Energiespeicher in Privathaushalten – Warum man Energie speichern möchte

Bei diesem Text handelt es sich um einen Auszug der Projektarbeit „Energiewirtschaft“ von Februar 2016.

Warum man Energie speichern möchte

Regenerative Energien haben neben der Tatsache, dass sie nahezu keine Umweltverschmutzung hinterlassen, einen weiteren großen Unterschied zu konventionellen Energieträgern: Die Stromerzeugung schwankt in einem nicht beeinflussbaren Maße anhand von zahlreichen Faktoren.

Betrachtet man nur zwei wichtige Möglichkeiten der regenerativen Stromerzeugung, erkennt man die Gründe dafür sehr schnell. Strom aus Photovoltaikanlagen ist auf die Sonnenstrahlung angewiesen, welche starken Schwankungen unterliegt. Durch die Erdrotation steigt die Sonne im Laufe des Tages auf, bis mittags der Höchststand erreicht ist. An diesem Punkt trifft die Sonnenstrahlung am stärksten auf die Erdoberfläche und die Stromerzeugung ist auf dem Maximum (siehe Abbildung 1). Nachts dagegen wird überhaupt keine Energie produziert. Doch auch Wetter wirkt sich auf PV-Anlagen aus, bei Bewölkung wird die Sonnenstrahlung vermindert und bei zu hohen Temperaturen lässt die Effizienz der Anlage nach.

SonnStand49Nord
Abbildung 1: Sonnenstand über den Tag und das Jahr verteilt. Quelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:SonnStand49Nord.svg

Windenergie unterliegt ebenfalls Schwankungen, welche jedoch hauptsächlich von der aktuellen Wetterlage abhängig sind. Bei starkem Wind können die Anlagen ihre höchste Leistung erreichen, bei Windstille wird kein Strom erzeugt.

Diese Schwankungen stehen dem Energiebedarf eines Haushaltes gegenüber. Ein Haushalt benötigt in der Regel morgens, mittags und gegen Abend am meisten Strom (siehe Abbildung 3b). Da die Stromproduktion nicht an den Bedarf angepasst werden kann entstehen so Differenzen zwischen der Produktion und dem Bedarf. Diese können entweder durch eine extreme Erhöhung der Produktionskapazität, welche zu Hochzeiten jedoch deutlich mehr Energie produziert als benötigt wird und wirtschaftlich nicht tragbar wäre, oder durch Speicherung der Energie abgefangen werden. Durch einen Stromspeicher kann die Produktion in Spitzenzeiten gespeichert und in Zeiten mit niedrigerer Produktion wieder abgegeben werden.

Ein Zweipersonenhaushalt benötigt durchschnittlich 8,5 kWh pro Tag, ein Vierpersonenhaushalt 12,3 kWh (vgl Umweltbundesamt 2013, Seite 18). Um die Produktion auf die Last von 24 Stunden verteilen zu können, benötigt man einen Stromspeicher von etwa dieser Größenordnung und natürlich eine Stromerzeugung mit möglichst mindestens derselben Leistung pro Tag.

StromnachfrageKlein
Abbildung 2: Stromnachfrage und -angebot aus Windkraft- und PV-Anlagen bei einem Gesamtanteil erneuerbarer Energien von 80 Prozent, Simulation. In Gigawatt. Quelle: DIW Wochenbericht, Stromspeicher: eine wichtige Option für die Energiewende. http://www.diw.de/sixcms/detail.php?id=diw_01.c.497924.de

Vorstellung einiger Verfahren zur Energiespeicherung und deren Vergleich

Es gibt viele Möglichkeiten Strom beziehungsweise Energie zu speichern. Ich möchte einige Möglichkeiten betrachten, welche sich grundsätzlich für Privathaushalte eignen und Diese miteinander vergleichen. Für die Vergleiche möchte ich eine Speichergröße von 5 kWh setzen.

Lithium-Akkus

Lithium-Akkus sind derzeit weit verbreitet. Smartphones, Laptops und andere tragbare Geräte setzen auf diese Technik. Auch Elektroautos haben diese Technik an Bord um den Strom für die Elektromotoren zu speichern. Es gibt jedoch nicht nur eine einzige Sorte Lithium-Akkus. Im Handel finden sich hauptsächlich Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Akkus. Das Wort „Lithium-Ionen-Akku“ ist eigentlich nur eine Art Überbegriff für die verschiedenen, eigentlichen Lithium-Akku Sorten. Daher kann sich die genaue Zusammensetzung von Lithium-Ionen-Akkus unterscheiden. Ein Lithium-Polymer-Akku ist dabei eine „echte“ Sorte.

