Grundlagen/Stromspeicher: Unterschied zwischen den Versionen
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Ein '''Batteriespeicher''' verschiebt Strom über Stunden, nicht über Wochen. | <!-- EPOS-Plan Grundlagenseite | Wikititel: Grundlagen/Stromspeicher | ||
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Ein '''Batteriespeicher''' verschiebt Strom über Stunden, nicht über Wochen: Er nimmt Überschüsse der Eigenerzeugung auf und gibt sie ab, sobald der Bedarf die Erzeugung wieder übersteigt. Damit erhöht er den Eigenverbrauch einer Photovoltaikanlage – stößt aber genau dort an seine Grenze, wo tagelang zu wenig erzeugt wird. Wie viel ein Speicher bringt, entscheidet deshalb nicht seine Kapazität allein, sondern das Zusammenspiel aus dem Überschuss am Tag, dem Bedarf in der Nacht und den Verlusten beim Laden und Entladen. Diese Seite erklärt, wie ein Stromspeicher arbeitet und welche Kenngrößen ihn beschreiben, wie EPOS-Plan ihn Viertelstunde für Viertelstunde rechnet und was daraus für die Wahl der Größe folgt. Die Bedienung – Katalog, Speicher im Projekt, Betriebsführung und die Auslegungsansicht – beschreibt [[Programm Dokumentation/Stromspeicher]]. | |||
== | == Funktionsprinzip == | ||
{{Anker| | {{Anker|funktionsprinzip|lade-und-entladestrategie}} | ||
Ein Stromspeicher besteht aus Batteriezellen, die die Energie chemisch speichern, einem Batteriemanagement, das jede Zelle in ihrem zulässigen Spannungs- und Temperaturbereich hält, und einer Leistungselektronik, die zwischen der Gleichspannung der Zellen und dem Wechselstrom des Hausnetzes umformt. Ein '''AC-gekoppelter''' Speicher hat dafür einen eigenen Batteriewechselrichter und lässt sich neben jede bestehende Photovoltaikanlage setzen; ein '''DC-gekoppelter''' Speicher hängt am Gleichstromkreis eines Hybridwechselrichters und spart beim Laden aus den Modulen eine Umformung ([[Grundlagen/Wechselrichter|Wechselrichter]]). In beiden Fällen geht in den Zellen und bei jeder Umformung ein Teil der Energie als Wärme verloren: Was ein Zyklus wieder abgibt, ist weniger als das, was er aufgenommen hat. | |||
Geladen wird aus dem Überschuss der Erzeugung, sobald der momentane Bedarf gedeckt ist; entladen wird, sobald die Erzeugung nicht mehr ausreicht. Begrenzend wirken die freie Kapazität, die Ladezustandsgrenzen und die Lade-/Entladeleistung. Der Verlauf des Ladezustands über den Tag ist die anschaulichste Kontrolle der Dimensionierung: Bleibt der Speicher an sonnigen Tagen lange voll, ist er zu groß; wird er nie ganz geladen, zu klein für die Anlage; pendelt er täglich zwischen den Grenzen, passt die Größe. | |||
[[Datei:PV_Eigenverbrauch_Tagesgang.svg|mini|zentriert|800px|Photovoltaik mit Stromspeicher über einen Sommertag: Direktverbrauch, Laden, Einspeisung, Entladen und Netzbezug je Viertelstunde, darunter der Ladezustand. Prinzipbild nach dem Rechenweg von EPOS-Plan, Last nach dem Profil H25, Beispielwerte gerundet.]] | |||
Das Bild zeigt einen Junitag eines Haushalts mit Photovoltaik und Speicher Viertelstunde für Viertelstunde. Am frühen Morgen reicht die Erzeugung noch nicht, der leere Speicher kann nicht helfen, und der Strom kommt aus dem Netz. Sobald die Erzeugung die Last übersteigt, deckt sie zuerst den Bedarf derselben Viertelstunde (Direktverbrauch); was übrig bleibt, lädt den Speicher, bis er die obere Ladezustandsgrenze erreicht, und alles Weitere geht ins Netz. Am Abend kehrt sich das um: Der Speicher deckt die Last, bis die Sonne wieder aufgeht oder die untere Grenze erreicht ist. | |||
'''Beispiel.''' Eine Anlage mit 10 kWp erzeugt an diesem Junitag 50 kWh, der Haushalt mit 4.000 kWh im Jahr braucht 9,1 kWh. Direkt genutzt werden 6,0 kWh. Der leere Speicher mit 10 kWh Nennkapazität und 5 kW Leistung nimmt bis kurz vor 11 Uhr 8,4 kWh auf und ist dann voll; 35,6 kWh gehen ins Netz. Am Abend gibt er 1,6 kWh ab, und aus dem Netz kommen nur noch 1,5 kWh statt 3,2 kWh ohne Speicher. Um Mitternacht liegen noch gut 7 kWh im Speicher – an solchen Tagen ist er für diesen Haushalt zu groß, weil die Nacht ihn nicht leert. | |||
== | == Kapazität, Ladezustand und Wirkungsgrad == | ||
{{Anker| | {{Anker|kapazitaet-ladezustand-wirkungsgrad|wirkungsgrad|ladezustand}} | ||
Die '''Nennkapazität''' <math>C_\mathrm{nom}</math> ist die Energie, die die Zellen zwischen leer und voll fassen. Genutzt wird davon nur ein '''Band''' zwischen einer unteren und einer oberen Ladezustandsgrenze <math>s_\mathrm{min}</math> und <math>s_\mathrm{max}</math>, weil tiefe Entladung und dauerhaft volle Zellen die Alterung beschleunigen; die '''nutzbare Kapazität''' ist | |||
= | <math>C_\mathrm{nutz} = C_\mathrm{nom} \cdot \left( s_\mathrm{max} - s_\mathrm{min} \right)</math> | ||
