(Gesamt-)Inhaltsverzeichnis

Hausnetzeinspeisung mit Pufferung in Batteriespeicher

Bild: Balkonkraftwerk mit Pufferbatterie und Inselwechselrichter Statt den Solarstrom direkt einzuspeisen, kann man ihn auch in einer aufladbaren Batterie zwischenspeichern und von dort zeitlich versetzt über einen netzgekoppelten Wechselrichter ins Hausnetz einspeisen. Diese Betriebsart kann man allgemein als Strompufferung bezeichnen.

Für die Auslastung eines Speichers gibt es eine Kennzahl, die von der Kapazität des Speichers abstrahiert, nämlich die Zahl der Vollzyklen in einem Zeitraum, typischerweise ein Jahr. Sie ist definiert als die Menge, das in dem Zeitraum insgesamt aus dem Speicher entnommen wird (nachdem sie natürlich vorher irgendwann eingespeichert wurde), geteilt durch seine nutzbare Kapazität (also bei LiFePO4-Batterien z.B. 90% der Nennkapazität). Bei typischen Dach-PV-Anlagen mit üblicher Dimensionierung des Speichers liegt die Zahl der Jahres-Vollzyklen bei etwa 200. Aber je nach Größe der PV-Anlage und des Speichers sowie der zeitlichen Verteilung von Ertrag und Verbrauch kann die Zyklenzahl auch deutlich höher oder niedriger sein, z.B. 300 oder 100. Bei einem Wert von 183 wird die verfügbare Speicherkapazität im Jahresschnitt alle zwei Tage verwendet — was aber nicht heißt, dass der Speicher im Schnitt jeden zweiten Tag erst mal voll aufgeladen und dann wieder ganz entladen wird.

Die Strompufferung soll den Nutzen der PV-Anlage für den eigenen Stromverbrauch erhöhen. Aber finanziell lohnt sie sich für kleine PV-Anlagen fast nie — außer wenn sie über eine nahezu optimale (lastgesteuerte) Lade- und Entladeregelung verfügt und man den Speicher sehr günstig bekommt oder schon aus anderen Gründen hat, z.B. für eine Notstromversorgung (mit Inselwechselrichter) oder als Fahrzeugbatterie. Außerdem ist es für die ökologische Gesamtbilanz eigentlich besser, den überschüssigen Strom an die Allgemeinheit (auch ohne Vergütung) abzugeben.

In diesem Zusammenhang wird von Anbietern und Nutzer oft eine naive (Milchmädchen-)Rechnung in folgender Art gemacht:

Der Speicher hat eine nutzbare Kapazität von 1,5 kWh und 6000 Ladezyklen. Damit lassen sich also 9000 kWh einsparen, was bei 30 ct/kWh 2700€ Ertrag bringt.

Das berücksichtigt aber keine Verluste und vor allem nicht, wie lange es dauern würde, um auf die (angeblich erreichbare) Zyklenzahl zu kommen. Pro Jahr hat man nur mäßig viele sonnige Tage, so dass man typischerweise auf nur 150 bis 250 Vollzyklen im Jahr kommt, je nach PV-Leistung, Verbrauch und Speicher-Dimensionierung. Somit werden 6000 Vollzyklen erst in ungefähr 30 Jahren erreicht, und so lange wird das Speicher-Equipment bestimmt nicht halten! Zudem beträgt bei 30 Jahren Laufzeit die Rendite bei einem Einkaufspreis von 1500€ nur 6%, so dass man sich fragen muss, ob sich so eine Investition mit sehr langfristiger Kapitalbindung überhaupt lohnt. Wobei auch unklar ist, wie sich das Verhältnis des Preises für so eine Speicheranlage zum Strompreis langfristig entwickelt.

Besser sieht es bei größeren PV-Anlagen aus. Hier das Ergebnis von Simulationen für ein Wohnhaus mit angenommenen 5000 kWh Jahresverbrauch und 200 W Mindestlast und ansonsten typischem Lastprofil, optimal ausgerichteter PV-Anlage in Süddeutschland mit 10 kWp, mit einem kleinen Speicher mit effektiv 2 kWh und typischen Verlusten/Wirkungsgraden. Nehmen wir Einspeisevergütung und 30 - 8 = 22 ct/kWh Strompreisdifferenz​ an.

  • Wenn der Speicher optimal lastabhängig geladen und entladen wird, dann steigt der PV-Eigenverbrauch von 2020​ auf 2746​ kWh im Jahr, was bei den 22 ct/kWh Strompreisdifferenz etwa 160€/Jahr Einsparung ausmacht. Bei einem Eigenbau mit günstigen Komponenten, die insgesamt 1000€ kosten, würde sich das nach gut 6 Jahren amortisieren.
  • Bei ansonsten gleichen Daten, aber 4 kWh nutzbarer Speicherkapazität steigt der Eigenverbrauch auf 3308 kWh im Jahr, was 283€ Einsparung pro Jahr bringt und bei 1500€ Kosten eine Amortisationszeit von knapp 6 Jahren bringt.
  • Bei 6 kWh Kapazität steigt der Eigenverbrauch noch etwas weiter auf 3734 kWh, bei 8 kWh Kapazität auf 3988 kWh, wobei sich Amortisationszeit kaum ändert.

