mini|hochkant|Batteriespeicher Tesla Powerwall 2
Ein Batteriespeicher, auch als Solarbatterie, Solarakkumulator oder Hausspeicher bezeichnet, ist ein stationärer Energiespeicher auf Basis eines Akkumulators oder eines Kondensators. Wichtige Kenngrößen von Batteriespeichern sind die Leistung (Watt) und die Speicherkapazität (Wattstunden).
Die Anzahl von Solarstromanlagen mit Batteriespeicher stieg in Deutschland von 5.000 im Jahr 2013 auf 1,8 Millionen im Jahr 2024.Anzahl installierter Solarstromspeicher in Deutschland bis 2024, statista.com, 7. Februar 2025
Einsatzbereiche mini|Mit Solarenergie gespeiste Batterie für einen vom Stromnetz unabhängigen Elektrozaun Batteriespeicher ermöglichen in Kombination mit einer Photovoltaikanlage eine Stromversorgung unabhängig vom Stromnetz.
mini|hochkant|Hausspeicher für eine Heim-Photovoltaikanlage Im häuslichen Bereich werden Batteriespeicher oft im Zusammenspiel mit einer Photovoltaikanlage betrieben (Hausspeicher). Somit können Ertragsüberschüsse während des Tages in ertragsarmen bzw. ertragslosen Abend- und Nachtstunden genutzt werden und Eigenverbrauch, Autarkie und Versorgungssicherheit erhöht werden.Michael Sterner, Ingo Stadler: Energiespeicher – Bedarf, Technologien, Integration. Berlin/Heidelberg 2014, S. 652.
mini|Batterie-Speicherkraftwerk Schwerin Im gewerblichen Bereich werden Batteriespeicher mit größerer Speicherkapazität eingesetzt. Einer der größten geplanten Batteriespeicher mit bis vier Stunden Laufzeit bei 50 MW Leistung entsteht derzeit am Kraftwerksstandort Duisburg-Walsum.
Mehrere Batteriespeicher können zu einem Batterie-Speicherkraftwerk mit Speicherkapazitäten bis in den dreistelligen Megawattstunden-Bereich (MWh) verbunden werden.
Verwendete Akkumulatoren Es werden folgende Batteriesystem verwendet: Blei-Batteriesysteme, NiCd-Batterien, NiMH-Batterien, Li-Ionen-Batterien, NaNiCl2-Batterie, Ultracaps (Superkondensatoren) die in nachfolgender Tabelle mit ihren charakteristischen Daten verglichen sind:
Batteriesystem Pb/PbO2 NiCd NiMH Li-Ionen NaNiCl2 UCapEnergiedichte (bei 2h entl.) [Wh/kg] 35 50 66 (HE) 149 94 3,4Leistungsdichte [W/kg] 100 180 150 664 169 2700Zellennennspannung [V] 2,00 1,2 1,2 3,6 2,58 2,5Ladeschlussspannung [V] 2,05 1,65 1,55 4,0 2,85 2,8Entladeschlussspannung [V] 1,7 1,0 1,0 2,7 1,72 1,4
Bleiakkumulatoren Der in der Vergangenheit am häufigsten für Batteriespeicher verwendete Akkutyp war der Bleiakkumulator. Für seinen Einsatz sprach der geringe Preis pro speicherbarer Energiemenge, die erreichbare Wartungsfreiheit, die geringe Selbstentladung und der vergleichsweise hohe Wirkungsgrad von etwa 80 %. Die Verluste bei Bleiakkus sind zum Teil durch das Ausgasen von Knallgas bei der Ladung zu erklären. Bei wartungsfreien Blei-Gel-Akkus sind die Ausgasungen reduziert.
Solar-Bleiakkumulatoren unterscheiden sich in ihrem inneren mechanischen Aufbau von anderen Bleiakkumulatoren: Sie sind optimiert auf eine besonders hohe Lebensdauer, Zyklenfestigkeit und das Verhalten bei tiefer Entladung. Typisch sind Zyklenzahlen von 1200 (mit einer Entladetiefe von ca. 80 %) bis zu einer Restkapazität von 80 %. Wartungsfreie Blei-Gel-Akkus haben den Vorteil, dass sich keine oder nur eine minimale Säureschichtung ausbildet, sie dafür aber nur eine wesentlich geringere Zyklenzahl von 400 bis 600 erlauben. Eine zusätzliche Umwälzung der Säure verhindert bei Blei-Akkus komplett die Säureschichtung. Dies ist vor allem im stationären Betrieb von Bedeutung.
Zum Teil wurden auch sogenannte Staplerbatterien eingesetzt; das sind Akkus, die üblicherweise bei Gabelstaplern als Antriebsbatterie zum Einsatz kommen. Dabei handelt es sich ebenfalls um Bleiakkumulatoren, jedoch mit 1500 Ladezyklen. „Wir nutzen für die Energiespeicherung Panzerplatten-Batterien, die aus Traktionsanwendungen bekannt sind. Entsprechend DIN EN60254 haben diese Batterien 1.500 Ladezyklen.“; abgerufen am 13. März 2014.