{{ | |||
Speicher | Der '''Ladezustand''' SOC (''state of charge'') ist der Inhalt zu einem Zeitpunkt, in kWh oder in Prozent der Nennkapazität. Der '''Umlaufwirkungsgrad''' <math>\eta_\mathrm{RT}</math> (''round trip'') ist das Verhältnis der entnommenen zur eingespeisten Energie über einen vollen Zyklus, gemessen auf der Wechselstromseite; er fasst die Verluste der Zellen, des Batteriemanagements und der Umformung zusammen. EPOS-Plan teilt ihn gleichmäßig auf beide Richtungen auf, mit dem Ladewirkungsgrad <math>\eta_\mathrm{ch}</math> und dem Entladewirkungsgrad <math>\eta_\mathrm{dis}</math>: | ||
<math>\eta_\mathrm{ch} = \eta_\mathrm{dis} = \sqrt{\eta_\mathrm{RT}}</math> | |||
Die '''Leistung''' <math>P</math> begrenzt, wie schnell geladen und entladen werden kann. Das Verhältnis von Leistung zu Kapazität heißt '''C-Rate''': Ein Speicher mit 10 kWh und 5 kW hat 0,5 C und braucht mindestens zwei Stunden, um sich ganz zu füllen. Dazu kommen die '''Selbstentladung''', mit der der Inhalt auch ohne Last langsam abnimmt, und der '''Standbyverbrauch''' der Elektronik, eine kleine Dauerlast. Ein Maß für die Beanspruchung der Zellen ist die Zahl der '''äquivalenten Vollzyklen''' im Jahr – die aus den Zellen entnommene Energie <math>E_\mathrm{dis,DC}</math> geteilt durch die nutzbare Kapazität: | |||
<math>z = \frac{E_\mathrm{dis,DC}}{C_\mathrm{nutz}}</math> | |||
[[Datei:Stromspeicher_Zyklus_Kapazitaet.svg|mini|zentriert|800px|Links ein voller Zyklus eines Speichers mit 10 kWh Nennkapazität mit dem nutzbaren Band und den Verlusten beim Laden und Entladen; rechts die Entladung je Tag über der Nennkapazität für einen Haushalt mit 4.000 kWh im Jahr an drei Tagestypen. Prinzipbild nach dem Rechenweg der Dauernutzung mit den Rückfallwerten von EPOS-Plan; Last nach dem Profil H25, PV-Tagesmengen als Beispielwerte.]] | |||
'''Beispiel.''' Ein Speicher mit 10 kWh Nennkapazität und dem Band 10 bis 90 % hat 8,0 kWh nutzbar. Mit dem Umlaufwirkungsgrad 0,90 beträgt der Wirkungsgrad je Richtung √0,90 = 0,949. Um das Band ganz zu füllen, braucht der Speicher 8,0 / 0,949 = 8,43 kWh aus dem Hausnetz, und beim Entladen gibt er 8,0 × 0,949 = 7,59 kWh wieder ab: 0,84 kWh je Zyklus gehen verloren, und 7,59 / 8,43 = 0,90 ist wieder der Umlaufwirkungsgrad. Gibt der Speicher im Jahr 1.900 kWh an das Hausnetz ab, kommen 1.900 / 0,949 = 2.003 kWh aus den Zellen, das sind 2.003 / 8,0 ≈ 250 äquivalente Vollzyklen. | |||
== Wie EPOS-Plan den Speicher je Viertelstunde rechnet == | |||
{{Anker|rechenweg|rechnung-je-viertelstunde}} | |||
EPOS-Plan rechnet den Stromspeicher nach der Wärmeseite und nach der Photovoltaik, Viertelstunde für Viertelstunde über die 35.040 Viertelstunden des Jahres. Eingang sind die Last – der Strombedarf des Projekts samt dem Strom von Wärmepumpe, Heizstab, Elektrokessel und Kälte –, die Erzeugung der Photovoltaik und die eines BHKW. Daraus bildet der Lauf in jeder Viertelstunde zuerst einen ladefähigen '''Überschuss''' oder einen '''Fehlbetrag''': Das BHKW deckt die Last vorrangig, die Photovoltaik den Rest; was dann noch erzeugt wird, ist Überschuss, was noch fehlt, Fehlbetrag. Beides zugleich gibt es nicht, deshalb lädt und entlädt der Speicher nie in derselben Viertelstunde. Welche Überschüsse laden dürfen – der der Photovoltaik, der des BHKW oder beide –, legt die Ladequelle der Speichervariante fest. Der Speicher richtet sich nach der Wärmeseite, nicht umgekehrt: Wärmepumpe und Kessel sind schon gerechnet, wenn er an die Reihe kommt. | |||
=== Dauernutzung === | |||
{{Anker|dauernutzung}} | |||
In der Berechnungsart ''Dauernutzung'', der Vorgabe, lädt der Speicher aus dem Überschuss und entlädt gegen den Fehlbetrag, jeweils so weit, wie drei Grenzen es zulassen: die Energie, die in der Viertelstunde da ist oder fehlt, die Leistung und der Platz im Band. Mit der Dauer <math>\Delta t = 0{,}25</math> h einer Viertelstunde <math>k</math> gilt auf der Wechselstromseite | |||
<math>E_\mathrm{ch}(k) = \min\left( E_\mathrm{ueber}(k) \, ; \; P \cdot \Delta t \, ; \; \frac{\mathrm{SOC}_\mathrm{max} - \mathrm{SOC}(k-1)}{\eta_\mathrm{ch}} \right) \qquad E_\mathrm{dis}(k) = \min\left( E_\mathrm{fehl}(k) \, ; \; P \cdot \Delta t \, ; \; \left( \mathrm{SOC}(k-1) - \mathrm{SOC}_\mathrm{min} \right) \cdot \eta_\mathrm{dis} \right)</math> | |||
und der Ladezustand wird mit dem fortgeschrieben, was tatsächlich geflossen ist: | |||
<math>\mathrm{SOC}(k) = \mathrm{SOC}(k-1) + E_\mathrm{ch}(k) \cdot \eta_\mathrm{ch} - \frac{E_\mathrm{dis}(k)}{\eta_\mathrm{dis}}</math> | |||