Im Folgenden werden konkrete Zahlen gegeben für einen Haushalt mit 3000 kWh Jahresverbrauch (bei nächtlicher Durchschnittslast von 190 W zwischen 0 und 6 Uhr und tagsüber Durchschnittslast von 375 W zwischen 8 und 16 Uhr) mit einer typischen Balkonanlage in Süddeutschland mit optimal ausgerichteten Modulen mit 850 Wp Nennleistung und typischen Wirkungsgraden, der eine Pufferbatterie mit 1 kWh effektiv nutzbarer Kapazität hinzugefügt wurde. Dazu passt sehr gut eine 25,6 V 50 Ah LiFePO4-Batterie, also mit nominell 1,28 kWh Kapazität, denn davon muss man ohnehin mindestens 90% für eine gesunde Entladetiefe abziehen, und nochmal ungefähr 90% für die durchschnittliche Degradation durch Alterungseffekte etc. Die Eigenverbrauch-Ergebnisse wurden mit dem o.g. SolBatSim berechnet, unter Annahme einer (effizienteren) DC-Kopplung mit Lade-Wirkungsgrad 94% und Speicherungs-Wirkungsgrad 95%. Wie zuvor sind für den Wirkungsgrad des PV-Systems 92% angenommen und für die Wechselrichtung (auch bei Entladung aus der Batterie) 94%.

Bei optimaler Lade-/Entlageregelung, s.u., die leider nur schwer zu realisieren ist, gibt es keinen Verlust durch Überlauf des Speichers, und anstatt dass der PV-Überschuss von ca. 310 kWh komplett ins Netz eingespeist wird, kommt es nur noch zu 84 kWh Netzeinspeisung. Hinzu kommen kleine Verluste des Ladereglers und der Speicherbatterie von etwa 14 + 11 kWh. Durch die Verwendung des Speichers lässt sich somit der jährliche Eigenverbrauch von ca. 610 auf etwa 810 kWh und der Eigenverbrauchsanteil von ca. 66 auf etwa 83% des Nettoertrags steigern. Der PV-Bruttoertrag von 1062 kWh bzw. Nettoertrag 918 kWh wird also gut genutzt. Der Speicher mit effektiv 1 kWh Kapazität ist mit ca. 225 Vollzyklen pro Jahr nur mäßig belastet. Bei 30 ct/kWh Strompreis ergibt sich durch die Hinzunahme des Speichers eine jährliche Stromkosten-Einsparung von ca. 60€.

Selbst wenn die dafür nötigen Komponenten günstig für z.B. 600€ erworben werden, würde die Amortisationszeit für die Aufrüstung etwa 10 Jahre betragen – eher länger. Allerdings kann es sein, dass in dieser Zeitspanne bereits ein Teil der nötigen Geräte erneuert werden muss. Vor Allem aber ist für kleine PV-Anlagen eine optimale Regelung im Eigenbau schwer erreichbar, und kommerziell erhältliche Lösungen) sind bislang zu teuer.

Wenn man dieselben PV-Daten verwendet wie der Stecker-Solar-Simulator der HTW Berlin, kommt man mit gleichen Speicher-Daten und einem ähnlichen Lastprofil sowohl beim Stecker-Solar-Simulator als auch beim PVTool auf nahezu identische Ergebnisse.

Eine wichtige Rolle spielt natürlich die Verteilung des Haushalts-Verbrauchs über den Tag. Im o.g. typischen Fall ergab sich bei Durchschnittslast von 375 W zwischen 8 und 16 Uhr und Durchschnittslast von 190 W zwischen 0 und 6 Uhr durch den Speicher ein Jahresgewinn von 200 kWh.
Wenn stattdessen die Durchschnittslast tagsüber nur 100 W beträgt und nachts 234 W, dann steigt der Gewinn durch den Speicher auf 270 kWh.
Wenn andererseits die Durchschnittslast tagsüber sogar 600 W beträgt und nachts 124 W, dann sinkt der Gewinn durch den Speicher auf 180 kWh.

Regelungsstrategien für PV-Speicher

Weil man für ins externe Netz eingespeisten Strom keine Vergütung bekommt oder jedenfalls deutlich weniger erhält als man für vom Netz bezogenen Strom zahlen muss, sollte zur Strom-Kostenersparnis die Einspeisung vermieden und der Netzbezug minimiert werden.
Daher wäre es es optimal, wenn zu jeder Zeit gilt:

Haushalts-Last + Auflade-Leistung in den Speicher

PV-Leistung + Entlade-Leistung aus dem Speicher

Nachdem der Gesamt-Leistungssaldo am externen Netzanschluss des Haushalts gleich

(Haushalts-Last + Speicher-Aufladeleistung) − (PV-Leistung + Speicher-Entladeleistung)

ist, kann die Ungleichung auch abgekürzt geschrieben werden als

Gesamt-Leistungssaldo ≥ 0

Wenn die Ungleichung erfüllt ist, dann wird trotz PV-Leistung überhaupt kein Strom ins Netz eingespeist (sondern höchstens bezogen).

