Efficiency characterization of 26 residential photovoltaic battery storage systems

So viel ist klar: Aus ökologischer und ökonomischer Sicht sollten PV-Speichersysteme möglichst effizient sein. Der Vergleich von 9 AC- und 17 DC-gekoppelten modernen Heimspeichern verdeutlicht allerdings, dass die Bandbreite der einzelnen Verlustmechanismen zum Teil noch sehr groß ist. Insbesondere bei der Umwandlungseffizienz und bei den Bereitschaftsverlusten besteht noch Verbesserungsbedarf.

Fokus auf die Umwandlungseffizienz legen

In diesem Artikel analysieren und vergleichen die Autor:innen die Labortestergebnisse von 26 Heimspeichersystemen, die vom Austrian Institute of Technology (AIT) und Karlsruher Institut für Technologie (KIT) nach dem Effizienzleitfaden für PV-Speichersysteme vermessen wurden. Hauptverantwortlich für die Gesamtverluste der PV-Speichersysteme sind die im Batteriespeicher und in den leistungselektronischen Systemkomponenten anfallenden Umwandlungsverluste. Auf einem aussagekräftigen Datenblatt sollten daher zu allen Energiewandlungspfaden (PV-Einspeisung, PV-Batterieladung, AC-Batterieladung, AC-Batterieentladung) die leistungsabhängigen Wirkungsgrade in Form von Wirkungsgradkennlinien oder zumindest die sogenannten mittleren Pfadwirkungsgrade zu finden sein. Letztere verfolgen den Ansatz, die Wirkungsgrade für jeden Energieumwandlungspfad in einem Wert zusammenzufassen.

Ein geringer Unterschied zwischen der nominalen PV-Eingangsspannung und der DC-Zwischenkreisspannung des Wechselrichters ermöglicht hohe PV2AC-Umwandlungswirkungsgrade. Im Mittel liegen diese bei den analysierten Systemen bei 96,1 %. Vergleichbare Wirkungsgrade sind auch bei der Batterieladung der DC-gekoppelten Systeme (PV2BAT) identifizierbar. Allerdings ist die Differenz zwischen dem maximalen (98,0 %) und minimalen (89,6 %) PV2BAT-Pfadwirkungsgrad deutlich stärker ausgeprägt als bei der PV-Einspeisung (PV2AC). Je größer die Differenz zwischen der PV-Eingangsspannung und der Batteriespannung ist, desto höher sind in der Regel auch die Umwandlungsverluste.

Stand-by-Verbrauch im Blick behalten

Die Leistungsaufnahme im Bereitschaftsbetrieb führt zu weiteren Verlusten der Speichersysteme. Der Stand-by-Verbrauch der Speichersysteme kann AC-seitig durch das Netz oder durch die PV-Anlage sowie DC-seitig durch den Batteriespeicher gedeckt werden.  Es wird zwischen dem vollgeladenen und entladenen Zustand unterschieden. Letzterer ist bedeutender, da sich ein Batteriespeicher je nach Systemkonfiguration jährlich etwa doppelt so häufig, zwischen 1250 h/a und 3250 h/a, im entladenen Zustand befindet. Der gemessene Systemverbrauch der im Beitrag analysierten Systeme schwankt zwischen 2 W und 71 W und beträgt im Mittel 18 W. Warum bei der Systemauswahl auf einen geringen Stand-by-Verbrauch geachtet werden sollte, zeigt folgendes Beispiel: Ein 10‑kWh-Batteriespeicher in einem Wohngebäude mit einer 10‑kW-PV-Anlage und einem Stromverbrauch von 5010 kWh/a ist etwa 2000 h im Jahr vollständig entladen. Beträgt die Leistungsaufnahme dieses Systems im entladenen Zustand 50 W, bezieht das System pro Jahr 100 kWh/a aus dem Netz oder der Energieinhalt der Batterie wird um den gleichen Betrag reduziert. Liegt die Leistungsaufnahme hingegen nur bei 5 W, ist die Energieaufnahme um den Faktor 10 geringer und mit 10 kWh/a vernachlässigbar.

Betriebseffekte, die nach dem Effizienzleitfaden nicht erfasst werden

Im realen Betrieb der Heimspeichersysteme kommt es zu Effekten, die in vergleichsweise kurzen Messzeiträumen im Labor nicht auftreten. Für andere Betriebseffekte fehlen wiederum Messvorschriften, um diese im Labor zu bestimmen. Einige Beispiele sind im Folgenden aufgeführt:

• Batterie-Balancing: Aufgrund von Fertigungstoleranzen, unterschiedlichen Betriebsbedingungen oder variierender Temperaturverteilung in den Batteriepacks kommt es mit zunehmender Betriebsdauer zu Unterschieden in der Kapazität der einzelnen in Reihe geschalteten Batteriezellen. Um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern, wird der Energiegehalt der Batteriezellen von Zeit zu Zeit abgeglichen, um die Differenz zwischen den Zellen so gering wie möglich zu halten.
• Kalibrierungsladungen: Insbesondere in den Wintermonaten führen viele Systeme regelmäßig Kalibrierungsladungen durch. Unter Umständen wird der Batteriespeicher hierzu vollständig mit Energie aus dem Netz geladen.
• Lade- und Entladeschwellenwerte: In einzelnen Systemen ist ein Schwellenwert für die Aktivierung des Lade- oder Entlademodus integriert. So ist zum Beispiel die Entladung nur möglich, wenn die Last über einem bestimmten Leistungsniveau liegt. Dies kann in einer höheren Entladeeffizienz resultieren. Allerdings kann es je nach Stromverbrauch und nutzbarer Speicherkapazität unter Umständen auch dazu führen, dass die Batterie in den Nachtstunden nicht vollständig entladen wird.
• Prognosebasierte Batterieladung: Integrierte Betriebsstrategien können einen positiven Einfluss auf die Systemeffizienz und auf die Lebensdauer von PV-Heimspeichersystemen haben. Darüber hinaus reduzieren sie die Einspeiseleistung in das öffentliche Netz. Eine prognosebasierte Betriebsstrategie verlagert die Ladung des Batteriespeichersystems in Zeiten hoher PV-Leistung – in der Regel in die Mittagszeit. Durch die verzögerte Batterieladung reduziert sich die Verweilzeit der Batterie im vollgeladenen Zustand. Dies wirkt sich positiv auf die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien aus. Insbesondere bei hohen Ladezuständen kommt es bei dieser Batterietechnologie zur sogenannten kalendarischen Alterung.