Dabei ist <math>E_\mathrm{ueber}</math> der ladefähige Überschuss, <math>E_\mathrm{fehl}</math> der Fehlbetrag der Viertelstunde, und <math>\mathrm{SOC}_\mathrm{min}</math>, <math>\mathrm{SOC}_\mathrm{max}</math> sind die Grenzen des Bands in kWh. Die Ladung kommt aus dem Überschuss und mindert die Einspeisung, nicht den Netzbezug; die Entladung mindert den Netzbezug. Das Jahr beginnt mit dem Ladezustand, den die Speicheranlage nennt, in das Band geklemmt – ohne Angabe also an der unteren Grenze. Fehlen Werte der Anlage, rechnet der Lauf mit Rückfallwerten: Band 10 bis 90 % der Nennkapazität, Umlaufwirkungsgrad 0,90 und, ohne gepflegte Leistung, eine Leistung gleich der Nennkapazität (1 C), die praktisch nicht begrenzt. | |||
'''Beispiel.''' In einer Abendviertelstunde braucht der Haushalt 0,6 kW, die Photovoltaik liefert noch 0,2 kW; der Fehlbetrag ist (0,6 − 0,2) × 0,25 = 0,10 kWh. Ein Speicher mit 5 kW und 3,00 kWh Inhalt über der unteren Grenze darf bis zu 5 × 0,25 = 1,25 kWh und bis zu 3,00 × 0,949 = 2,85 kWh abgeben; begrenzend ist der Fehlbetrag. Er gibt 0,10 kWh ab, sein Inhalt sinkt um 0,10 / 0,949 = 0,105 kWh, und aus dem Netz kommt in dieser Viertelstunde nichts. | |||
=== Selbstentladung, Standby und Einspeisegrenze === | |||
{{Anker|selbstentladung|standby-und-einspeisegrenze}} | |||
Die '''Selbstentladung''' wird als Prozent des Inhalts je Monat gepflegt und zehrt zu Beginn jeder Viertelstunde am Inhalt, höchstens bis zur unteren Grenze des Bands. Der '''Standby''' des Speichersystems ist eine Last hinter dem Speicher: Er wird aus dem Überschuss gedeckt, der nach der Ladung bleibt, sonst aus dem Netz, nie aus der Batterie. Beide sind ohne Angabe null. Eine '''Einspeisegrenze''' der Projekteinstellung kennt der Speicher nicht; erst nach seiner Ladung wird bis zur Grenze eingespeist und darüber abgeregelt, der Speicher lädt also vor dem Abregeln ([[Grundlagen/Photovoltaik#rechenweg|Photovoltaik]]). | |||
=== Andere Berechnungsarten und mehrere Speicher === | |||
{{Anker|berechnungsarten|lastspitzenkappung}} | |||
Neben der Dauernutzung kennt die Speichervariante die '''Preissteuerung''' (Arbitrage), die nach einem Bezugspreis aus dem Netz lädt und verkauft, wobei der Eigenverbrauch Vorrang behält, und die '''Lastspitzenkappung''': Der Speicher entlädt, sobald die Netzlast über einem Peak-Ziel liegt, und lädt unter dem Ziel wieder auf, höchstens so weit, dass die Wiederaufladung keine neue Spitze über dem Ziel erzeugt. Mit ''Peak-Ziel adaptiv nachziehen'' beginnt die Schwelle bei null und steigt nur so weit, wie der Speicher sie nicht halten kann. Lädt der Speicher aus dem Netz, zählt diese Energie im Netzbezug der Viertelstunde und damit in der Bezugsspitze ([[Grundlagen/Strombedarf und Lastprofile#lastspitzen-und-leistungspreis|Lastspitzen und Leistungspreis]]). Mehrere gleichzeitig betriebene Speicher rechnet EPOS-Plan als '''Speicherflotte''' mit eigenem Zustand, eigener Leistung und eigenen Kosten je Einheit; drei ihrer fünf Betriebsziele planen mit Wissen über die kommenden Stunden. Einzelheiten stehen unter [[Programm Dokumentation/Stromspeicher#berechnungsart|Berechnungsart der Speichervariante]] und [[Programm Dokumentation/Berechnung/Stromspeicher|Berechnung: Stromspeicher]]. | |||
=== Bewertung === | |||
{{Anker|bewertung}} | |||
Wirtschaftlich bewertet EPOS-Plan die Energie auf der Wechselstromseite: Die Entladung ist vermiedener Netzbezug und zählt mit dem Bezugspreis <math>p_\mathrm{bez}</math>, die Ladung kostet die entgangene Vergütung <math>v</math> der Energie, die sonst eingespeist worden wäre – zuerst der Anteil aus der Photovoltaik, der Rest aus dem BHKW-Überschuss. Über das Jahr summiert ergibt das den Jahresertrag des Speichers, | |||
<math>E_\mathrm{a} = \sum_k \left( E_\mathrm{dis}(k) \cdot p_\mathrm{bez}(k) - E_\mathrm{ch,PV}(k) \cdot v_\mathrm{PV}(k) - E_\mathrm{ch,BHKW}(k) \cdot v_\mathrm{BHKW}(k) \right)</math> | |||
und mit Investition, Zins, Nutzungsdauer und der jährlichen Degradation den Kapitalwert und die Amortisation. Die Degradation mindert dabei den Ertrag jedes Folgejahres um den Faktor <math>(1 - d)</math>; den Stundenlauf rechnet EPOS-Plan mit der vollen Kapazität. | |||
'''Beispiel.''' Gibt ein Speicher im Jahr 1.900 kWh ab und nimmt dafür 2.110 kWh PV-Überschuss auf, ergibt das mit 30 ct/kWh Bezugspreis und 8 ct/kWh Vergütung (Beispielpreise) 1.900 × 0,30 − 2.110 × 0,08 = 570 − 169 = 401 € im Jahr. Die Verluste des Speichers stecken darin: Die 210 kWh, die er mehr aufnimmt, als er abgibt, kosten die Vergütung, die sie im Netz gebracht hätten. | |||
=== Grenzen des Modells === | |||
{{Anker|grenzen-des-modells}} | |||