Wenn die PV-Leistung nie größer als die Last durch den Haushalt wäre, bräuchte man dafür keinen Speicher, aber das ist nicht realistisch. Mit Hilfe des Speichers kann die Ungleichung immerhin viel öfter erfüllt werden als ohne, indem bei PV-Leistungsüberschuss der Speicher aufgeladen und bei Mehrbedarf durch Last im Haushalt der Speicher entladen wird.

Die Anbindung des Speichers an die PV-Anlage erfolgt entweder DC-gekoppelt, also schon gleichstromseitig, oder AC-gekoppelt, also indirekt über das Wechselstromnetz im Haushalt. Details dazu im Abschnitt Ladung des Stromspeichers.

Bild: DC-Kopplung Bild: AC-Kopplung

Aus der o.g. Regelungs-Ungleichung folgt nebenbei, dass es nicht zielführend wäre, den Speicher gleichzeitig zu laden und zu entladen. Das ist auch schon physikalisch-technisch gar nicht möglich. Bei ungeschickter Laderegelung eines AC-gekoppelten Speichers könnte es aber passieren, dass sowohl das Ladegerät als auch der Wechselrichter zur Entnahme aus dem Speicher aktiv ist. Dies führt dazu, dass je nach Differenz aus Lade- und Wechselrichter-Leistung der Speicher entweder geladen oder entladen wird und dass das Minimum der beiden Leistungen sinnlos und mit Verlusten zunächst in Gleichstrom und umgehend wieder in Wechselstrom gewandelt wird.

Für die Regelung wird die PV-Leistung und normalerweise auch die Last durch den Haushalt als gegeben vorausgesetzt. Allerdings könnte die Regelung durchaus gewisse Überschuss-Verbraucher steuern. Als die wesentlichen Stellschrauben der Regelung bleibt die Lade- und Entladeleistung des Speichers.
Unter Berücksichtigung, dass ein Speicher mit gegebener Kapazität nur begrenzt geladen und entladen werden kann und sich Laden und Entladen des Speichers zeitlich ausschließen, ergibt sich folgende ideale Lade- und Entladeregelung:

  • Solange der Speicher nicht voll ist, wird immer genau der Anteil an PV-Leistung zum Laden verwendet, der übrig ist, also aktuell nicht anderweitig direkt gebraucht werden kann.
    Dies wird Lastvorrang oder Überschussladung genannt.

  • Solange sein Ladezustand oberhalb der Entladegrenze ist, wird der Speicher immer genau so stark entladen wie nötig ist, um den Anteil der aktuellen Last auszugleichen, den die PV-Leistung nicht abdeckt.

Damit kann man eine sogenannte Nulleinspeisung realisieren, also dass überschüssiger Strom nicht ins externe Netz fließt. Bei vollem Speicher kann man aber auch einen Bypass erlauben, also dass die gesamte PV-Leistung an der Batterie vorbei ins Hausnetz gespeist wird. Dies geschieht bei AC-Kopplung automatisch, weil bei vollem Speicher das Ladegerät abschaltet. Durch den Bypass bei vollem Speicher wird überschüssiger Strom nach extern abgegeben, solange die Last geringer als PV-Leistung ist.

Bei AC-Kopplung ist die Maximalleistung einer bedarfsgerechten Ausspeisung aus dem Speicher übrigens ziemlich unerheblich. Etwa bei einem Jahresverbrauch von 3000 kWh zeigen Simulationen, dass selbst wenn sie auf nur 100 W begrenzt wird, das für die Speichernutzung und den Eigenverbrauch so gut wie nichts ausmacht. Daher genügt für AC-gekoppelte Pufferspeicher ein kleiner Wechselrichter.

In teilweiser Abweichung von den bisher genannten Punkten sollten zur Schonung der Batteriezellen gewisse Lade- und Entladeströme nicht überschritten werden, wobei die verwendeten Komponenten da ohnehin Grenzen setzen. Außerdem ist die Reaktionsgeschwindigkeit der Lade- und Entladeregelung aus verschiedenen Gründen begrenzt, so dass es kurzzeitig z.B. zu unerwünschter Netzeinspeisung kommen kann. Auch lassen sich Lastspitzen meist nicht ausgleichen. Durch solche Randbedingungen leidet die Effizienz ein wenig.

Ein ‘intelligentes’ Energiemanagement berücksichtigt auch noch diverse weitere Faktoren, etwa Uhrzeit, Sonnenstand, Temperatur, die bisherige Entwicklung der PV-Leistung, der Last und des Speicher-Ladezustandes, der in nächster Zeit erwartete PV-Ertrag, Verbrauch im Haushalt, Strompreis, usw.

Die Implementierung einer Speicher-Regelung, welche lastbasiert sein sollte, ist regelungstechnisch ziemlich aufwendig. Sie lohnt sich finanziell bislang eher nur für größere PV-Anlagen und (wegen der Speicherkosten) für nicht sehr große Speicher.

