Marktübersicht von Stromspeichern im Photovoltaikbereich

Durch die Novellierung des Erneuerbare-Energien Gesetzes im Jahr 2012 und die damals eingeführte monatliche Degression auf die Vergütungssätze von Solarstrom wurde es im Laufe der Zeit immer schwieriger, eine neu installierte PV-Anlage wirtschaftlich darzustellen. Ein Grund liegt darin, dass die Preissenkungen im Anlagenbau nicht mit der Degression der EEG-Vergütungen Schritt halten können.
Trotz der sinkenden Wirtschaftlichkeit bei nach EEG vergüteten Neuanlagen, wird die Eigennutzung des Solarstroms aufgrund hoher Strombezugspreise für Endverbraucher immer attraktiver. Derzeit ist der Markt für Stromspeicher noch relativ unübersichtlich. Darüber hinaus bestehen noch keine einheitlichen Branchenstandards zur Qualität und Funktionalität der Speicher. Diese Übersicht versucht daher lediglich den derzeitigen Stand der Branche abzubilden.

Einleitung

GrafikZoombild vorhanden

Abbildung 1: Netzeinspeisung bei konventioneller und netzoptimierter Speicherung (Quelle: BSW Solar)

Stromspeicher
Das Erzeugungsprofil der PV-Anlage sowie der Stromeigenverbrauch sind meist nicht deckungsgleich. Ohne zwischengeschalteten Speicher können in üblichen Privathaushalten nur rund 30% des selbst erzeugten Solarstroms auch selbst verbraucht werden. Durch die Installierung eines Stromspeichers kann der Stromselbstversorgungsgrad mit PV-Strom auf ca. 70% erhöht werden. Ein weiterer – aktuell weniger geldwerter - Vorteil des Stromspeichers kann die Entlastung des öffentlichen Stromnetzes sein.
Erzeugungsspitzen
Durch eine netzoptimierte Speicherung des Solarstroms können PV-Erzeugungsspitzen reduziert und so der überschüssige Strom gleichmäßiger eingespeist werden (Abbildung 1). Dies ist sinnvoll, weil vor allem die Erzeugungsspitzen der PV-Anlage netzunverträglich sein können. In der Konsequenz wird bei der netzoptimierten Speicherung der Stromspeicher nicht so schnell wie möglich geladen, sondern gleichmäßiger über den Tag verteilt. Die Batterie ist erst geladen, wenn der gespeicherte Strom auch tatsächlich danach (abends, nachts oder morgens) gebraucht wird.
Akkumulatoren
Am Markt befinden sich unterschiedliche Typen von Akkumulatoren. Es werden zum Beispiel Blei-Akkus eingesetzt, welche als Starterbatterien aus dem Automobilbereich bekannt sind. Daneben verspricht die Gruppe der Lithium-Ionen Akkumulatoren gute Potenziale im Bereich der Speicherfähigkeit sowie der Wirtschaftlichkeit. Außerdem befinden sich noch Redox-Flow Batterien am Markt, die als „Großspeicher“ fungieren können. Es wird auch Forschung an weiteren Batterietypen betrieben, welche aber noch keine Marktreife erreicht haben.

Technische Kennzahlen

Beim technischen Vergleich von Stromspeichern sollte auf verschiedene Kennzahlen geachtet werden. Der einfache Vergleich von nur ein oder zwei Parametern kann zu falschen Schlüssen führen, so dass nicht der „geeignetste“ Stromspeicher gewählt wird. Im Folgenden werden die wichtigsten Parameter vorgestellt, die für den Vergleich zwischen unterschiedlichen Stromspeicher wichtig sind. Da es bisher keinen einheitlichen Branchenstandard gibt, sind nicht bei allen Herstellern auch die genannten Parameter auf den Datenblättern vermerkt.