Der Wirkungsgrad ist in jeder Viertelstunde derselbe, unabhängig von Leistung, Temperatur und Ladezustand; Zellspannung, Ladeschlussphase und Temperatur der Zellen rechnet EPOS-Plan nicht. Die Kapazität bleibt im Stundenlauf gleich, die Alterung wirkt nur in der Wirtschaftlichkeit. Die Erzeugung der Photovoltaik ist innerhalb einer Stunde nach dem Sonnenstand verteilt, eine Last aus einem Profil in den vier Viertelstunden gleich hoch – Spitzen innerhalb einer Viertelstunde und Wolkenzüge innerhalb einer Stunde bringt nur eine gemessene Reihe mit ([[Grundlagen/Strombedarf und Lastprofile#waerme-und-strombedarf|Strombedarf]]). | |||
== Kennzahlen == | |||
{{Anker|kennzahlen|kenngroessen}} | |||
{| class="wikitable" | |||
! Kennzahl !! Bedeutung !! Typischer Bereich | |||
|- | |||
| Nutzbare Kapazität || speicherbare Energiemenge zwischen den Ladezustandsgrenzen || kWh | |||
|- | |||
| Lade-/Entladeleistung || höchste Leistung beim Laden bzw. Entladen || kW | |||
|- | |||
| Ladezustandsgrenzen || Entladetiefe, die die Zellen schont (Depth of Discharge) || 5–20 % Reserve unten | |||
|- | |||
| Round-Trip-Wirkungsgrad || Verhältnis entnommener zu eingespeister Energie über einen Zyklus || 90–95 % | |||
|- | |||
| Degradation || jährlicher Kapazitätsverlust || 1–2 %/Jahr | |||
|- | |||
| C-Rate || Leistung je kWh Nennkapazität; bestimmt, wie schnell der Speicher voll und leer ist || 0,5–1 C | |||
|- | |||
| Äquivalente Vollzyklen || aus den Zellen entnommene Energie geteilt durch die nutzbare Kapazität, je Jahr || 150–300 je Jahr im Haushalt | |||
|- | |||
| Selbstentladung || Verlust des Inhalts ohne Last || wenige Prozent je Monat | |||
|} | |||
Die Bereiche der Tabelle sind Planungsrichtwerte, nicht im Programm. EPOS-Plan rechnet mit den Werten der Speicheranlage und ohne sie mit den Rückfallwerten (Band 10 bis 90 %, Umlaufwirkungsgrad 0,90, Leistung 1 C). Lade- und Entladeenergie, Ladezustandsverlauf und äquivalente Vollzyklen weist der Lauf im Reiter ''Stromspeicher'' aus, Eigenverbrauchsquote und Autarkie mit Speicherwirkung im Reiter ''Ergebnis''. | |||
== Typische Größen == | |||
{{Anker|typische-groessen|dimensionierung}} | |||
{| class="wikitable" | |||
! Einsatzfall !! Speichergröße !! Faustregel | |||
|- | |||
| Einfamilienhaus || 5–10 kWh || rund 1 kWh je kWp installierter PV-Leistung | |||
|- | |||
| Mehrfamilienhaus || 15–30 kWh || am mittleren Tagesverbrauch ausgerichtet | |||
|- | |||
| Gewerbe (Lastspitzenkappung) || nach Zielspitze bemessen, oft mehrere 100 kWh || Leistung meist wichtiger als Kapazität | |||
|} | |||
Diese Faustwerte ersetzen keine Rechnung: Der Nutzen hängt stark vom Lastprofil ab. Sinnvoll ist, mehrere Größen zu rechnen und zu beobachten, ab wann der Zuwachs an Eigenverbrauch abflacht. | |||
== Was das für die Auslegung bedeutet == | |||
{{Anker|auslegung|folgerungen}} | |||
Das rechte Bild oben zeigt, warum der Zuwachs abflacht. Ein Speicher kann an einem Tag nur abgeben, was zwei Mengen zugleich zulassen: den Überschuss des Tages, den er aufnehmen kann, und den Bedarf zwischen Sonnenuntergang und Sonnenaufgang, den er decken kann. Die kleinere der beiden bestimmt den Nutzen, und über ihr bringt zusätzliche Kapazität an diesem Tag nichts mehr: | |||
* '''Im Sommer begrenzt die Nacht.''' Der Überschuss ist groß, der Bedarf der Nacht klein. Ist der Speicher groß genug für die Nacht, bleibt er auch nach der Nacht zu einem großen Teil voll, und jede weitere Kilowattstunde Kapazität steht ungenutzt – der Lauf zeigt das an einem Ladezustand, der nachts kaum noch sinkt. | |||
* '''Im Winter begrenzt der Überschuss.''' Die Erzeugung reicht kaum für den Bedarf am Tag, der Speicher bleibt fast leer, und seine Größe spielt keine Rolle. Ein sonniger Sommer gleicht keinen dunklen Winter aus. | |||
* '''Die Übergangszeit entscheidet über die Größe.''' Im Frühjahr und Herbst sind Überschuss und Nachtbedarf beide nennenswert; dort zahlt sich zusätzliche Kapazität am längsten aus. Wo der Zuwachs über das Jahr abflacht, zeigen erst die Jahreswerte mehrerer gerechneter Größen. | |||
* '''Leistung nach Zweck.''' Im Haushalt begrenzt die Leistung selten; für eine Lastspitzenkappung ist sie dagegen die entscheidende Größe, weil wenige Viertelstunden mit hoher Leistung zu decken sind. | |||
* '''Verluste mitdenken.''' Jede Kilowattstunde, die durch den Speicher geht, verliert rund ein Zehntel. Ein Speicher lohnt deshalb vor allem für Überschuss, der sonst nur mit einer niedrigen Vergütung eingespeist würde. | |||
'''Beispiel.''' Für den Haushalt mit 4.000 kWh im Jahr und 10 kWp zeigt das Bild drei Tagestypen. Am sonnigen Junitag fehlen ohne Speicher 3,2 kWh, nachts und am frühen Morgen; ab 4,5 kWh Nennkapazität deckt der Speicher sie ganz, ein Speicher mit 10 kWh bringt an diesem Tag nicht mehr als einer mit 5 kWh. An einem wechselhaften Märztag mit 15 kWh Erzeugung fehlen ohne Speicher 6,4 kWh: 5 kWh Nennkapazität decken davon 3,8 kWh, 10 kWh decken sie ganz. Am trüben Dezembertag mit 3 kWh Erzeugung bleiben nur 0,4 kWh Überschuss, und jeder Speicher gibt höchstens 0,4 kWh ab. Der Schritt von 5 auf 10 kWh lohnt sich in diesem Beispiel also nur an Tagen wie im März; wie viele es davon im Jahr gibt, sagt der Jahreslauf. | |||