Statt einer lastabhängigen Regelung ist es besonders für Steckersolargeräte viel einfacher, aber leider wenig effizient, die (gedrosselte) Ausgangsleistung des Wechselrichters und die Batteriekapazität so abzustimmen, dass lediglich ein Großteil der Grundlast des Haushalts, z.B. 100 W, für eine Dauer von etwa 1-2 Tagen abgedeckt wird. Wenn man diese Konstanteinspeisung noch mit einer Zeitschaltuhr (oder einem Helligkeitssensor) zur Beschränkung zwischen Sonnenunter- und Aufgang kombiniert, bekommt man eine Nachteinspeisung.
Ziel der Konstanteinspeisung ist zwar, die über die sonnenreiche Tageszeit gesammelte Solarenergie auch über sonnenarme Zeiten gleichmäßig abzugeben (solange die Ladung reicht, zumindest bis zum nächsten Vormittag), und dabei möglichst wenig Strom nach extern zu verschenken. Allerdings zeigen die u.g. Simulationsergebnisse, dass sich auf diese Weise nicht mal die Grundlast effizient abdecken lässt.

Bild: Wasserspeicher als Analogie Hier als Analogie eine Skizze eines automatischen Wasserspeichers, der z.B. über die Dachrinne eines Hauses gespeist wird. Wenn er voll genug ist, läuft das Wasser über die rechte innere Trennwand und lässt eine leichte Kugel aufschwimmen, die bis dahin den Auslass blockiert hat. Dann fließt das Wasser aus dem Speicher langsam und gleichmäßig nach unten aus. Wenn der Speicher fast leer ist, verschließt die Kugel den Auslass wieder. Der Speicher füllt sich (auch schon zwischendurch) bei Wasserzufuhr wieder auf. Zusätzlich ist der Speicher am Einlass mit einem Überlaufschutz ausgestattet, der die Wasserzufuhr stoppt, wenn der Speicher voll ist und das Wasser durch den kleinen Auslass nicht schnell genug abfließt.

Dimensionierung des Stromspeichers

Zum Thema Stromspeicher in verschiedensten Formen und Nutzungsmöglichkeiten im Zusammenhang mit Photovoltaik hier ein ausführlicher Artikel und hier eine gute Erklärung der wichtigsten Begriffe in diesem Zusammenhang, z.B. der Entladetiefe und der Zyklenanzahl.

Die meisten Nutzer legen ihren PV-Speicher zu groß aus, was unnötigen Materialaufwand und überzogene Kosten verursacht. Die effektiv nutzbare Kapazität des Speichers sollte nur so groß sein, dass damit der typische PV-Überschuss eines ertragreichen Sonnentages aufgenommen und diese Strommenge bis zum nächsten Morgen sinnvoll genutzt werden kann.

Für das o.g. Balkonkraftwerk-Beispiel beträgt der tägliche PV-Überschuss maximal etwa 4 kWh und im Jahres-Durchschnitt 0,85 kWh. An ca. 130 Tagen beträgt er über 1 kWh, an nur 50 Tagen über 2 kWh, und sogar nur an 5 Tagen über 3 kWh. Erst ab effektiv ca. 4 kWh Speicherkapazität gibt es ein paar Tage, wo der gespeicherte Strom über Mitternacht reicht.
Mit effektiv 1 kWh Speicherkapazität liegt bei optimaler Regelung die Steigerung des jährlichen Eigenverbrauchs bei 200 kWh. Eine Erhöhung der nutzbaren Speicherkapazität auf 2 kWh bringt nur noch etwa 60 kWh weitere Steigerung und lohnt damit den Speicher-Aufpreis nicht. Hingegen brächte schon eine effektive Speicherkapazität auf 0,5 kWh eine Steigerung des Eigenverbrauchs von 140 kWh.

Deutlich interessanter wäre die Speichernutzung bei Verdoppelung der PV-Leistung auf 1700 Wp. Dann brächte 1 kWh Speicherkapazität bei optimaler Regelung eine Steigerung des jährlichen Eigenverbrauchs von 300 kWh, und bei 2 kWh effektiver Kapazität immerhin nochmal 170 kWh mehr.

Eine Stromspeicherung über mehrere Tage hinweg lohnt sich nicht — außer man will oder muss (etwa bei mobiler Nutzung) längere Zeiten ohne Stromanschluss überbrücken. Wer mit seiner Speicherbatterie zusätzlich eine (Not-)Stromversorgung über eine Inselanlage realisieren möchte, wird die Kapazität je nach Anwendungsszenario entsprechend größer wählen.

Als Faustformel für die Dimensionierung empfiehlt die Verbraucherzentrale NRW etwa 1 kWh pro 1000 kWh Jahresstromverbrauch (also gut 1/3 des Verbrauchs pro 24 Stunden), aber nicht mehr als 1 kWh pro 1 kWp PV-Nennleistung.

Die Forschungsgruppe Solarspeichersysteme der HTW Berlin gibt etwas genauere Empfehlungen und Begründungen. Kurz zusammengefasst: Ein Batteriespeicher ist nur sinnvoll, wenn die PV-Leistung mind. 0,5 kWp je 1000 kWh Jahresstromverbrauch beträgt. Als Obergrenzen für die Kapazität empfiehlt sie

  • 1,5 kWh je 1000 kWh Jahresverbrauch und
  • 1,5 kWh je kWp PV-Nennleistung.