„Normale“ Lithium-Ionen-Akkus haben eine Energiedichte von bis zu 180 Wh/Kg. Lithium-Polymer-Akkus haben eine Energiedichte von bis zu 200 Wh/Kg (vgl. ITWissen.info, Lithium-Ionen-Akku und Lithium-Polymer-Akku). Lithium-Akkus werden in verschiedenen Bauformen hergestellt. Flachakkus werden in Smartphones und ähnlichen Geräten verbaut. Laptop- und Elektroautoakkus, sowie industrielle Anwendungen, setzen jedoch meist auf die Zellenform 18650 (etwa 65 mm lang und 18 mm im Durchmesser).
Um auf einen Energiespeicher von 5000 Wh kommen gibt es dutzende Variablen und tausende Möglichkeiten. Für meine Beispielrechnung möchte ich mich auf eine bestimmte Zelle von Samsung mit 8.64 Wh Kapazität beschränken (vgl. Samsung SDI Co., Ltd.).

Bei einem Volumen von etwa 21cm³ pro Zelle ergibt das ein Volumen von 12180 cm³ oder 0,12 m³.

Die meisten Hersteller für Solarstromspeicher geben eine Garantie von 7 oder 10 Jahren (vgl. WirtschaftsWoche Online). Man kann also von einer 10-jährigen Lebensdauer bei täglicher normaler Nutzung ausgehen.

Blei-Akkus

Bei diesem Speicher handelt es sich um den wohl klassischsten Energiespeicher. Blei-Akkus sind in nahezu jedem Auto und in vielen älteren Systemen zur Stromspeicherung verbaut.

Die Energiedichte von Blei-Akkus wird mit 30 bis 50 Wh/Kg angegeben (vgl. ITWissen.info: Bleiakku und Bundesverband eMobilität e.V.). Im Vergleich zu Lithium-Akkus benötigt man somit für dieselbe Speichergröße einen deutlich schwereren Akku.

Zum Vergleich nehme ich die Varta Blue Dynamic mit 60 Ah und 560 A (vgl. VARTA Automotive). Da es zu Bleibatterien kaum genaue Daten gibt nehme ich zur Berechnung der Energie eine durchgängige Spannung von 12 Volt an. Somit kommt dieser Akku auf 720 Wh.

Bei einem Akku Volumen von 8046,5 cm³ verbraucht ein 5000 Wh Speicher insgesamt 56325 cm³ beziehungsweise 0,56 m³.

Leider ist nicht jeder Blei-Akku zur Speicherung und Nutzung von regenerativer Energie geeignet. Hier gibt es spezielle Solarbatterien, welche auf die tägliche Nutzung ausgelegt sind. Eine für Endanwender ausgelegte Solarbatterie ist beispielsweise der SOLARINVERT Storage mit einer Kapazität von 10 kWh (vgl. SolarInvert GmbH). Dieses System benötigt ein Volumen von 393125 cm³. Da nur 5 kWh benötigt werden, sollte das Volumen auf etwa 0,39 m³ kommen.

Auch auf diese Produkte wird meist eine Garantie von 10 Jahren gegeben.

Kondensatoren

Kondensatoren unterscheiden sich sehr stark von normalen Akkumulatoren. Während Akkus die Energie durch chemische Prozesse speichern, werden bei Kondensatoren nur Ladungen gespeichert. Dadurch können sie deutlich mehr Lade- und Entladezyklen vertragen als normale Akkus (mehrere hunderttausend im Vergleich zu mehreren tausend) (vgl. ITWissen.info Superkondensator). Die Energiedichte liegt jedoch nur bei etwa 5 bis 10 Wh/Kg.
Um den Vergleichswert von 5000 kWh zu berechnen nehme ich einen Hochleistungskondensator von Maxwell Technologies Inc als Beispiel nehmen (vgl. Digi-Key Electronics). Dieser hat eine Kapazität von 63 F bei einer maximalen Spannung von 125 Volt.

Um die Leistung von 5000 Wh zu erhalten benötigt man also 37 Kondensatoren. Zusammen benötigen diese 200287 cm³ beziehungsweise 0,2 m³.
Wirtschaftlich ist diese Lösung jedoch nicht. Ein einzelner Kondensator bereits 6000 Euro. Zusammen kommt man somit auf 222.000 Euro nur für den Energiespeicher.