Speicherkapazität (Nennkapazität)
Die Nennkapazität gibt die Strommenge (in Kilowattstunden) an, die mit einer vollen Aufladung gespeichert werden kann. Häufig wird von Herstellern auf die empfohlene PV-Leistung für die Batteriegröße hingewiesen.

Entladetiefe (Depth of Discharge)
Die Entladetiefe ist ein Maß für die maximale Ladungsentnahme einer Batterie. Bei der Tiefentladung wird eine Zelle des Akkumulators mit beliebiger Stromstärke soweit entladen, dass die Spannung unter die Entladeschlussspannung absinkt. Dadurch kann die Batterie geschädigt werden. Die Entladetiefe variiert je nach Hersteller sowie auch nach Batterietyp. In der Praxis kann zwischen 50% und bis zu 100% der gespeicherten Strommenge bei einem Entladevorgang auch wieder entnommen werden

Nutzbare Speicherkapazität
Die nutzbare Speicherkapazität beschreibt die Strommenge die bei einem Entladevorgang tatsächlich entnommen werden kann. Sie ergibt sich aus der Nennkapazität und der Entladetiefe und liegt, je nach Batterie, zwischen 50 und 100 Prozent.

Zyklenlebensdauer/Vollzyklen
Dieser Wert ist für die Bestimmung der Lebensdauer einer Batterie wichtig. Es ist ein theoretischer Wert und gibt an wie oft die Batterie entladen und wieder vollaufgeladen werden kann. Bei Erreichen der Zyklenlebensdauer verfügt die Batterie noch über mindestens 80% der ursprünglichen Nennkapazität.

C-Rate
Die C-Rate beschreibt das Verhältnis der Lade- bzw. Entladeleistung zur Speicherkapazität. Falls die Ladeleistung und die Speicherkapazität den gleichen Wert haben, ergibt sich für beide Vorgänge die gleiche C-Rate. Ein Wert von 1C bedeutet, dass der Stromspeicher innerhalb von einer Stunde entladen werden kann.

Systemwirkungsgrad
Der Systemwirkungsgrad ist der Wirkungsgrad des Stromspeichers inkl. der technischen Komponenten die für die Be- bzw. Entladung des Speichers nötig sind. Dies beinhaltet normalerweise Laderegler und/oder Batteriewechselrichtern. Durch den Be- und Entladevorgang entstehen Leistungsverluste von einigen Prozentpunkten. Es ist wichtig, dass der Systemwirkungsgrad den Zyklenwirkungsgrad des Stromspeichers sowie die Teilwirkungsgrade der verschiedenen elektronischen Komponenten berücksichtigt.

1-phasig/3-phasig
Das Stromnetz in Deutschland ist 3-phasig und aus diesem Grund müssen PV-Anlagen über 4,6 kW auch 3-phasigen Strom in das Stromnetz einspeisen. Es muss individuell geklärt werden ob die Stromeinspeisung über einen 1-phasigen Stromspeicher überhaupt möglich ist. Außerdem kann ein 1-phasiger Stromspeicher im Falle eines Stromausfalls die Notstromversorgung nur bedingt übernehmen, weil einige Haushaltsgeräte nur mit 3-phasigen Strom laufen.

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Förderung von Stromspeichern