Bei der Batterie-Dimensionierung sind noch folgende Punkte zu berücksichtigen:

  • Die Speicherung des Stroms bringt je nach Lade- und Entladetechnik und Art der Batterie Verluste von etwa 10 bis 25% mit sich. Bei AC-Kopplung kommt man selbst mit LiFePO4-Batterien kaum über 80% Wirkungsgrad.
  • Man kann nicht die volle Nennkapazität entnehmen, ohne dass die Akkuzellen leiden (d.h. schneller an Kapazität verlieren). Bei LiFePO4 sind immerhin 90% Entladetiefe problemlos möglich.
  • Im Interesse einer langen Lebensdauer sollte man die Batterie je nach Typ besser auch nicht ganz voll laden, sondern eher nur zu etwa 90%.

Kommerzielle SSG-Speicherlösungen

Aufgrund des wachsenden Interesses an Speicherlösungen auch für kleine PV-Anlagen gibt es seit 2023 ein paar steckerfertige Lösungen zu kaufen. Eine brauchbare Übersicht findet sich hier — wobei das, was dort zur Amortisation geschrieben wurde, irreführend ist, weil es unrealistischerweise von einer optimalen Lade- und Entladestrategie ausgeht.

Alle diese Produkte haben u.A. Folgendes gemeinsam.

  • Der Speicher ist proprietär — man muss also die (recht teuren) Batterien des jeweiligen Herstellers verwenden.
  • Der Speicher ist DC-gekoppelt. Er wird also zusammen mit der Steuerung, welche eine MPPT-Regelung und Batterie-Laderegelung beinhaltet und teils direkt mit dem Speicher verbaut ist, zwischen PV-Module und Mikrowechselrichter gesteckt. Der wichtigste Vorteil davon ist größere Effizienz als mit AC-Kopplung.
    Ein Nachteil ist, dass der Speicher meist außerhalb der Wohnung steht und eine Lithium-basierte Batterie bei Minustemperaturen nicht geladen sollte, so dass sie dann nur nutzbar ist, wenn sie auf über 0°C erwärmt wird.
  • Zentral für die Regelung der Geräte ist die aktuelle Zielleistung, die über den angeschlossenen Wechselrichter ins Hausnetz gespeist werden soll.
  • Wenn die verfügbare PV-Leistung mindestens so groß wie die Zielleistung ist, wird diese Leistung eingespeist und der Rest zum Laden des Speichers verwendet.
  • Wenn die aktuelle PV-Leistung unter der Zielleistung liegt, wird (je nach Gerät) die PV-Leistung eingespeist und/oder Strom aus dem Speicher entnommen.
  • Die Speicher-Entladung wird durch die (typischerweise einstellbare) maximale Entladetiefe begrenzt.

Hier eine Übersicht zu den jeweils unterstützten Lade- und Entladestrategien.

Zendure SolarFlow und AIO 2400

Bild: Zendure SolarFlow

Das wohl erste und bekannteste Produkt seiner Art ist das Zendure SolarFlow. Das Gerät verfügt über zwei PV-Eingänge mit getrennten MPPT.
Soweit vorhanden, wird zur Einspeisung PV-Strom verwendet und die ggf. zur Zielleistung fehlende Differenz aus dem Speicher entnommen.
Wenn der Speicher voll ist, wird im Bypass-Modus der gesamte Ertrag eingespeist.
Zur Bestimmung der Zielleistung gibt es inzwischen im Wesentlichen drei Modi:

  • Im Terminmodus kann man abhängig von der Uhrzeit eine feste Einspeiseleistung (in gewissen Stufen) einstellen, also im Wesentlichen eine Konstanteinspeisung bzw. Nachteinspeisung. Dem einfachen Spezialfall, ständig 100 W einzuspeisen, hat Zendure den Namen Batterieprioritätsmodus gegeben.
  • Im sog. Intelligenten Matching-Modus wird mindestens so viel eingespeist wie nötig, um den Verbrauch aller Geräte abzudecken, die an mit dem SolarFlow online gekoppelten Smart Plugs (intelligente Steckdosen) hängen — mindestens 100 W und meist deutlich mehr als nötig.
  • Seit November 2023 gibt es den Smart-CT-Modus, bei dem die Einspeiseleistung dynamisch an den über ein Shelly (Pro) 3EM gemessen Gesamtverbrauch im Haushalt angepasst wird.
    Nur diese Option ermöglicht eine effiziente Nutzung des PV-Ertrags. Allerdings zeigten Praxistests, dass die Regelung auf Verbrauchs- und Ertrags-Schwankungen träge und ungenau reagiert.

Die größere (1.920 Wh) Batterie hat eine eingebaute Heizung bei Minusgraden.

Ende Februar 2024 brachte Zendure die AIO 2400 heraus — hier eine Rezension dazu. Sie scheint die selbe Steuerung wie beim SolarFlow zu verwenden.