== Einsatz und Grenzen == | |||
{{Anker|einsatz-und-grenzen|alternativen-und-zusammenspiel}} | |||
Ein Batteriespeicher lohnt vor allem dort, wo Erzeugung und Bedarf zeitlich auseinanderfallen, aber nur über Stunden, nicht über Tage oder Jahreszeiten – ein sonniger Sommer gleicht keinen dunklen Winter aus. Vor einer größeren Batterie lohnt der Vergleich mit thermischer Speicherung: Eine Wärmepumpe mit Pufferspeicher verschiebt Wärmeerzeugung in die Mittagsstunden zu deutlich geringeren Kosten je Kilowattstunde. Im Gewerbe tritt daneben die '''Lastspitzenkappung''' als eigener Nutzen hinzu, unabhängig von der PV-Erzeugung. | |||
== In EPOS-Plan == | |||
{{Anker|in-epos-plan|abbildung-in-epos-plan}} | |||
Im Projekt legt die Kachel Stromspeicher der Startseite den Speicher im Dialog „Verwaltung Stromspeicher“ an; den Gerätekatalog pflegt man unter Administration → Strombedarf & Speicher → Stromspeicher. Wie der Speicher im Einzelnen eingebunden und konfiguriert wird, ein Beispiel, das Zusammenspiel mit anderen Techniken und die Fallstricke stehen auf der Anwendungsseite: [[Programm Dokumentation/Stromspeicher#einbindung|Einbindung]], [[Programm Dokumentation/Stromspeicher#beispiel|Beispiel]], [[Programm Dokumentation/Stromspeicher#zusammenspiel|Zusammenspiel]], [[Programm Dokumentation/Stromspeicher#fallstricke|Fallstricke]]. Die Berechnungsart wählt die Speichervariante ([[Programm Dokumentation/Stromspeicher#berechnungsart|Berechnungsart]]), Größe und Stückzahl sucht die [[Programm Dokumentation/Stromspeicher#auslegung-ansicht|Stromspeicher-Auslegung]], und den Rechenweg mit allen Gleichungen beschreibt [[Programm Dokumentation/Berechnung/Stromspeicher|Berechnung: Stromspeicher]]. | |||
== Siehe auch == | == Siehe auch == | ||
{{Anker|siehe-auch}} | {{Anker|siehe-auch}} | ||
* [[ | * [[Grundlagen/Photovoltaik|Photovoltaik]] – Erzeugung, die den Speicher lädt | ||
* [[ | * [[Grundlagen/Wärmepumpe|Wärmepumpe]] – thermische Speicherung als Alternative | ||
* [[Grundlagen/Kostenrechnung|Kostenrechnung]] – wirtschaftliche Bewertung der Speicherkosten | |||
{{Navigation Grundlagen}} | {{Navigation Grundlagen}} | ||
[[Kategorie:Grundlagen]] | [[Kategorie:Grundlagen]] | ||
Aktuelle Version vom 7. November 2026, 01:16 Uhr
Ein Batteriespeicher verschiebt Strom über Stunden, nicht über Wochen: Er nimmt Überschüsse der Eigenerzeugung auf und gibt sie ab, sobald der Bedarf die Erzeugung wieder übersteigt. Damit erhöht er den Eigenverbrauch einer Photovoltaikanlage – stößt aber genau dort an seine Grenze, wo tagelang zu wenig erzeugt wird. Wie viel ein Speicher bringt, entscheidet deshalb nicht seine Kapazität allein, sondern das Zusammenspiel aus dem Überschuss am Tag, dem Bedarf in der Nacht und den Verlusten beim Laden und Entladen. Diese Seite erklärt, wie ein Stromspeicher arbeitet und welche Kenngrößen ihn beschreiben, wie EPOS-Plan ihn Viertelstunde für Viertelstunde rechnet und was daraus für die Wahl der Größe folgt. Die Bedienung – Katalog, Speicher im Projekt, Betriebsführung und die Auslegungsansicht – beschreibt Programm Dokumentation/Stromspeicher.
Funktionsprinzip
Ein Stromspeicher besteht aus Batteriezellen, die die Energie chemisch speichern, einem Batteriemanagement, das jede Zelle in ihrem zulässigen Spannungs- und Temperaturbereich hält, und einer Leistungselektronik, die zwischen der Gleichspannung der Zellen und dem Wechselstrom des Hausnetzes umformt. Ein AC-gekoppelter Speicher hat dafür einen eigenen Batteriewechselrichter und lässt sich neben jede bestehende Photovoltaikanlage setzen; ein DC-gekoppelter Speicher hängt am Gleichstromkreis eines Hybridwechselrichters und spart beim Laden aus den Modulen eine Umformung (Wechselrichter). In beiden Fällen geht in den Zellen und bei jeder Umformung ein Teil der Energie als Wärme verloren: Was ein Zyklus wieder abgibt, ist weniger als das, was er aufgenommen hat.
Geladen wird aus dem Überschuss der Erzeugung, sobald der momentane Bedarf gedeckt ist; entladen wird, sobald die Erzeugung nicht mehr ausreicht. Begrenzend wirken die freie Kapazität, die Ladezustandsgrenzen und die Lade-/Entladeleistung. Der Verlauf des Ladezustands über den Tag ist die anschaulichste Kontrolle der Dimensionierung: Bleibt der Speicher an sonnigen Tagen lange voll, ist er zu groß; wird er nie ganz geladen, zu klein für die Anlage; pendelt er täglich zwischen den Grenzen, passt die Größe.
