Effizienzketten: Wo geht Energie im Speicher-System verloren?

Ein Balkonkraftwerk mit Batteriespeicher erzeugt nicht nur Strom, sondern steuert ihn intelligent zwischen Solarmodulen, Speicher, Haushalt und Stromnetz. In der Hersteller-App wirkt das zunächst einfach: Die Module produzieren Energie, der Speicher lädt sich auf und am Abend versorgt er den Haushalt. Tatsächlich durchläuft jede Kilowattstunde jedoch mehrere technische Stationen – und an jeder davon entstehen Verluste.

Diese Verluste sind kein Zeichen schlechter Technik, sondern eine unvermeidbare Folge physikalischer Prozesse. Elektrische Energie muss transportiert, geregelt, umgewandelt und gespeichert werden. Dabei geht ein kleiner Teil stets in Form von Wärme verloren.

Die gute Nachricht ist aber, dass moderne Wechselrichter und Lithium-Eisenphosphat-Speicher (LFP) heute ausgesprochen effizient arbeiten. Trotzdem lohnt es sich, die einzelnen Schritte zu kennen. Wer versteht, wo Energie verloren geht, kann seine Anlage besser planen, den Eigenverbrauch steigern und unnötige Verluste vermeiden. Und genau dies ist das Thema dieses Beitrags.

Vom Sonnenlicht bis zur Steckdose durchläuft der erzeugte Strom mehrere Stationen. Je nach Speichersystem unterscheidet sich der genaue Weg zwar leicht, das Grundprinzip bleibt jedoch gleich.

Zunächst wandeln die Solarmodule einen Teil der einfallenden Sonnenenergie in Gleichstrom (DC) um. Dieser wird anschließend entweder direkt einem Batteriespeicher zugeführt oder zunächst vom Wechselrichter in Wechselstrom (AC) umgewandelt. Sobald Strom im Haushalt benötigt wird, stellt der Wechselrichter daraus den haushaltsüblichen Wechselstrom mit 230 Volt bereit.

Jeder dieser Schritte besitzt einen eigenen Wirkungsgrad. Kein Kabel, kein Wechselrichter und kein Batteriespeicher arbeitet verlustfrei. Ein kleiner Teil der Energie wird stets in Wärme umgewandelt oder von der Elektronik selbst verbraucht.

Bereits bevor der Strom den Wechselrichter erreicht, entstehen die ersten Energieverluste. Sie sind zwar vergleichsweise gering, beeinflussen jedoch den Gesamtertrag der Anlage.

Den größten Einfluss hat zunächst das Solarmodul selbst. Moderne TOPCon-Module erreichen heute Wirkungsgrade von rund 22 bis 24 %. Das bedeutet allerdings nicht, dass die übrigen rund 76 % verloren gehen.

Ein Großteil der Sonnenenergie lässt sich mit heutiger Photovoltaik technisch schlicht nicht in elektrische Energie umwandeln und wird überwiegend als Wärme abgegeben. Dieser Wert beschreibt daher die physikalische Leistungsfähigkeit des Moduls und keinen vermeidbaren Verlust.

Deutlich stärker beeinflussen äußere Bedingungen den tatsächlichen Ertrag. Hohe Modultemperaturen senken die Leistung ebenso wie Teilverschattungen durch Bäume, Geländer oder Antennen.

Bereits kleine Schatten können – abhängig von der Modulverschaltung und vorhandenen Bypassdioden – die Leistung einzelner Module oder ganzer Modulstränge deutlich reduzieren. Auch zwischen Solarmodulen und Wechselrichter entstehen geringe Leitungsverluste. Sie hängen vor allem von der Kabellänge, dem Leiterquerschnitt und der Stromstärke ab.

Bei fachgerecht dimensionierten PV-Kabeln liegen diese Verluste meist deutlich unter einem Prozent und spielen im Alltag kaum eine Rolle. Lange Leitungswege oder zu geringe Kabelquerschnitte können die Verluste jedoch unnötig erhöhen.

"Eine sorgfältige Planung mit kurzen Kabelwegen, hochwertigen Steckverbindern und korrekt dimensionierten Leitungen trägt deshalb dazu bei, die erzeugte Energie möglichst verlustarm zum Wechselrichter zu transportieren", so Markus Struck von kleines kraftwerk.

Der Wechselrichter ist das Herzstück jeder Photovoltaikanlage. Seine wichtigste Aufgabe besteht darin, den von den Solarmodulen erzeugten Gleichstrom in haushaltsüblichen Wechselstrom umzuwandeln. Erst dadurch kann die erzeugte Energie von Haushaltsgeräten genutzt oder – sofern gewünscht – ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden.

Moderne Wechselrichter übernehmen jedoch weit mehr als die reine Stromumwandlung. Sie überwachen kontinuierlich die Leistung der Solarmodule, kommunizieren mit einem Batteriespeicher und einem Smart Meter und setzen die Vorgaben des Energiemanagements um. Dadurch lässt sich die erzeugte Solarenergie möglichst effizient zwischen Haushalt, Speicher und Stromnetz verteilen.

Wie effizient arbeitet ein Wechselrichter?

Aktuelle Mikro- und Hybridwechselrichter erreichen unter optimalen Bedingungen Spitzenwirkungsgrade von bis zu 98 %. Aussagekräftiger ist jedoch der sogenannte europäische Wirkungsgrad. Er berücksichtigt unterschiedliche Lastzustände im realen Betrieb und liegt bei hochwertigen Geräten meist zwischen 96 und 97 %.

Das bedeutet: Werden dem Wechselrichter 1.000 Watt Gleichstrom zugeführt, stehen im Normalbetrieb rund 960 bis 970 Watt als nutzbarer Wechselstrom zur Verfügung. Der verbleibende Anteil wird hauptsächlich als Wärme abgegeben.