Potentielle Energie

Eine weitere interessante Möglichkeit ist die Nutzung von potentieller Energie. Indem man eine Masse anhebt erzeugt man dank der Gravitation potentielle Energie. Wenn die Masse über ein Kabel mit einem Generator verbunden ist, kann dieser die potentielle Energie nutzen und so Strom erzeugen, während die Masse langsam Richtung Boden fährt. Derselbe Generator kann zuvor als Elektromotor benutzt werden um die Masse anzuheben.
Für das Gewicht wird in diesem Beispiel Zement mit einer Dichte von 3000 Kg/m³ verwendet. Die maximale Zughöhe ist aufgrund der Nutzung in privaten Haushalten auf 1,5 Meter festgelegt.

Um 5 kWh Energie alleine durch potentielle Energie zu speichern würde man entsprechend etwa 408 m³ Zement benötigen. Bei einer Höhe von 1m würde das Gewicht somit 408m² belegen. Wie man sieht, eignet es sich somit nicht als sinnvoller Energiespeicher für Privathaushalte.
Wenn man allerdings ein Hochhaus mit 6 Stockwerken als Beispiel nimmt, wird diese Speichermethode interessanter, da die Höhe der wichtigere Faktor in der Rechnung ist. Auf dem Dach und im UG2 je ein großes Becken für Wasser installiert, welche durch ein Rohr und eine Pumpe/Generator miteinander verbunden sind. Da ein Stockwerk etwa 2,5 Meter hoch ist beträgt die Höhendifferenz zwischen UG2 und dem Dach 17,5 Meter.

Bei der Höhe von 17,5 Meter werden trotz der deutlich geringeren Dichte von 1000 Kg/m³ nur noch 105m³ Wasser benötigt. Der Wassertank würde damit bei 2 Meter Höhe nur noch eine Grundfläche von 52m² benötigen. Natürlich wären bei einem Haus dieser Größe 5 kWh nur für kurze Überbrückungen ausreichend.

tagesenergiebedarf
Abbildung 3: Tagesenergiebedarf eines Wohnhauses mit 44 Wohneinheiten an Werktagen. Quelle: Der Leistungsbedarf und seine Deckung: Analysen und Strategien. VDI/VDE/GFPE-Tagung in Schliersee am 16./17. Mai 1979. Seite 87

Finanzielle Aspekte der Energiespeicherung

Wenn man bereits eine Photovoltaikanlage oder ähnliches besitzt, ist man mit der Nutzbarkeit eingeschränkt. Verbrauch und Produktion müssen exakt übereinstimmen um wirklich die komplette Kapazität der Anlage ausschöpfen zu können. Zu wenig Produktion führt zum Stromzukauf und bei zu wenig Verbrauch wird der Strom dem Netz zugeführt.
Wenn man die Strompreise etwas vereinfacht, kann man von Kosten von 30 Cent je kWh Strom aus dem Netz (vgl. Strompreise.de) und einer Einspeisevergütung von 12 Cent je kWh (vgl. aktion solar) ausgehen. Der eigene Strom braucht zwar ein einmaliges Investment, ist danach jedoch – bis auf die Wartungskosten – komplett kostenlos.
Man sieht, dass der Kauf von Strom deutlich teurer ist als der Verkauf des Eigenen. Wenn man seinen Strom daher nicht effizient nutzen kann, kommt es unweigerlich zu Ein- und/oder Verkäufen. Ein Stromspeicher kann dies im optimalen Fall komplett ausgleichen. Zu viel produzierter Strom wird gespeichert und zu einem anderen Zeitpunkt wieder genutzt.
Zur Erläuterung möchte ich ein einfaches, optimales Rechenbeispiel mit und ohne Stromspeicher anführen. Steigende Strompreise, fallende Einspeisevergütungen und Wartungs- und Reparaturkosten werden hier nicht berücksichtigt.

Fall 1 – ohne Stromspeicher
Täglicher Strombedarf: 9 kWh. Tägliche Leistung der PV-Anlage: 9 kWh.
Ein Drittel des täglichen Bedarfs kann direkt durch die Photovoltaikanlage gedeckt werden. Je ein Drittel muss zugekauft beziehungsweise in das Netz eingespeist werden.
Täglicher Stromzukauf: 3 kWh zu je 30 Cent: 90 Cent
Täglicher Stromverkauf: 3 kWh zu je 12 Cent: 36 Cent
Für den Kauf müssen jeden Tag 54 Cent ausgegeben werden. Im Jahr entstehen dadurch also Kosten von 197,10 Euro.