Das Bild zeigt einen Junitag eines Haushalts mit Photovoltaik und Speicher Viertelstunde für Viertelstunde. Am frühen Morgen reicht die Erzeugung noch nicht, der leere Speicher kann nicht helfen, und der Strom kommt aus dem Netz. Sobald die Erzeugung die Last übersteigt, deckt sie zuerst den Bedarf derselben Viertelstunde (Direktverbrauch); was übrig bleibt, lädt den Speicher, bis er die obere Ladezustandsgrenze erreicht, und alles Weitere geht ins Netz. Am Abend kehrt sich das um: Der Speicher deckt die Last, bis die Sonne wieder aufgeht oder die untere Grenze erreicht ist.
Beispiel. Eine Anlage mit 10 kWp erzeugt an diesem Junitag 50 kWh, der Haushalt mit 4.000 kWh im Jahr braucht 9,1 kWh. Direkt genutzt werden 6,0 kWh. Der leere Speicher mit 10 kWh Nennkapazität und 5 kW Leistung nimmt bis kurz vor 11 Uhr 8,4 kWh auf und ist dann voll; 35,6 kWh gehen ins Netz. Am Abend gibt er 1,6 kWh ab, und aus dem Netz kommen nur noch 1,5 kWh statt 3,2 kWh ohne Speicher. Um Mitternacht liegen noch gut 7 kWh im Speicher – an solchen Tagen ist er für diesen Haushalt zu groß, weil die Nacht ihn nicht leert.
Kapazität, Ladezustand und Wirkungsgrad
Die Nennkapazität ist die Energie, die die Zellen zwischen leer und voll fassen. Genutzt wird davon nur ein Band zwischen einer unteren und einer oberen Ladezustandsgrenze und , weil tiefe Entladung und dauerhaft volle Zellen die Alterung beschleunigen; die nutzbare Kapazität ist
Der Ladezustand SOC (state of charge) ist der Inhalt zu einem Zeitpunkt, in kWh oder in Prozent der Nennkapazität. Der Umlaufwirkungsgrad (round trip) ist das Verhältnis der entnommenen zur eingespeisten Energie über einen vollen Zyklus, gemessen auf der Wechselstromseite; er fasst die Verluste der Zellen, des Batteriemanagements und der Umformung zusammen. EPOS-Plan teilt ihn gleichmäßig auf beide Richtungen auf, mit dem Ladewirkungsgrad und dem Entladewirkungsgrad :
Die Leistung begrenzt, wie schnell geladen und entladen werden kann. Das Verhältnis von Leistung zu Kapazität heißt C-Rate: Ein Speicher mit 10 kWh und 5 kW hat 0,5 C und braucht mindestens zwei Stunden, um sich ganz zu füllen. Dazu kommen die Selbstentladung, mit der der Inhalt auch ohne Last langsam abnimmt, und der Standbyverbrauch der Elektronik, eine kleine Dauerlast. Ein Maß für die Beanspruchung der Zellen ist die Zahl der äquivalenten Vollzyklen im Jahr – die aus den Zellen entnommene Energie geteilt durch die nutzbare Kapazität:
Beispiel. Ein Speicher mit 10 kWh Nennkapazität und dem Band 10 bis 90 % hat 8,0 kWh nutzbar. Mit dem Umlaufwirkungsgrad 0,90 beträgt der Wirkungsgrad je Richtung √0,90 = 0,949. Um das Band ganz zu füllen, braucht der Speicher 8,0 / 0,949 = 8,43 kWh aus dem Hausnetz, und beim Entladen gibt er 8,0 × 0,949 = 7,59 kWh wieder ab: 0,84 kWh je Zyklus gehen verloren, und 7,59 / 8,43 = 0,90 ist wieder der Umlaufwirkungsgrad. Gibt der Speicher im Jahr 1.900 kWh an das Hausnetz ab, kommen 1.900 / 0,949 = 2.003 kWh aus den Zellen, das sind 2.003 / 8,0 ≈ 250 äquivalente Vollzyklen.
Wie EPOS-Plan den Speicher je Viertelstunde rechnet
EPOS-Plan rechnet den Stromspeicher nach der Wärmeseite und nach der Photovoltaik, Viertelstunde für Viertelstunde über die 35.040 Viertelstunden des Jahres. Eingang sind die Last – der Strombedarf des Projekts samt dem Strom von Wärmepumpe, Heizstab, Elektrokessel und Kälte –, die Erzeugung der Photovoltaik und die eines BHKW. Daraus bildet der Lauf in jeder Viertelstunde zuerst einen ladefähigen Überschuss oder einen Fehlbetrag: Das BHKW deckt die Last vorrangig, die Photovoltaik den Rest; was dann noch erzeugt wird, ist Überschuss, was noch fehlt, Fehlbetrag. Beides zugleich gibt es nicht, deshalb lädt und entlädt der Speicher nie in derselben Viertelstunde. Welche Überschüsse laden dürfen – der der Photovoltaik, der des BHKW oder beide –, legt die Ladequelle der Speichervariante fest. Der Speicher richtet sich nach der Wärmeseite, nicht umgekehrt: Wärmepumpe und Kessel sind schon gerechnet, wenn er an die Reihe kommt.
Dauernutzung
In der Berechnungsart Dauernutzung, der Vorgabe, lädt der Speicher aus dem Überschuss und entlädt gegen den Fehlbetrag, jeweils so weit, wie drei Grenzen es zulassen: die Energie, die in der Viertelstunde da ist oder fehlt, die Leistung und der Platz im Band. Mit der Dauer h einer Viertelstunde gilt auf der Wechselstromseite
und der Ladezustand wird mit dem fortgeschrieben, was tatsächlich geflossen ist:
Dabei ist der ladefähige Überschuss, der Fehlbetrag der Viertelstunde, und , sind die Grenzen des Bands in kWh. Die Ladung kommt aus dem Überschuss und mindert die Einspeisung, nicht den Netzbezug; die Entladung mindert den Netzbezug. Das Jahr beginnt mit dem Ladezustand, den die Speicheranlage nennt, in das Band geklemmt – ohne Angabe also an der unteren Grenze. Fehlen Werte der Anlage, rechnet der Lauf mit Rückfallwerten: Band 10 bis 90 % der Nennkapazität, Umlaufwirkungsgrad 0,90 und, ohne gepflegte Leistung, eine Leistung gleich der Nennkapazität (1 C), die praktisch nicht begrenzt.