Anker Solix

Das zweite relativ bekannte Produkt ist die Anker Solix Solarbank. Das Gerät hat nur einen MPPT (was aber meist genügt) und bislang im Wesentlichen eine Betriebsart: Einspeisung mit einer von der Uhrzeit abhängigen und ansonsten konstanten Zielleistung, welche hier Familienlastleistungsrate (FLLR) genannt wird. Sie ist zwischen 100 und 800 W in Stufen von 10 W wählbar, kann aber auch 0 W sein (keine Einspeisung). Aufgrund einer Design-Einschränkung kann das Gerät diese Leistung nur entweder direkt aus PV-Strom oder aus dem Speicher erbringen, also nicht gleichzeitig aus beiden Quellen. Deshalb sind die Details der Steuerung etwas eigenartig:

Bild: Anker Solix Strategie

  • Wenn die PV-Leistung mindestens so hoch ist wie die FLLR, wird mit FLLR eingespeist und der Rest in den Speicher geladen (außer wenn er voll ist, dann erfolgt ein Bypass).
  • Wenn die PV-Leistung mindestens 100 W unter der FLLR liegt und höchstens 100 W beträgt, wird die FLLR dem Speicher entnommen (solange die Kapazität reicht) und die PV-Leistung geht verloren. Dieser Verlust ist zum Glück nicht groß: typischerweise 10 kWh im Jahr.
  • Ansonsten, also wenn die PV-Leistung zwischen 100 W und der FLLR liegt oder weniger als 100 W unter der FLLR (was bei einer FLLR von 200 W aufs Gleiche hinausläuft), wird dem Speicher nichts entnommen und die verfügbare PV-Leistung eingespeist.

Das Produkt hat offenbar noch diverse Kinderkrankheiten, von denen z.B. hier berichtet wurde. Im Jahr 2024 will Anker Verbesserungen bringen, um auch Smart Plugs und Lastmessgeräte (Smart Home Integration) zu unterstützen.

Es gibt Bastler, die dem Solix eine nachgelagerte lastabhängige Drosselung über einen regelbaren Wechselrichter verpassen, so dass er über Nacht nur so viel einspeisen kann wie gerade verbraucht wird. Das macht ihn zwar relativ effizient, aber wer diesen Aufwand treibt, kann sich eigentlich gleich besser und v.A. günstiger etwas eigenes bauen. (Zusätzlich auch tagsüber in die merkwürdige Solix-Steuerung einzugreifen oder sie zu umgehen wäre noch deutlich komplizierter und würde wohl wenig bringen.)

Maxxisun Maxxicharge

Bislang kaum bekannt und erst ab März 2024 allgemein lieferbar ist der Maxxicharge Batteriespeicher. Seine Entwicklung erfolgt(e) in Zusammenarbeit mit Hochschule Anhalt komplett in Deutschland und macht einen sehr soliden Eindruck. Im Gegensatz zu allen vergleichbaren Produkten wurde er von vornherein auf optimale lastabhängige Regelung der Speichernutzung konzipiert.

Bild: Maxxicharge Batteriespeicher

Bei der Steuereinheit, genannt Central Control Unit (CCU), wird entweder ein Shelly (Pro) 3EM mitgeliefert oder eine Variante des powerfox poweropti, welcher die CCU mit Last-Daten im Sekundentakt versorgt, und zwar in einem eigens aufgespannten WLAN, wobei die Reichweite durch eine mitgelieferte Antenne vergrößert wird.

In den Batterien ist eine Heizung eingebaut, die auch an einem Aufstellort außerhalb des Hauses eine Ladung bei Minustemperaturen (bis -20°C) ermöglicht.
Die größte Variante hat 5 kWh nutzbare Kapazität und unterstützt bis zu 3 kWp Modulleistung. Es können auch mehrere Speicher zusammengeschaltet werden (bis zu 80 kWh). Der Regelungsalgorithmus berücksichtigen auch unterschiedliche effektive Kapazitäten und Ladungsstände der einzelnen Batterie(zell)en.
Nachdem normale SSGs künftig rechtlich auf 2000 Wp Modulleistung beschränkt sollen, wurde Hilfe bei der Anmeldung von Anlagen mit mehr Leistung in Aussicht gestellt. Am Ende dieses Artikels dazu der interessante Hinweis, dass der Batteriespeicher nicht ortsfeste PV-Anlagen offenbar nicht angemeldet werden müssen.

Tentek Tribune EMS

Bild: Tentek_Tribune_EMS_Controler

Seit März 2024 lieferbar ist der Tentek Tribune EMS Controller bzw. baugleich die Anfuote EMS-Steuerung.

Dies ist das offenbar erste käufliche Steuergerät, das nicht nur mit allen möglichen Netzwechselrichtern, sondern auch mit angeblich so gut wie jeder Art von Speicherbatterie mit 48 V Systemspannung) verwendbar ist. Es hat je nach Variante 2 bis 4 MPPT zur Anbindung der PV-Module mit je 30 A nomineller Ladeleistung für einen DC-gekoppelten Speicher und bietet eine sehr gute lastabhängige Einspeise-Regelung, wobei zur Messung des Haushalts-Lastsaldos ein mitgelieferter WiFi-Energiemonitor oder wahrscheinlich auch ein Shelly (Pro) 3EM verwendet werden kann.
Nach MPPT-Überlastungsschäden werden seit April/Mai 2024 die MPPT-Eingänge durch ein Software-Update von 30 A auf nur noch je 22 A abgeregelt.

