Fragen Sie Hackaday: Wie können Sie Energie zu Hause speichern?

Nov 20, 2023

Bei den Diskussionen über Energiespeicherlösungen auf Netzebene vergisst man oft, dass die Energiespeicherung auch auf der Ebene eines einzelnen Hauses oder Gebäudes erfolgen kann. Der Vorteil besteht darin, dass kein Netzmanagement erforderlich ist und der Speicher (elektrisch, thermisch usw.) die Energie aufnimmt, sobald sie verfügbar ist, und sie bei Bedarf wieder abgibt. Dies vereinfacht das Ausmaß des Problems und damit die damit verbundenen Kosten erheblich.

Die vielleicht häufigsten Beispiele für solche Systeme sind Solarthermiekollektoren mit zugehörigem Warmwasserspeicher und natürlich Batterien. In jüngerer Zeit gewinnt auch die Idee, ein batterieelektrisches Fahrzeug (BEV, „Elektroauto“) als Teil einer Heimspeicherlösung einzusetzen, an Bedeutung, insbesondere für Notfälle, bei denen die Netzanbindung aufgrund eines Sturms oder ähnlicher Notfälle ausgefallen ist. Aber alles in allem sehen wir nicht viele Optionen für die Energiespeicherung auf Privathaushaltsebene.

Vor einiger Zeit haben wir uns mit den Beweggründen für die Speicherung auf Grid-Ebene befasst, einschließlich aktueller und zukünftiger Technologien. Der zunehmende Fokus auf Langzeitspeicherung wird durch die zunehmende Menge intermittierender, nicht verfügbarer Energiequellen im Netz, einschließlich PV-Solar- und Windturbinen, vorangetrieben. Da diese stark schwankende Energiemengen erzeugen, ist die Speicherung überschüssigen Stroms für die spätere Nutzung sinnvoll und wohl unerlässlich.

Leider kommt man dort zu dem Schluss, dass eine Speicherung auf Netzebene in einem Ausmaß, das ausreicht, um solche Energiemengen auf der Ebene einer ganzen Nation zu speichern und zeitlich zu verschieben, nicht machbar ist. Bemerkenswert ist hier, dass praktisch die gesamte neu produzierte Batteriekapazität heute und in Zukunft in BEVs fließen wird. Hier wurde die Idee von Vehicle2Grid (V2G) als potenzieller Speicher auf Netzebene vorgestellt. Dies haben wir uns ebenfalls angesehen und festgestellt es aus wirtschaftlicher und praktischer Sicht zu wünschen übrig.

Ein Großteil des Problems ist auf die stark schwankenden Energiemengen zurückzuführen, die bereitgestellt werden, und auf das zunehmende Missverhältnis zwischen Angebot und Nachfrage, je mehr intermittierende Quellen in das Netz aufgenommen werden. Zu diesem Problem tragen beispielsweise Solarpaneele auf Dächern bei, die in das Stromnetz einspeisen. Immer dann, wenn es in einem Gebiet viel Sonne gibt, kommt es zu erhöhten lokalen Stromstößen, auch wenn die Einspeisetarife in mehr Gebieten gekürzt oder sogar abgeschafft werden. Dies führt dazu, dass sowohl Energieversorger als auch Hauseigentümer mit höheren Kosten und geringeren (finanziellen) Vorteilen konfrontiert werden.

Das alles betrifft natürlich nur die elektrische Energie. Auch Privathaushalte, Büros und die Industrie benötigen für industrielle Prozesse Heizung, Warmwasser und beispielsweise Dampf. Hier scheinen lokale Optionen durchaus sinnvoll zu sein, wo z. B. Fernwärme nicht in Frage kommt. Durch die Nutzung bestehender Lösungen wie Wärmepumpen und Warmwasserspeicher scheint es hier zumindest einfache Lösungen zu geben.

Während es auch möglich ist, eine Batterie aufzuladen und Wasser in einem Warmwasserspeicher aus dem örtlichen Netz für den späteren Verbrauch zu erhitzen (z. B. bei Niedrigtarifen), ist die Sonne eine weitere leicht verfügbare Energiequelle. Abhängig von der Sonneneinstrahlung (Leistung pro Flächeneinheit) kann der Einbau solarthermischer Kollektoren auf dem Dach als Teil einer solaren Warmwasserbereitungslösung kostengünstig sein. Die Wirksamkeit wird dabei vor allem durch die Amortisationszeit bestimmt, die zwischen etwa 4 und knapp 20 Jahren liegen kann.

Eine wichtige Überlegung hierbei ist auch, ob Frostschutzfunktionen erforderlich sind. Während in einem warmen Klima ein rein passives und damit recht günstiges System in Ordnung wäre, ist es bei Temperaturen unter 0°C im Winter unerlässlich, Maßnahmen zu ergreifen. Dies kann die Zugabe von Frostschutzmittel zum Wasser im System umfassen. In diesem Fall ist auch ein teureres geschlossenes Kreislaufsystem erforderlich.

Neben der Wärme der Sonneneinstrahlung kann auch die Energie der Sonne mithilfe von Photovoltaik-Solarmodulen (PV) in Strom umgewandelt werden. Derzeit verfügen die meisten PV-Solaranlagen auf Dächern nicht über einen lokalen Speicher und der Eigenverbrauch wird nicht berücksichtigt. Das vorherrschende Geschäftsmodell besteht darin, den produzierten Strom an den örtlichen Energieversorger zu verkaufen.