Beispiel. In einer Abendviertelstunde braucht der Haushalt 0,6 kW, die Photovoltaik liefert noch 0,2 kW; der Fehlbetrag ist (0,6 − 0,2) × 0,25 = 0,10 kWh. Ein Speicher mit 5 kW und 3,00 kWh Inhalt über der unteren Grenze darf bis zu 5 × 0,25 = 1,25 kWh und bis zu 3,00 × 0,949 = 2,85 kWh abgeben; begrenzend ist der Fehlbetrag. Er gibt 0,10 kWh ab, sein Inhalt sinkt um 0,10 / 0,949 = 0,105 kWh, und aus dem Netz kommt in dieser Viertelstunde nichts.
Selbstentladung, Standby und Einspeisegrenze
Die Selbstentladung wird als Prozent des Inhalts je Monat gepflegt und zehrt zu Beginn jeder Viertelstunde am Inhalt, höchstens bis zur unteren Grenze des Bands. Der Standby des Speichersystems ist eine Last hinter dem Speicher: Er wird aus dem Überschuss gedeckt, der nach der Ladung bleibt, sonst aus dem Netz, nie aus der Batterie. Beide sind ohne Angabe null. Eine Einspeisegrenze der Projekteinstellung kennt der Speicher nicht; erst nach seiner Ladung wird bis zur Grenze eingespeist und darüber abgeregelt, der Speicher lädt also vor dem Abregeln (Photovoltaik).
Andere Berechnungsarten und mehrere Speicher
Neben der Dauernutzung kennt die Speichervariante die Preissteuerung (Arbitrage), die nach einem Bezugspreis aus dem Netz lädt und verkauft, wobei der Eigenverbrauch Vorrang behält, und die Lastspitzenkappung: Der Speicher entlädt, sobald die Netzlast über einem Peak-Ziel liegt, und lädt unter dem Ziel wieder auf, höchstens so weit, dass die Wiederaufladung keine neue Spitze über dem Ziel erzeugt. Mit Peak-Ziel adaptiv nachziehen beginnt die Schwelle bei null und steigt nur so weit, wie der Speicher sie nicht halten kann. Lädt der Speicher aus dem Netz, zählt diese Energie im Netzbezug der Viertelstunde und damit in der Bezugsspitze (Lastspitzen und Leistungspreis). Mehrere gleichzeitig betriebene Speicher rechnet EPOS-Plan als Speicherflotte mit eigenem Zustand, eigener Leistung und eigenen Kosten je Einheit; drei ihrer fünf Betriebsziele planen mit Wissen über die kommenden Stunden. Einzelheiten stehen unter Berechnungsart der Speichervariante und Berechnung: Stromspeicher.
Bewertung
Wirtschaftlich bewertet EPOS-Plan die Energie auf der Wechselstromseite: Die Entladung ist vermiedener Netzbezug und zählt mit dem Bezugspreis , die Ladung kostet die entgangene Vergütung der Energie, die sonst eingespeist worden wäre – zuerst der Anteil aus der Photovoltaik, der Rest aus dem BHKW-Überschuss. Über das Jahr summiert ergibt das den Jahresertrag des Speichers,
und mit Investition, Zins, Nutzungsdauer und der jährlichen Degradation den Kapitalwert und die Amortisation. Die Degradation mindert dabei den Ertrag jedes Folgejahres um den Faktor ; den Stundenlauf rechnet EPOS-Plan mit der vollen Kapazität.
Beispiel. Gibt ein Speicher im Jahr 1.900 kWh ab und nimmt dafür 2.110 kWh PV-Überschuss auf, ergibt das mit 30 ct/kWh Bezugspreis und 8 ct/kWh Vergütung (Beispielpreise) 1.900 × 0,30 − 2.110 × 0,08 = 570 − 169 = 401 € im Jahr. Die Verluste des Speichers stecken darin: Die 210 kWh, die er mehr aufnimmt, als er abgibt, kosten die Vergütung, die sie im Netz gebracht hätten.
Grenzen des Modells
Der Wirkungsgrad ist in jeder Viertelstunde derselbe, unabhängig von Leistung, Temperatur und Ladezustand; Zellspannung, Ladeschlussphase und Temperatur der Zellen rechnet EPOS-Plan nicht. Die Kapazität bleibt im Stundenlauf gleich, die Alterung wirkt nur in der Wirtschaftlichkeit. Die Erzeugung der Photovoltaik ist innerhalb einer Stunde nach dem Sonnenstand verteilt, eine Last aus einem Profil in den vier Viertelstunden gleich hoch – Spitzen innerhalb einer Viertelstunde und Wolkenzüge innerhalb einer Stunde bringt nur eine gemessene Reihe mit (Strombedarf).
Kennzahlen
| Kennzahl | Bedeutung | Typischer Bereich |
|---|---|---|
| Nutzbare Kapazität | speicherbare Energiemenge zwischen den Ladezustandsgrenzen | kWh |
| Lade-/Entladeleistung | höchste Leistung beim Laden bzw. Entladen | kW |
| Ladezustandsgrenzen | Entladetiefe, die die Zellen schont (Depth of Discharge) | 5–20 % Reserve unten |
| Round-Trip-Wirkungsgrad | Verhältnis entnommener zu eingespeister Energie über einen Zyklus | 90–95 % |
| Degradation | jährlicher Kapazitätsverlust | 1–2 %/Jahr |
| C-Rate | Leistung je kWh Nennkapazität; bestimmt, wie schnell der Speicher voll und leer ist | 0,5–1 C |
| Äquivalente Vollzyklen | aus den Zellen entnommene Energie geteilt durch die nutzbare Kapazität, je Jahr | 150–300 je Jahr im Haushalt |
| Selbstentladung | Verlust des Inhalts ohne Last | wenige Prozent je Monat |
Die Bereiche der Tabelle sind Planungsrichtwerte, nicht im Programm. EPOS-Plan rechnet mit den Werten der Speicheranlage und ohne sie mit den Rückfallwerten (Band 10 bis 90 %, Umlaufwirkungsgrad 0,90, Leistung 1 C). Lade- und Entladeenergie, Ladezustandsverlauf und äquivalente Vollzyklen weist der Lauf im Reiter Stromspeicher aus, Eigenverbrauchsquote und Autarkie mit Speicherwirkung im Reiter Ergebnis.