Fall 2 – mit Stromspeicher
Der Strombedarf bleibt identisch, doch der Stromspeicher kann die zu viel produzierten 3 kWh für den späteren Verbrauch aufbewahren. Dadurch muss weder Strom zu- noch verkauft werden. In diesem Fall ist es ein 100% autarkes Stromsystem.
Die jährlichen Kosten für den Strom betragen jetzt 0,00 Euro.

Zum Vergleich – ohne eigene Stromerzeugung
Ein Haushalt komplett ohne eigene Stromerzeugung muss den Strom komplett einkaufen. Dadurch entstehen tägliche Kosten von 2,70 Euro. Über das Jahr bezahlt man so 985,50 Euro für den Strom.

Aus den Beispielen wird ersichtlich, dass sich regenerative Energie auch finanziell lohnen kann, sobald sich die Investitionskosten amortisiert haben. Die Einsparungen des Stromspeichers gegenüber der alleinigen Photovoltaikanlage betragen nach 10 Jahren 1971 Euro. In diesem Rechenbeispiel sollte der Preis für einen solchen Speicher daher auf einem ähnlichen Niveau liegen. Speicher und PV-Anlage zusammen kommen nach 10 Jahren auf eine Einsparung von 9855 Euro.
Mit der richtigen Dimensionierung von Photovoltaikanlage und Stromspeicher kann somit langfristig viel Geld gegenüber eines normalen Stromkaufs gespart werden.

Anbieter der Systeme

Stromspeicher sind im Vergleich zu klassischen Photovoltaikanlagen erst einige Jahre später interessant geworden, da es leistungsfähige Lithium-Akkus erst seit einigen Jahren gibt. Die meiste Aufmerksamkeit bekommt zweifelsohne der Stromspeicher namens Powerwall von Tesla Motors. Obwohl der Speicher erst im Laufe des Jahres 2016 auf den Markt kommen wird, wird er bereits in der Presse als der erste sich lohnende Energiespeicher bezeichnet (vgl. Handelszeitung 2015). Der Speicher soll eine Kapazität von 7 kWh bei einem Preis von knapp 3000 Euro ohne Steuern und Zubehör kosten. Diese Speicher können mehrfach aneinander geschlossen werden, sodass man Kapazitäten von 7, 14, 21, … kWh erreichen kann.
Einige weitere Hersteller sind folgende deutsche Unternehmen mit den jeweiligen Produkten:

  • sonnen – sonnenBatterie
  • SolarWorld – SunPac LiOn Speicher
  • Wagner Solar – STOREit SE
  • FENECON – diverse Modelle
  • IBC Solar – SolStore Li
  • Centrosolar – Cenpac Storage Li
  • Mercedes-Benz – Accumotive

Der Energieversorger eon setzt bei seinen Systemen auf Samsung SDI Lithium-Ionen Speicher. Andere Hersteller setzen auch heute noch auf Bleispeicher.

Zusammenfassung

Ein Energiespeicher löst sehr viele Probleme, die bei der Gewinnung von Strom aus regenerativen Energien entstehen. Er dient als Puffer zwischen der ungleichmäßigen Energieerzeugung und kann den gespeicherten Strom an den ebenfalls ungleichmäßigen Verbrauch abgeben. Erst durch eine solche Speichertechnik wird es möglich unabhängig von einem externen Stromversorger zu sein, welcher diese Unregelmäßigkeiten ausgleicht.
Da kein Strom transferiert werden muss, muss der Haushalt keinen Strom von Anbietern einkaufen und spart diesen ein. Dadurch können die Investition und die Wartungskosten ausgeglichen werden. Nach der Amortisation spart man sogar dauerhaft seine Stromkosten. Doch neben den Ersparnissen für einzelne Haushalte gibt es noch einen weiteren wichtigen Aspekt. Durch Speicherung wird es erst möglich ein regionales oder nationales Stromnetz aufzubauen, welches zum Großteil auf erneuerbare Energien setzt. Erneuerbare Energien sind erst mit dem Einsatz von Stromspeichern sinnvoll zu verwenden, da durch die Schwankungen in Erzeugung und Verbrauch sonst das komplette Stromnetz kollabieren könnte.

Beitragsbild: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Tesla_Powerwall.jpg

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