Die höchsten Wirkungsgrade erzielen Wechselrichter im mittleren Leistungsbereich. 

Morgens, abends oder an stark bewölkten Tagen arbeitet die Leistungselektronik im Teillastbetrieb, wodurch die Effizienz leicht sinkt. Absolut betrachtet handelt es sich dabei meist nur um wenige Watt, die Verluste fallen prozentual jedoch etwas höher aus.

Eigenverbrauch der Elektronik

Neben den Wandlungsverlusten benötigt der Wechselrichter selbst Energie für seine Elektronik. Wie hoch dieser Eigenverbrauch ausfällt, hängt vom jeweiligen Gerät ab.

Viele Mikro-Wechselrichter wechseln nachts in einen energiesparenden Ruhezustand und benötigen dann nur noch sehr wenig Strom. Bei Speichersystemen kommen zusätzlich Batteriemanagement, Kommunikationseinheiten, Smart Meter oder WLAN-Module hinzu.

Deren Strombedarf liegt meist nur bei wenigen Watt, summiert sich über das Jahr jedoch auf einige Kilowattstunden.

Beim Kauf lohnt es sich deshalb, nicht nur auf den maximalen Wirkungsgrad zu achten, sondern auch auf den Eigenverbrauch des Gesamtsystems.

Ein Batteriespeicher erhöht den Eigenverbrauch, indem er überschüssigen Solarstrom zwischenspeichert und zu einem späteren Zeitpunkt wieder zur Verfügung stellt. Ganz ohne Verluste funktioniert dieser Prozess jedoch nicht.

Bevor Energie gespeichert werden kann, muss sie zunächst von der Ladeelektronik verarbeitet und in der Batterie gespeichert werden.

Auch beim späteren Entladen entstehen erneut Umwandlungsverluste. Zusätzlich verursacht der elektrische Innenwiderstand der Batteriezellen geringe Wärmeverluste.

Moderne Balkonkraftwerk-Speicher (wie die Anker SOLIX 3 Pro)  arbeiten heute überwiegend mit Lithium-Eisenphosphat-Zellen (LFP). Diese gelten als besonders langlebig, thermisch stabil und effizient. Je nach Hersteller werden Lebensdauern von mehreren tausend Ladezyklen beziehungsweise Garantien von bis zu zehn Jahren erreicht.

AC- und DC-gekoppelte Systeme

Wie viele Energieumwandlungen stattfinden, hängt vom Aufbau des Speichersystems ab.

Bei einem AC-gekoppelten System wird der von den Solarmodulen erzeugte Gleichstrom zunächst in Wechselstrom umgewandelt. Soll dieser Strom gespeichert werden, erfolgt anschließend wieder eine Umwandlung in Gleichstrom. Beim Entladen wird erneut Wechselstrom erzeugt. Jede zusätzliche Umwandlung verursacht dabei geringe Energieverluste.

Viele moderne Balkonkraftwerk-Speicher verfolgen inzwischen einen anderen Ansatz. Bei DC-gekoppelten Systemen wird der von den Solarmodulen erzeugte Gleichstrom zunächst direkt im Batteriespeicher gespeichert. Erst wenn der Haushalt Energie benötigt, erfolgt die Umwandlung in Wechselstrom. Dadurch lassen sich Umwandlungsverluste reduzieren und der Gesamtwirkungsgrad verbessern.

Round-Trip-Wirkungsgrad

Um die Effizienz eines Speichersystems zu bewerten, wird häufig der sogenannte Round-Trip-Wirkungsgrad angegeben. Er beschreibt, wie viel der eingespeicherten Energie nach vollständigem Laden und Entladen tatsächlich wieder genutzt werden kann.

Moderne LFP-Speicher erreichen heute je nach System häufig Werte zwischen etwa 85 und über 90 %. Werden beispielsweise 2 kWh Solarstrom gespeichert, stehen später ungefähr 1,7 bis 1,8 kWh für den Haushalt zur Verfügung. Der Rest geht hauptsächlich durch Umwandlungs- und Speicherverluste verloren.

Diese Verluste sind technisch unvermeidbar und bei allen Batteriespeichern vorhanden. 

Entscheidend ist deshalb weniger, ob sie auftreten, sondern wie gering sie ausfallen.

Temperatur beeinflusst die Effizienz

Auch die Umgebungstemperatur spielt eine wichtige Rolle. Hohe Temperaturen erhöhen den Alterungsprozess elektronischer Bauteile und Batteriezellen. Sehr niedrige Temperaturen können dagegen die Ladeleistung begrenzen oder den Ladevorgang vorübergehend verhindern.

"Viele hochwertige Speichersysteme verfügen heute über integrierte Temperaturüberwachung oder sogar eine Batteriebeheizung. Dennoch sollte der Speicher möglichst an einem gut belüfteten, vor direkter Sonneneinstrahlung geschützten Standort betrieben werden. So arbeitet das System dauerhaft effizient und die Batterie altert langsamer", so Christian Ofenheusle, Senior Inhouse Consultant bei kleines kraftwerk und Vorsitzender des Bundesverbands Steckersolar e.V. (BVSS).

Nicht jede erzeugte Kilowattstunde geht ausschließlich im Wechselrichter oder Batteriespeicher verloren. Auch viele Haushaltsgeräte arbeiten nicht vollständig verlustfrei. Fast alle modernen Elektrogeräte besitzen Schaltnetzteile, die die Netzspannung auf die jeweils benötigte Betriebsspannung umwandeln. Dabei entstehen ebenfalls geringe Umwandlungsverluste.

Moderne Netzteile erreichen häufig Wirkungsgrade von über 90 %, ältere oder besonders günstige Geräte liegen teilweise deutlich darunter.