Die Markt- und Technologieentwicklung von Batteriespeichersystemen soll weiter angeregt werden. Aus diesem Grund wurde das KfW-Programm 275 „Erneuerbare Energien Speicher“ eingeführt, welches zinsgünstige Darlehen sowie Tilgungszuschüsse für Batteriespeichersysteme anbietet.
KfW-Programm 275
Durch das KfW-Programm können folgende Gruppen gefördert werden: Unternehmen die mehrheitlich in Privatbesitz sind, Unternehmen an denen Kommunen, Kirchen, karitative Organisationen beteiligt sind, Freiberufler, Landwirte sowie natürliche Personen und gemeinnützige Antragsteller, die Solarstrom einspeisen. Von der Förderung sind Kommunen, kommunale Gebietskörperschaften, kommunale Zweckverbände, der Bund, die Bundesländer, Hersteller von förderfähigen Anlagen oder Komponenten und Sanierungsfälle ausgeschlossen.
Finanzierung
Die Nutzung von stationären Batteriespeichersystemen in Verbindung mit einer Photovoltaikanlage, die an das elektrische Stromnetz angeschlossen ist, wird über die KfW finanziert. 2013 betrug der Fördertopf für Tilgungszuschüsse 25.000.000 €, wovon aber nur 9.000.000 € genutzt wurden. Die Höhe des Fördertopfes ist für das Jahr 2014 derzeit noch nicht endgültig bekannt, es soll sich aber mindestens in der Größenordnung wie 2013 bewegen. Um förderfähig zu sein, muss der Antrag bei der KfW eingereicht und von der KfW bewilligt sein bevor der Auftrag für den Stromspeicher erteilt wird (Anträge werden über die Hausbank bei der KfW-Bank eingereicht).
Tilgungszuschuss
Der Tilgungszuschuss beträgt maximal 30% der Investitionskosten des Batteriespeichers. Der Zuschuss darf in keinem Fall 600 €/kWp (Anmerkung: kWp bezogen auf die installierte Leistung der PV-Anlage) bei Neuerrichtung einer PV-Anlage mit einem stationären Stromspeicher überschreiten. Falls der Stromspeicher nachträglich installiert wird, beträgt der Tilgungszuschuss max. 660 €/kWp. In diesem Fall muss die PV-Anlage nach dem 31.12.2012 in Betrieb genommen worden sein. Bei einer Nachrüstung muss der Zeitraum zwischen Inbetriebnahme der PV-Anlage und Inbetriebnahme des Stromspeichers mindestens 6 Monate betragen.
Förderfähigkeit
Damit ein Stromspeicher förderfähig ist, müssen einige Voraussetzungen erfüllt werden. Die installierte Leistung der PV-Anlage die mit dem Stromspeicher verbunden ist, darf 30 kWp nicht überschreiten. Darüber hinaus darf die Leistungsabgabe der PV-Anlage am Netzanschlusspunkt maximal 60 Prozent der installierten Leistung betragen. Diese Verpflichtung besteht dauerhaft für die gesamte Lebensdauer der PV-Anlage, auch nach Außerbetriebnahme des Batteriespeichers. Es wird auch gefordert, dass eine Zeitwertersatzgarantie für den Stromspeicher über 7 Jahre vorliegt. Die detaillierten Fördervoraussetzungen können bei der KFW-Bank eingesehen werden.

Merkblatt KfW-Programm Erneuerbare Energien "Speicher" (externe PDF-Datei) Externer Link

Batterietypen im Detail

Bleiakkumulatoren sind Massenware und verfügen bereits über eine ausgereifte Technik. Die zukünftige technische Entwicklung sowie Preissenkungen dürfen als gering eingeschätzt werden. Blei-Akkus sind in zwei Typen unterteilt – Blei-Säure-Akkus sowie Blei-Gel-Akkus. Blei-Säure-Akkus sind häufig etwas günstiger in der Anschaffung, verursachen aber einen höheren Wartungsaufwand.
Schematische Darstellung der chemischen Vorgänge in einem BleiakkumulatorZoombild vorhanden

Abbildung 2: Entladevorgang bei Blei-Akkus (Quelle: Wikipedia)

