Abb. 1+2: Abb. 1 (links): Typischer Aufbau der Energiezentrale eines Wohnhauses mit Einbindung einer Solaranlage und eines Batterie-Energiespeichers. Abb. 2 (rechts): Modularer Aufbau eines stapelbaren Batterie-Energiespeichers – die Speichermodule (in weiß) werden aufeinandergestapelt, während das Steuermodul (in grün) den oberen Abschluss bildet und mit dem Wechselrichter verbunden ist (Quelle: Phoenix Contact)
Die moderne Gesellschaft braucht Energie, und zwar rund um die Uhr. Wind und Sonne stehen jedoch nicht konstant zur Verfügung. Eine stabile Versorgung aus regenerativen Quellen kann nur gelingen, wenn wir Überschussenergie in ausreichendem Maße zwischenspeichern, um sie bei Bedarf zeitversetzt wieder zur Verfügung zu stellen – z.B. über Batterie-Energiespeichersysteme.
Batterie-Energiespeicher in Gebäuden
Beim Errichten neuer Gebäude im privaten wie im kommerziellen Bereich sind Solaranlagen in vielen Regionen heute verpflichtender Bestandteil. Und auch bei der Sanierung werden diese Systeme immer häufiger nachgerüstet. Der Vorteil: Ein Teil der im Gebäude benötigten Energie wird selbst erzeugt. Angesichts der aktuellen Energiepreise ist das sehr attraktiv und die Investition amortisiert sich schnell.
Oft benötigt man die Energie jedoch zu Zeiten, in denen die Sonne nicht ausreichend scheint. Elektrische Energiespeicher helfen, die zeitliche Lücke zwischen Energieverfügbarkeit und -bedarf zu überbrücken.
Eigenverbrauchsquote und Autarkiegrad
Die Finanzierung einer Solaranlage ist umso wirtschaftlicher, je höher die Eigenverbrauchsquote ist. Dieser Kennwert errechnet sich aus dem Verhältnis von selbst verbrauchter Energie von der Solaranlage zu deren gesamter Energiebereitstellung. Ohne Energiespeicher fällt dieser Index deutlich geringer aus. Ein Großteil der Energie aus der Solaranlage muss mangels Bedarfs in das Netz eingespeist werden – bei geringen Erlösen.
Der zweite Kennwert eines Gebäudes mit Solaranlage ist dessen Autarkiegrad. Dieser errechnet sich aus dem Quotienten der durch die Solaranlage bereitgestellten und selbst genutzten Energie zum Gesamtenergiebedarf des Gebäudes.
Eine optimale Auslegung von Anlagengröße und Speicherkapazität ermöglicht hohe Kennwerte und wirtschaftlichen Erfolg.
Die Hausenergiezentrale
Den typischen Aufbau einer Hausenergiezentrale mit Solareinspeisung und Batterie-Energiespeicher für das private Wohnumfeld zeigt Abb. 1. Die Solaranlage wird zunächst auf eine Einspeisebox mit Überspannungsschutz aufgelegt, zum Schutz gegen Blitzeinschläge. Von dort erfolgt der Anschluss an einen Wechselrichter, der die Gleichspannung in die netzübliche Wechselspannung umwandelt. Der Wechselrichter verfügt auch über einen Anschluss für den Batterie-Energiespeicher, da dieser ebenfalls auf Basis von Gleichspannung arbeitet.
Im Wechselrichter ist üblicherweise auch die Energiesteuerung untergebracht. Je nach Anforderung aus dem Haus wird die Solarenergie direkt verbraucht, in der Batterie gespeichert oder in das Netz zurückgespeist. Scheint die Sonne nicht ausreichend, wird die Energie für das Haus der Batterie entnommen. Sollte auch die einmal leer sein, kann die benötigte Energie aus dem Netz bezogen werden.
Aufbau und Funktionsweise des Batterie-Energiespeichers
Hausenergiespeicher sind oft modular aufgebaut, wie in Abb. 2 gezeigt. Die wesentlichen Komponenten sind die Batteriemodule und eine Steuerung. Die Batteriemodule haben einen Energieinhalt von etwa 2-5 kWh.
Die Kosten für einen Batterie-Energiespeicher belaufen sich typischerweise auf etwa 1.000 €/kWh. Hauseigentümer investieren anfangs oft zögerlich und möchten in vielen Fällen später Kapazität ergänzen. Dieser Ansatz wird durch das in Abb. 2 gezeigte Prinzip eines stapelbaren Energiespeichers unterstützt: Die Batteriemodule werden einfach aufeinandergestellt. Der Installateur muss lediglich das Steuermodul, welches den oberen Abschluss des Systems bildet, an den Wechselrichter anschließen. Die Module untereinander werden mit Hilfe einer geeigneten Schnittstelle automatisch während des Stapelns verbunden.
Die Elektrische Verbindungstechnik – Herz-/Kreislaufsystem und Nervengerüst des Speichers
Neben den Batteriezellen und den elektronischen Komponenten eines Batterie-Energiespeichers sind auch die elektrischen Verbindungen von hoher Relevanz. Infolge des grundsätzlich modularen Aufbaus gibt es eine große Vielzahl davon. Ihre Qualität und ihr Design entscheiden über die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Speichers.
Man kann die elektrischen Verbindungen innerhalb eines Energiespeichers mit dem Herz-/Kreislaufsystem und dem Nervengerüst eines menschlichen Körpers vergleichen. Dabei entsprechen die Leistungsverbindungen den Blutbahnen, über welche die Energie transportiert wird. Signalverbindungen entsprechen unseren Sinnen. Es geht um das Messen von Temperatur, Feuchtigkeit, Strom und Spannung. Die Datenverbindungen schließlich haben eine ähnliche Funktion wie unsere Nerven. Sie dienen der Informationsübertragung zwischen der Steuerung – quasi dem Gehirn des Systems – und einzelnen Komponenten des Speichers.
Sobald eine dieser Verbindungen nur ein-geschränkt oder gar nicht mehr arbeitet, wird der Körper krank. Im schlimmsten Fall hat das den Tod zur Folge. Analog beim Speicher: Fehler in der Verbindungstechnik führen zu Störungen im Betrieb des Speichers, zu Energieverlusten und im ungünstigsten Fall zu seiner Zerstörung.