An manchen Standorten gibt es möglicherweise auch Platz für andere Energiequellen, beispielsweise eine (kleine) Windkraftanlage. Wenn andere Quellen (z. B. Wasserkraft) nicht verfügbar sind, sind jedoch wahrscheinlich Solarthermiekollektoren und PV-Solarmodule die primären Energiequellen.

Wie bereits erwähnt, ist die Warmwasserbereitung eine weit verbreitete Methode zur Gewinnung und Speicherung solarthermischer Energie. Viele Häuser verfügen über einen Warmwasserspeicher, in dem ein Wasservorrat für den sofortigen Gebrauch auf einer bestimmten Temperatur gehalten wird. Der Hauptunterschied besteht darin, wie das Wasser in diesen Tanks erhitzt wird. Häufig werden fossile Brennstoffe wie Erdöl oder Erdgas verwendet, während in anderen Bereichen eher elektrische (Widerstands-)Heizungen zum Einsatz kommen. Bei Einsatz in einem Kontext, in dem Solarthermiekollektoren und/oder PV-Solarmodule vorhanden sind, kann das Wasser auch ausschließlich durch diese Quellen erwärmt werden.

Der Vorteil dieses Systems besteht darin, dass es eine potenziell kostengünstige Warmwasserquelle darstellt, die tendenziell zu den energieintensiveren Anwendungen zählt. Es ermöglicht auch eine effektive Nutzung des Stroms von PV-Solarmodulen, wenn er nicht zum Laden von Batterien verwendet wird.

Dies führt zu der anderen offensichtlichen Speicherlösung in Form von großen Batteriespeichern, wie beispielsweise Teslas Powerwall und ähnlichen Angeboten von Wettbewerbern. Kürzlich haben Broughton et al. (2021) detailliert die Wirtschaftlichkeit der Batteriespeicherung für private Solarkunden in Südkalifornien.

In Kalifornien sinkt die Einspeisevergütung seit Jahren, da das aktuelle NEM 3.0-Programm den finanziellen Anreiz zur Erzeugung von PV-Strom für das Netz verringert. Es überrascht nicht, dass die Einführung von Time-of-Use (TOU) mit dem NEM 2.0-Programm dazu führte, dass die Zahl der Batteriespeicherinstallationen durch Hausbesitzer bereits deutlich anstieg.

Die Schlussfolgerung von Broughton et al. Allerdings war die Amortisationszeit bei der Installation eines einzelnen Tesla Powerwall 2-Systems zusammen mit einer PV-Solaranlage zu lang, als dass dies finanziell sinnvoll gewesen wäre. Der Einbau eines solchen Batteriespeichers ist dann sinnvoll, wenn die Netzstromversorgung unzuverlässig ist, wie es in Kalifornien zunehmend der Fall ist.

Daraus ergibt sich dann das Argument, ein BEV stattdessen mit dem Strom einer (auf dem Dach montierten) PV-Solaranlage aufzuladen und über ein Ladegerät zu verfügen, das den Energiefluss umkehren kann, sodass das BEV als Notbatterie für die Stromversorgung des Hauses fungieren kann . Dennoch scheint die Wirtschaftlichkeit der Batteriespeicherung für das ganze Haus noch nicht ganz ausgereift zu sein, wenn man in einer Gegend lebt, in der Strom aus der öffentlichen Hand eine Option ist.

Das allgemeine Thema bei der Durchsicht der jüngsten Studien zur Energiespeicherung in Privathaushalten und verwandten Bereichen scheint zu sein, dass die Speicherung von Energie in großen Mengen wahrscheinlich nur dann wirtschaftlich ist, wenn es um die Erwärmung von Wasser in einem Warmwasserspeicher geht. Wenn die Bedingungen stimmen, kann die Amortisationszeit hier eher kurz ausfallen, und sogar der Einbau eines PV-Solarmoduls zur Widerstandserwärmung des Wassers kann je nach lokalen Faktoren finanziell sinnvoll sein.

Dies ist auch bei Batteriespeicherlösungen der Fall. Wenn man bedenkt, dass die Hauptkosten eines BEV auf den Akku zurückzuführen sind, ist es nicht allzu überraschend, dass so etwas wie eine Tesla Powerwall etwa genauso viel kostet wie ein BEV. Hier könnte man die Zahlen berechnen und prüfen, ob der Betrieb einer großen Anzahl von (versiegelten) Blei-Säure-Batterien die Zahlen vielleicht finanziell sinnvoller machen könnte.

So oder so wird das Thema Energiespeicherung zu Hause wohl so schnell nicht verschwinden. Selbst wenn man nicht die Absicht hat, vom Netz zu gehen, gibt es viele andere Anreize, die einen dazu veranlassen würden, die Optionen zu prüfen. Ob es um Kosteneinsparungen geht oder um eine Backup-Option bei immer wieder auftretenden Stromausfällen, wie wir sie in den letzten Jahren weltweit gesehen haben, es gibt viele Gründe, einen Blick auf die verfügbaren Speicheroptionen zu werfen. Aber uns ist einfach nicht viel eingefallen.

Welche Erfahrungen und Gedanken haben Sie diesbezüglich? Da es in der Hackaday-Community tendenziell viele Bastler gibt, haben zweifellos einige von Ihnen eines dieser Erzeugungs- und Speichersysteme implementiert oder sich zumindest die Kosten angesehen. Wenn Sie über ein Batteriesystem für das ganze Haus und/oder ein solarbetriebenes Warmwassersystem verfügen, wie funktioniert es für Sie?