Im Prinzip besteht ein Bleiakkumulator aus zwei Bleiplatten. Die positive Elektrode verfügt über eine Bleioxidschicht und die negative Elektrode besteht aus Blei. Diese sind in einen Elektrolyten getaucht, welcher aus bis zu 38-prozentiger Schwefelsäure besteht (Abbildung 2).
In der Praxis sind die Elektrodenplatten eng ineinander geschachtelt und als Separatoren, um einen Kurzschluss zu vermeiden, wird häufig PVC verwendet. Bei Blei-Gel-Akkus wird die flüssige Schwefelsäure durch den Zusatz von Kieselsäure gebunden. Blei-Akkus verfügen über eine geringe Energiedichte, so dass die Batterien im Verhältnis zu der verfügbaren Speicherkapazität über ein hohes Volumen und Gewicht verfügen.
Beim Ladevorgang findet im Bleiakkumulator eine Elektrolyse statt. An der Anode wird das Blei-Kation (Pb2+) zu Blei(IV)oxid (PbO2) oxidiert. An der Kathode wird das Blei-Kation (Pb2+) zu Blei reduziert. Beim Entladen verhält sich der Bleiakku als galvanische Zelle. Blei (Pb) an der Anode wird zu einem Blei-Kation (Pb2+) oxidiert. Die Kathode bestehend aus Blei(IV)oxid (PbO2) wird zu demselben Blei-Kation (Pb2+) reduziert. Das Blei-Kation bildet mit der Sulfat-Gruppe (SO42-) das schwerlösliche Salz Bleisulfat (PbSO4) welches sich auf den Elektroden und am Boden der Zelle absetzt.
Bleiakkumulatoren gelten als relativ sicher. Blei-Säure-Akkus können bei Verunreinigung durch Edelmetalle ausgasen. Es können sich Edelmetalle an den Bleielektroden ablagern und so wird die Überspannung des Wasserstoffs verringert. Dies kann zu Knallgasexplosionen führen. Bei durchlüfteten Räumen kann eine Ansammlung von Wasserstoff vermieden werden. In der Regel sind Kellerräume mit einem Fenster schon ausreichend. Bei Blei-Gel-Akkus besteht das Risiko des Ausgasens nicht.
Die Anzahl der Vollyzklen beträgt bei marktüblichen Blei-Akkus häufig weniger als 3.000, wobei dieser Wert unter den Herstellern auch stark variieren kann. Die Entladetiefe beträgt meistens max. 50%. Die Investitionskosten sind derzeit im Vergleich zu anderen Batterietypen geringer.
Schematische Darstellung der chemischen Vorgänge in einem Lithium-Ionen SpeicherZoombild vorhanden

Abbildung 3: Schematischer Aufbau einer Lithium-Ionen Zelle (Quelle: Cepheiden, Wikimedia Commons, lizensiert unter CreativeCommons-Lizenz by-sa-2.0-de)

Bei Lithium-Ionen Speicher können unterschiedliche Materialien für die Elektroden sowie Separator verwendet werden. Aus diesem Grund können Lithium-Ionen Speicher in spezielle Typen unterteilt werden, wie z.B. Lithium-Cobaltdioxid-Speicher, Lithium-Eisenhosphat-Speicher oder Lithium-Titanat-Speicher. Lithium-Ionen-Speicher werden häufig in Mobiltelefonen sowie Laptops verwendet.
Im Prinzip besteht ein Lithium-Ionen Speicher aus einer negativen Elektrode, welche häufig aus Graphit mit eingelagerten Lithium-Ionen besteht (Ausnahme: Lithium-Titanat Speicher, dort besteht die negative Elektrode aus nanostrukturiertem Lithium-Titanat). Die positive Elektrode besteht aus Lithium-Metalloxiden, welche z.B. aus Lithium-Cobaltdioxid, Lithium-Nickeloxid, Lithium-Manganoxid, Lithium-Titanoxid oder auch Lithium-Eisenphosphat bestehen kann. Der Elektrolyt besteht meist aus Lithiumsalzen wie z.B. Lithiumhexalfluorophosphat (Abbildung 3). Da Lithium stark mit Wasser reagiert ist das Innere des Speichers nahezu wasserfrei. Durch Eindringen von Wasser kann es zu starken Wärmeentwicklungen mit Brand- und Verpuffungsgefahr kommen.
Beim Ladevorgang wandern positiv geladene Lithium-Ionen durch den Elektrolyten hindurch von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode, während der Ladestrom die Elektronen über den äußeren Stromkreis liefert. Die Speicherung der Energie erfolgt an den Lithium-Atomen und den Übergansgmetall-Ionen. Lithium kann in ionisierter Form durch den Elektrolyten zwischen den beiden Elektroden hin- und herwandern. Die Übergangsmetall-Ionen sind ortsfest.
Da Lithium-Ionen Speicher eine Vielzahl von unterschiedlichen Materialen als Elektroden sowie als Separator nutzen können, verfügen die unterschiedlichen Batterietypen auch über unterschiedliche Eigenschaften. Grundsätzlich verfügen Lithium-Ionen Speicher über eine hohe Zyklenanzahl (>5.000), hohe Tiefentladung (> 80%) und einen hohen Wirkungsgrad (>85%). Dieser Technologie wird eine große Zukunft prophezeit, weil es noch enorme Potenziale bei der technischen Weiterentwicklung sowie bei der Optimierung als Massenprodukt gibt.
Schematische Darstellung der chemischen Vorgänge in einer Redox-Flow BatterieZoombild vorhanden