Für das Gerät soll man in Deutschland inklusive WiFi-Energiemonitor selbst mit MwSt-Befreiung 599€ zahlen, so dass man auch mit einer günstigen max. 2,5 kWh Batterie auf etwa 1000€ kommt. Das wäre für ein Balkonkraftwerk ca. 300€ zu teuer, denn wie unten ausgeführt kann man damit in einem durchschnittlichen Fall nur etwa 70€ pro Jahr sparen, so dass man selbst bei 700€ Kosten schon eine grenzwertig lange Amortisationszeit von 10 Jahren hat.

Direkt aus China war das Gerät angeblich anfangs für unter 300€ erhältlich. Das wäre aufgrund der Ausstattung auch realistischer, denn es leistet nicht mehr als eine Eigenbau-Lösung mit OpenDTU-OnBattery und zwei MPPT-Ladereglern, was man mit mäßigem Aufwand selbst mit soliden Victron BlueSolar-Geräten für ca. 140€ hinbekommen kann. Allerdings wird die Bedeutung mehrerer MPPT überschätzt — so gut wie immer genügt 1 MPPT-Laderegler, so dass die Hardware-Kosten für die Selbstbau-Alternative unter 100€ liegen.

Weitere Produkte

Es gibt weitere ähnliche Lösungen, etwa

  • EcoFlow PowerStream, welches ähnliche Modi bietet wie das ursprüngliche Zendure SolarFlow, also zeitabhängige Konstanteinspeisung oder die Verwendung von Smart Plugs, aber keine von der Gesamtlast abhängige Regelung.
  • GreenSolar Plug & Play Balkonkraftwerk Basisspeicher von der österreichischen Firma Green Solar (nicht zu verwechseln mit GreenAkku bzw. Bosswerk aus Deutschland), welches etwas günstiger ist, aber nur eine simple Konstanteinspeisung bietet, und

Zusammenfassung und Effizienzbetrachtung

Viele dieser Produkte haben mehr oder weniger starke Einschränkungen und funktionieren in der Praxis nicht so gut und effizient wie vom Marketing behauptet. Stand Anfang 2024 unterstützen nur Zendure SolarFlow und AIO 2400, der Maxxisun Maxxicharge das Tentek/Anfuote EMS eine lastabhängige Regelung und können damit unter realistischen Bedingungen rentabel sein.

Hier ein Vergleich des mit den unterschiedlichen Ansätzen erzielbaren Jahres-Eigenverbrauchs auf Basis von Simulationen mit dem SolBatSim für einen Haushalt mit 3000 kWh Jahresverbrauch (nächtliche Durchschnittslast 190 W zwischen 0 und 6 Uhr, tagsüber Durchschnittslast 375 W zwischen 8 und 16 Uhr) mit optimal ausgerichteten 850 Wp Modul-Nennleistung in Süddeutschland und typischen Wirkungsgraden. Der besseren Vergleichbarkeit halber wurde hier generell eine Speicherkapazität von 1600 Wh (mit 90% Entladetiefe) wie beim Anker Solix vorausgesetzt — ohnehin fällt sie kaum ins Gewicht.

  • 610 kWh Eigenverbrauch als Vergleichswert nur mit PV ohne Speicher-Nutzung
  • 840 kWh Eigenverbrauch (bei 1000 Wh 800 kWh, bei 2000 Wh 860 kWh) bei optimaler lastabhängiger Regelung
  • 710 kWh Eigenverbrauch bei Anker Solix Strategie mit optimaler FLLR, hier 160 W;
    mit diesen Parametern werden 10 kWh PV-Nettoleistung verworfen
  • 725 kWh Eigenverbrauch bei Konstanteinspeisung mit für diesen Fall optimaler Zielleistung, hier 200 W

Wenn man eine optimale lastabhängige Lade- und Entladestrategie nutzen kann, ist das Ergebnis mit Abstand am besten: ein Gewinn von etwa 230 kWh im Jahr.
Selbst mit mehreren geschickt eingesetzten Smart Plugs oder einer ausgefeilten Uhrzeit-abhängigen Steuerung wird man kaum an diesen Maximalwert herankommen.
Ansonsten ist es bei konstanter Zielleistung selbst mit günstigster Wahl dieses Parameters und mit Bypass-Funktion ziemlich egal, welche Strategie im Detail verfolgt wird — man erhält nur magere 100 bis 125 kWh Gewinn pro Jahr.

Allerdings bringt selbst eine Eigenverbrauchs-Steigerung von 230 kWh bei 30 ct/kWh nur 70€ Ersparnis pro Jahr. Damit kann sich so ein Gerät, das je nach Speichergröße (und Zusatzkosten wie für einen Shelly 3EM) ungefähr 1000€ kostet und hoffentlich gut 10 Jahre Lebensdauer hat, meist nicht amortisieren.
Noch schlechter sieht es für das Anker Solix aus, denn es ermöglicht mit seiner ungünstigen Regelung eine Ersparnis von realistisch nur etwa 35€ pro Jahr.
Sprich, alle diese Lösungen sind einfach zu teuer, um wirklich rentabel zu sein.