Lithium-Ionen-Akkumulatoren In jüngerer Zeit haben sich Lithium-Ionen-Akkumulatoren als meist verwendeter Batteriespeicher durchgesetzt: Im vierten Quartal 2015 waren in Deutschland 90 Prozent aller geförderten Speichersysteme Lithiumbatterien.pv-magazine.de „In Q4 2015 hatten 90 Prozent der geförderten Systeme Lithiumbatterien.“, abgerufen am 18. März 2016. Insbesondere werden auch Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren eingesetzt, welche sich durch eine hohe Zyklenfestigkeit, hohe Sicherheit und kleinen Preis auszeichnen und auch als Antriebsbatterien zum Einsatz kommen. „Lithium-Eisen-Phosphat Technologie, LiFePO4; 7000 Ladezyklen“, abgerufen am 24. April 2014. „Mastervolt präsentiert Photovoltaik-Speicher für Wohnhäuser auf der Intersolar Europe“; abgerufen am 17. Februar 2024. „Dabei setzt die Sonnenbatterie wie gehabt auf die sichere und effiziente Lithium-Eisenphosphat-Technologie …“; abgerufen am 17. Februar 2024. Der Wirkungsgrad lag Stand 2012 in der Größenordnung 90 % bis 95 %.
Grund für die zunehmende Verbreitung sind stark gefallene Preise (siehe auch Akku-Preise) „Die REM GmbH (Rottenburg) hat einen Lithium-Ionen-Energiespeicher für Wohnhäuser und kleine Unternehmen auf den Markt gebracht (…)“; abgerufen am 17. Februar 2024.solarserver.de "(…) Frankensolar (Nürnberg) begeht mit einer innovativen Produktkombination aus Nedap PowerRouter und Sony „Fortelion“ Lithium-Ionen-Batterie neue Wege moderner und effizienter Energiespeicherung." und „Aufgrund der Fortelion-Lithium-Eisenphosphat-Technologie sei diese Batterie eine der sichersten Batterien am Markt: Ihre Unempfindlichkeit gegen Einflüsse von außen sowie verschiedene integrierte Sicherheitsmechanismen unterstützten die Lebensdauer von bis zu 20 Jahren.“ und „Die technischen Daten seien bislang unerreicht: Selbst nach 8.000 Be- und Entladungen, bei 100 % Entladetiefe (DOD), seien noch 70 Prozent der ursprünglichen Kapazität vorhanden“, abgerufen am 23. März 2019. und eine höhere Zyklenfestigkeit als bei Bleiakkus. Einige Hersteller geben aufgrund von Simulationen an, mehr als 10.000 Lade- und Entladezyklen erreichen zu können. „Die Tests setzten die Batterien extremen Belastungen aus. So wurden über einen Zeitraum von 5 Jahren bei einer Entladungstiefe von 60 % mehr als 10.000 äquivalente Vollzyklen erreicht.“ und „Simulationen, die sich auf unsere Laborergebnisse und die unserer Kollegen vom ZSW stützen, zeigen, dass bei Berücksichtigung beider Alterungsprozesse die Batterien im BPT-S 5 Hybrid bis zu 20 Jahre betriebsfähig sind“; abgerufen am 17. Februar 2024. „Die Zellen haben laut Hersteller eine voraussichtliche Lebensdauer von 20 Jahren und könnten bis zu 15.000 Mal aufgeladen werden.“; abgerufen am 17. Februar 2024. Unabhängige wissenschaftliche Publikationen verwiesen auf geringe Erfahrungswerte im Praxiseinsatz; die Verbraucherzentrale NRW nahm eine Lebensdauer von 10 bis 15 Jahren an.
Redox-Flow-Batterie Eine Redox-Flow-Batterie speichert elektrische Energie in chemischen Verbindungen, wobei die Reaktionspartner in einem Lösungsmittel in gelöster Form vorliegen. Die Energiedichte ist niedriger als bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren, aber die Redox-Flow-Batterie bietet einige Vorteile: Die Zyklenfestigkeit mit bis zu 20.000 Ladevorgängen ist höher und das Risiko für einen Brand ist geringer.
Weitere Konzepte Als Batteriespeicher können ebenfalls gebrauchte Akkus von Elektroautos genutzt werden, die für ihren ursprünglichen Einsatzzweck nicht mehr genug Kapazität haben, als Batteriespeicher jedoch noch ausreichen. Derartige Akkus haben oft noch 70 bis 80 % ihrer ursprünglichen Kapazität, sind aber deutlich günstiger als fabrikneue Batteriespeicher.