Abbildung 4: Schematischer Aufbau einer Redox-Flow Batterie (Quelle: RWTH Aachen)

Redox-Flow Batterien, die derzeit am Markt sind, sind Großspeicher, welche bis in den MW-Bereich skaliert werden können. Der derzeitig am deutschen Markt kleinste erhältliche Redox-Flow Speicher verfügt über eine Speicherkapazität von 40 kWh. Der Vorteil dieses Speichersystems ist, dass die Energiemenge und Leistung unabhängig voneinander skaliert werden kann. Dies ist möglich, weil der Elektrolyt außerhalb der Zelle in Tanks gelagert wird. Dadurch ist es theoretisch auch möglich, dass der Energieträger zwischen Lade- und Entladestation ausgetauscht werden kann.
Der Elektrolyt besteht aus in einem Lösungsmittel gelöstem Salz. Normalerweise werden Vanadiumsalze, die in verschiedenen Schwefelsäuren gelöst sind, verwendet. Die Batteriezelle wird durch eine Membran in zwei Halbzellen geteilt. In den beiden Kammern befindet sich jeweils ein Graphitvlies, welches als Elektrode dient. Positiv geladene Elektroden diffundieren durch das Membran, wenn im äußeren Stromkreis elektrischer Strom fließt (Abbildung 4).
Die Technologie wird von manchen Marktexperten als zukunftsträchtig gesehen. Vorteile dieser Technologie sind die unabhängige Skalierung von Energiespeicher und Leistung, eine hohe Zyklenlebensdauer und eine sehr geringe Selbstentladung (<1% pro Jahr) und Tiefentladung von ca. 100%. Der energetische Wirkungsgrad des Speichers beträgt ca. 80%. Marktexperten prognostizieren, dass sich die Preise in den nächsten Jahren um mindestens 1/3 reduzieren. Derzeit liegen die Investitionskosten bei ca. 2.250 €/kWh Nennkapazität für kleinere Speicher. Die Betriebskosten liegen bei ca. 1,5% der Anschaffungskosten pro Jahr.