Typische Größen
| Einsatzfall | Speichergröße | Faustregel |
|---|---|---|
| Einfamilienhaus | 5–10 kWh | rund 1 kWh je kWp installierter PV-Leistung |
| Mehrfamilienhaus | 15–30 kWh | am mittleren Tagesverbrauch ausgerichtet |
| Gewerbe (Lastspitzenkappung) | nach Zielspitze bemessen, oft mehrere 100 kWh | Leistung meist wichtiger als Kapazität |
Diese Faustwerte ersetzen keine Rechnung: Der Nutzen hängt stark vom Lastprofil ab. Sinnvoll ist, mehrere Größen zu rechnen und zu beobachten, ab wann der Zuwachs an Eigenverbrauch abflacht.
Was das für die Auslegung bedeutet
Das rechte Bild oben zeigt, warum der Zuwachs abflacht. Ein Speicher kann an einem Tag nur abgeben, was zwei Mengen zugleich zulassen: den Überschuss des Tages, den er aufnehmen kann, und den Bedarf zwischen Sonnenuntergang und Sonnenaufgang, den er decken kann. Die kleinere der beiden bestimmt den Nutzen, und über ihr bringt zusätzliche Kapazität an diesem Tag nichts mehr:
- Im Sommer begrenzt die Nacht. Der Überschuss ist groß, der Bedarf der Nacht klein. Ist der Speicher groß genug für die Nacht, bleibt er auch nach der Nacht zu einem großen Teil voll, und jede weitere Kilowattstunde Kapazität steht ungenutzt – der Lauf zeigt das an einem Ladezustand, der nachts kaum noch sinkt.
- Im Winter begrenzt der Überschuss. Die Erzeugung reicht kaum für den Bedarf am Tag, der Speicher bleibt fast leer, und seine Größe spielt keine Rolle. Ein sonniger Sommer gleicht keinen dunklen Winter aus.
- Die Übergangszeit entscheidet über die Größe. Im Frühjahr und Herbst sind Überschuss und Nachtbedarf beide nennenswert; dort zahlt sich zusätzliche Kapazität am längsten aus. Wo der Zuwachs über das Jahr abflacht, zeigen erst die Jahreswerte mehrerer gerechneter Größen.
- Leistung nach Zweck. Im Haushalt begrenzt die Leistung selten; für eine Lastspitzenkappung ist sie dagegen die entscheidende Größe, weil wenige Viertelstunden mit hoher Leistung zu decken sind.
- Verluste mitdenken. Jede Kilowattstunde, die durch den Speicher geht, verliert rund ein Zehntel. Ein Speicher lohnt deshalb vor allem für Überschuss, der sonst nur mit einer niedrigen Vergütung eingespeist würde.
Beispiel. Für den Haushalt mit 4.000 kWh im Jahr und 10 kWp zeigt das Bild drei Tagestypen. Am sonnigen Junitag fehlen ohne Speicher 3,2 kWh, nachts und am frühen Morgen; ab 4,5 kWh Nennkapazität deckt der Speicher sie ganz, ein Speicher mit 10 kWh bringt an diesem Tag nicht mehr als einer mit 5 kWh. An einem wechselhaften Märztag mit 15 kWh Erzeugung fehlen ohne Speicher 6,4 kWh: 5 kWh Nennkapazität decken davon 3,8 kWh, 10 kWh decken sie ganz. Am trüben Dezembertag mit 3 kWh Erzeugung bleiben nur 0,4 kWh Überschuss, und jeder Speicher gibt höchstens 0,4 kWh ab. Der Schritt von 5 auf 10 kWh lohnt sich in diesem Beispiel also nur an Tagen wie im März; wie viele es davon im Jahr gibt, sagt der Jahreslauf.
Einsatz und Grenzen
Ein Batteriespeicher lohnt vor allem dort, wo Erzeugung und Bedarf zeitlich auseinanderfallen, aber nur über Stunden, nicht über Tage oder Jahreszeiten – ein sonniger Sommer gleicht keinen dunklen Winter aus. Vor einer größeren Batterie lohnt der Vergleich mit thermischer Speicherung: Eine Wärmepumpe mit Pufferspeicher verschiebt Wärmeerzeugung in die Mittagsstunden zu deutlich geringeren Kosten je Kilowattstunde. Im Gewerbe tritt daneben die Lastspitzenkappung als eigener Nutzen hinzu, unabhängig von der PV-Erzeugung.
In EPOS-Plan
Im Projekt legt die Kachel Stromspeicher der Startseite den Speicher im Dialog „Verwaltung Stromspeicher“ an; den Gerätekatalog pflegt man unter Administration → Strombedarf & Speicher → Stromspeicher. Wie der Speicher im Einzelnen eingebunden und konfiguriert wird, ein Beispiel, das Zusammenspiel mit anderen Techniken und die Fallstricke stehen auf der Anwendungsseite: Einbindung, Beispiel, Zusammenspiel, Fallstricke. Die Berechnungsart wählt die Speichervariante (Berechnungsart), Größe und Stückzahl sucht die Stromspeicher-Auslegung, und den Rechenweg mit allen Gleichungen beschreibt Berechnung: Stromspeicher.
Siehe auch
- Photovoltaik – Erzeugung, die den Speicher lädt
- Wärmepumpe – thermische Speicherung als Alternative
- Kostenrechnung – wirtschaftliche Bewertung der Speicherkosten