nicht unendlich ausbaufähig ist. Vor allem würde ich mir wünschen, dass hier eine Kommunikation direkt über ein Bussystem o.ä. funktioniert. Die Verwendung von Steckdosen kann dabei auch nur eine Zwischenlösung für kleinere Verbraucher darstellen.

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      Felix Kever

      30. Mai 2013 um 17:49

      Ich stimme insofern zu, dass netzgekoppelte Speichersysteme im Gegensatz zu reinen PV-Anlagen bislang meist keine wirtschaftlich hochattraktive Investition sind – ebenso wenig wie die meisten Elektrofahrzeuge oder das neueste Smartphone (die verbesserte Grafik und die gesparte Lebenszeit durch den etwas schnelleren Start von Apps machen sich ja auch nur in den wenigsten Fällen bezahlt ;). Eine Amortisation bereits nach wenigen Monaten ist aber in jedem Fall unrealistisch: Meines Wissens haben sich in der Vergangenheit PV-Anlagen bei sehr guter Rendite frühestens nach zehn Jahren amortisiert, was schon ziemlich gut war bei mindestens 20 Jahren Lebensdauer.
      Entscheidend ist aus meiner Sicht, dass technisch ausgereifte und sinnvoll dimensionierte Speichersysteme heute kein Verlustgeschäft mehr sind, neben einer gewissen energetischen Unabhängigkeit viele weitere, technisch hochinteressante Anwendungen ermöglichen und zudem ein entscheidender Baustein des künftigen Stromversorgungssystems sind – und allein dadurch für viele Menschen attraktiv. Darüber hinaus ist abzusehen, dass sie – ebenso wie in der Vergangenheit PV-Anlagen – durch Skaleneffekte und technischen Fortschritt im Bereich der Batterien noch deutlich günstiger und gleichzeitig leistungsfähiger werden, sofern auch hier ein Massenmarkt entsteht.
      Der kommende Sunny Boy Smart Energy (wandmontierbarer PV-Wechselrichter mit integriertem Speicher) zielt übrigens genau darauf ab, PV-Speichersysteme nicht nur maximal einfach, sondern auch deutlich erschwinglicher zu machen und damit ihre größere Verbreitung zu fördern.

      Zur Batterielebensdauer: Bleibatterien sind technisch sehr ausgereift und im Bereich der netzfernen Stromversorgung seit vielen Jahren erfolgreich im Einsatz. Die moderneren Li-Ionen-Batterien bieten hingegen gerade bei der Zyklenfestigkeit erhebliche Vorteile und sind bereits auf einem sehr guten Entwicklungsstand (siehe Garantien der Hersteller). Allerdings ist die technologische Entwicklung hier noch längst nicht ausgereizt. Genau deswegen setzt SMA insbesondere bei Li-Ion-Batterien auf ein Nutzungskonzept, bei dem der Kunde von der weiteren Entwicklung profitiert und das darüber hinaus nicht nur die Anfangsinvestition, sondern auch die Gesamtbetriebskosten, das Ausfallrisiko und den Platzbedarf verringert.

      Zum Thema Smart Home und hausinterne Vernetzung: Selbstverständlich ist das Ziel eine direkte und bidirektionale Kommunikation zwischen der zentralen Steuerung und allen relevanten Energieverbrauchern und -erzeugern im Haus. Nicht umsonst ist SMA Gründungsmitglied der EEBus-Initiative und kooperiert mit der Fa. Miele, die unter dem Label Miele@Home unter anderem eine direkte Ansteuerung von Haushaltsgeräten anbietet. Bis zur allgemeinen Verbreitung solcher Standards (nicht nur bei Neu- sondern auch bei Bestandsgeräten!) ist eine flexible und mit nahezu jedem Gerät kompatible Alternativlösung wie die SMA Funksteckdose aber unverzichtbar.

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