Speicherkosten

Stromspeicher verfügen über unterschiedliche technische Kennzahlen, die für die wirtschaftliche Vergleichbarkeit von Stromspeichern wichtig sind. Die gesamten Investitionskosten oder spezifischen Investitionskosten pro kWh Speicherkapazität erlauben keine aussagekräftige Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Batterietypen oder –modellen. Zur besten Vergleichbarkeit sollten die Speicherkosten pro kWh gespeicherte Energie herangezogen werden. Die folgende Tabelle 1 zeigt vereinfacht, wie man die Speicherkosten zwischen zwei Modellen vergleichen kann.
Tabelle 1: Vergleich zweier Batterietypen
Batterie A Batterie B
Nennkapazität (kWh) 4,0 8,0
Entladetiefe (%) 95 50
Nutzbare Speicherkapazität (kWh) 3,8 4,0
Vollzyklen (Anzahl) 7.000 3.000
Lebensdauer in Jahren (Annahme: 300 Vollzyklen pro Jahr) 23,3 10,0
Systemwirkungsgrad (%) 94 85
Betriebskosten p.a. (% von Investitionskosten) 1,0 1,0
Investitionskosten netto (€) 8.500 8.000
Förderung (30%) in € 2.550 2.400
Speicherkosten (€/kWh) 0,32 0,63
Wenn man nur auf einzelne Werte achtet, wie z.B. die Investitionskosten sowie die Nennkapazität, würde man zu einem falschen Schluss kommen. Nur durch den Vergleich aller relevanten Parameter erhält man ein akkurates Bild über die Wirtschaftlichkeit eines Stromspeichers.

Steuerliche Aspekte

Bei der Installierung von Stromspeichern gibt es auch einige steuerliche Aspekte, die beachtet werden müssen. Je nach Förderung oder Installation kann es Auswirkungen auf die Umsatzsteuer sowie auf die Einkommensteuer haben.
Derzeit ist noch nicht endgültig geklärt ob Stromspeicher vorsteuerabzugsfähig sind. Wenn der Stromspeicher und die PV-Anlage keine Einheit bilden, empfiehlt das BMF, dass der Stromspeicher nicht vorsteuerabzugsfähig ist.
Bei Nutzung des selbsterzeugten Stromes handelt es sich um eine unentgeltliche Wertabgabe. Falls die PV-Anlage und der Stromspeicher vorsteuerabzugsfähig sind, dann fällt auf den selbstverbrauchten selbsterzeugten Strom auch Umsatzsteuer an. Es ist nicht endgültig geklärt auf welcher Basis die Umsatzsteuer berechnet wird. Das BMF tendiert zu dem Strombezugspreis als Grundlage für die zu entrichtende Umsatzsteuer. Steuerberater tendieren eher zu den Stromgestehungskosten als Grundlage.
Der KfW-Tilgungszuschuss kann Auswirkungen auf die Einkommensteuer haben. Man kann zwischen dem Tilgungszuschuss als Betriebseinnahme und der Minderung der Anschaffungskosten (reduzierte Abschreibung) wählen.
Um die beste steuerliche Lösung für sich selbst zu wählen, sollte ein Steuerberater hinzugezogen werden.

Fazit

Der Markt für Stromspeicher befindet sich noch am Anfang seiner Entwicklung, aber zweistellige Wachstumsraten sind derzeit schon zu verzeichnen. Die Anschaffungskosten sind derzeit relativ hoch. Durch die Förderung der KfW-Bank wurde ein zusätzlicher Marktanreiz gesetzt. Aktuell steht bei Kunden von Stromspeichern die Renditeerwartungen im Hintergrund. Die Beweggründe für diesbezügliche Investitionen sind vielmehr die Erhöhung des Strom-Selbstversorgungsgrades und damit die Verringerung der Abhängigkeit von steigenden Strompreisen.

Zukünftig könnten sich – glaubt man Experten – durch technologische Weiterentwicklung und der möglicherweise mit erhöhten Stückzahlen einhergehenden Preisreduzierung die Anschaffungskosten für Stromspeicher stark reduzieren. Bei weiter sinkenden EEG-Einspeisevergütungen und steigenden Strom-Bezugspreisen für Endverbraucher wird der Eigenverbrauch von PV-Strom stetig attraktiver und lässt in den nächsten Jahren hohe Wachstumspotentiale am Stromspeichermarkt erwarten.

Ansprechpartner:
Martin Strobl
Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft, Institut für Agrarökonomie
Menzinger Straße 54, 80638 München
Tel.: 089 17800-474
E-Mail: Agraroekonomie@LfL.bayern.de