In Deutschland sind auch Lösungen realisiert, bei denen Hausbesitzer mit Solaranlagen den Akku des eigenen Elektroautos als Stromspeicher nutzen („bidirektionales Laden“).manager-magazin.de Elektroauto-Rebell Karabag: „Unser Elektroauto-Konzept ist billiger als ein konventioneller Pkw“ Derzeit fehlen aber noch die technischen und regulatorischen Voraussetzungen für einen Masseneinsatz.
Der Ökostromversorger Lichtblick schaltet die Batteriespeicher seiner Kunden zu einer Schwarmbatterie zusammen, die dann zentral gesteuert wird. Die Kunden erhalten Geld für die Bereitstellung ihrer Speicher.
Eine Marktübersicht der erhältlichen Batteriespeichersysteme hat das PV Magazinwww.pv-magazine.de/marktuebersichten/batteriespeicher/speicher, pv-magazine.de, abgerufen am 26. Juni 2018 und C.A.R.M.E.N. e. V.C.A.R.M.E.N. – Marktübersicht für Batteriespeichersysteme, carmen-ev.de, abgerufen am 6. Januar 2021 jeweils erstellt.
Wirtschaftlichkeit Für die Berechnung der Wirtschaftlichkeit eines Batteriespeichers sind zahlreiche Parameter zu berücksichtigen, die häufig mit Unsicherheit behaftet sind: Anschaffungs- und Installationskosten des Speichers und seines Zubehörs (abzgl. eventueller Förderbeträge) die Lebensdauer des Speichers und der Verlauf der Degradation die Höhe der Einspeisevergütung die zukünftige Strompreisentwicklung Wartungs- und Reparaturkosten das Lastprofil (zeitlicher Verlauf des Eigenverbrauchs über den Tagesverlauf und die Jahreszeiten hinweg) das Erzeugungsprofil (zeitlicher Verlauf der Stromerzeugung über den Tagesverlauf und die Jahreszeiten hinweg) der Wirkungsgrad des Wechselrichters und Verluste beim Laden und Entladen der Akkus eventuelle Finanzierungskosten
Eine Studie der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin von 2019 im Auftrag der Verbraucherzentrale NRW stellte für verschiedene Szenarien privater PV-Anlagen einen durchgängig negativen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit von PV-Anlagen fest und kam zu dem Schluss, „dass der Speicherkauf unter den getroffenen Annahmen und Rahmenbedingungen heute praktisch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht begründet werden kann.“ Zu einem ähnlichen Ergebnis war bereits eine Studie der RWTH Aachen von 2015 gelangt. Sie prognostizierte zwar eine sich verbessernde Wirtschaftlichkeit aufgrund fallender Speicherpreise und Einspeisevergütungen, rechnete jedoch erst für ab 2030 installierte Anlagen mit einer ungefährdet positiven Wirtschaftlichkeit.
Umweltbilanz Für Herstellung von Batteriespeichern werden wie bei allen Batterien die Umwelt belastende Ressourcen benötigt. Die Speicher erhöhen nicht die Stromproduktion, vermindern aber die Nutzung des erzeugten PV-Stroms durch Speicherverluste. Die Speicherverluste während des Betriebs liegen jedoch in etwa derselben Größenordnung wie die Transportverluste von konventionellem Strom über die Transport- und Verteilnetze.
Die RWTH Aachen hat 2015 in einer Modellrechnung gemäß der Umweltbilanzrichtlinie CML-IA ermittelt, dass Lithium-Ionen-Batteriespeicher die Netto-Umweltentlastung von Photovoltaikanlagen um ca. 10 % mindern, Bleiakkumulatoren sogar um 25 %. Dennoch resümieren die Autoren, „dass PV-Speicher die Ökobilanz von PV-Strom zwar belasten, diese Belastung aber nicht unangemessen oder unverhältnismäßig hoch ausfällt.“
Alternative Speicher Thermospeicher
Als Alternative zur Batteriespeicherung kann die Energie des erzeugten Solarstroms in Energie in einem Wärmespeicher umgewandelt werden. Dazu wird z. B. mit einer Wärmepumpe Brauchwasser erhitzt und gelagert. Die so gespeicherte thermische Energie wird nicht wieder in elektrische Energie zurückverwandelt, sondern dem Heizsystem und dem Brauchwasser zugeführt. Mit einer intelligenten Steuerung kann auch die Einspeisespitze zur Mittagszeit reduziert werden.
Wasserstoff-Speicherung
Ab dem Jahr 2021 wurden in der Schweiz einzelne Anlagen zur Erzeugung von Wasserstoff in Betrieb genommen. Mit solchen Anlagen kann Sommerstrom im Winter verbraucht werden.Mit Wasserstoff Solarstrom lagern, EKZ, 4. Juni 2021
Methanol-Speicherung