SSG-Speicherlösungen im Eigenbau

Wer für sein Balkonkraftwerk einen rentablen Stromspeicher haben will, kommt derzeit um einen Eigenbau nicht herum, allein schon wegen der Batteriepreise. Außerdem muss man sich technisch gut auskennen und einige Arbeit investieren, um eine effiziente Regelung hinzubekommen. In diesem Abschnitt einige Hinweise und Beispiele, wie es gelingen kann und wie es (nicht) wirklich effizient wird.

Implementierung der Speicher-Regelung

Wie im Abschnitt über Regelungsstrategien erklärt, ist die wesentliche Eingangsgröße der Regelung eines Speichers der Gesamt-Leistungssaldo am externen Netzanschluss des Haushalts. Er lässt sich mit digitalem Zugang an einem modernen Stromzähler oder mit einem Zusatzgerät im Unterverteiler messen, wie im Abschnitt Gesamt-Strommessung beschrieben.

Über das Leistungssaldo sollte ein am Speicher angeschlossener dynamisch drosselbarer Netzwechselrichter so geregelt werden, dass durch Entladung des Speichers zumindest ein Teil der Haushalts-Last kompensiert wird, aber nicht durch zu starke Entladung Energie aus dem Speicher ins externe Netz eingespeist und damit verschenkt wird.

Wenn der Wechselrichter, der zur Entladung des Speicherbatterie verwendet wird, mehrere Eingänge hat, kann man an die übrigen Eingänge auch noch direkt PV-Module anschließen, deren Ertrag dann nicht über die Batterie gepuffert wird.

Für die Ladung des Speichers ist es eine grundsätzliche Entscheidung, ob diese DC- oder AC-gekoppelt geschehen soll — Details dazu im Abschnitt zur Ladung des Stromspeichers.

Bei DC-Kopplung bietet es sich an, einen Solar-Laderegler zu verwenden, denn der kümmert sich automatisch um die Regelung der Batterieladung. Unabhängig davon, dass ein Wechselrichter angeschlossen und zeitweise mehr oder weniger aktiv ist, versucht der Laderegler immer, die Batterie voll zu machen. Je nachdem, wie viel Strom der Wechselrichter liefern soll, nimmt er dem Ausgang des Ladereglers bzw. der Batterie entsprechend Strom weg, so dass zum Laden der Batterie weniger oder gar nichts mehr übrig bleibt. Wenn der Wechselrichter sich mehr Strom nimmt als der Laderegler liefert, wird die Batterie entladen.
Für eine optimale lastabhängige Regelung muss also der Laderegler nicht von außen gesteuert werden, sondern es genügt, die Ausgangsleistung des Wechselrichters so anzupassen, dass der aktuelle Leistungssaldo am Einspeisepunkt der Haushalts (der sich aus Haushalts-Last abzüglich PV-Leistung und bisheriger Ausgangsleistung des Wechselrichters ergibt) möglichst Null ist, jedenfalls nicht negativ. Je nachdem, ob dabei die Differenz aus aktueller PV-Leistung und Abruf durch den Wechselrichter positiv oder negativ ausfällt, wird der Speicher mit dieser Differenz-Leistung geladen oder entladen.

Bei AC-Kopplung muss die Speicher-Ladung unabhängig von der PV-Erzeugung erfolgen und erfordert ein steuerbares 230 V-Ladegerät mit extra Regelung.

Die (Lade- und) Entladeregelung wird auf irgendeine Weise programmiert und muss ständig laufen, z.B. auf einen etwas stärkeren Einplatinen-Computer wie Raspberry Pi 4 oder nebenbei auf einem Home-Server. Meist erfolgt die Programmierung unter Zuhilfenahme einer Heimautomatisierungs-Software.

Home Assistant ist da am bekanntesten. Das bietet eine recht hübsche und flexible grafische Bedienungs-Oberfläche, sowie eine relativ einfache Anbindung von Hardware-Komponenten z.B. von Shelly, aber hat eine grauenhafte YAML -und Python-basierte Programmierumgebung mit nur teilweise hilfreicher Dokumentation und schlechter Debugging-Unterstützung.

Wesentlich angenehmer programmierbar ist wohl die Perl-basierte „Freundliche Hausautomation und Energie-Messung“ (FHEM).

Weitere Möglichkeiten sind der iobroker und das Projekt Solaranzeige.de für Raspberry Pi.

Betrieb eines Mikrowechselrichters an einer Batterie

Wie im Abschnitt zum Anschluss von PV-Modulen näher ausgefährt, muss unbedingt die maximale Wechselrichter-Eingangsspannung eingehalten werden, während der erlaubte Eingangsstrom weniger kritisch ist. Die Verwendung eines Solar-Mikrowechselrichters zur Ausspeisung der in einer Batterie gespeicherten Energie ist bei den meisten Modellen nicht vorgesehen. Das kann zu besonderen Effekten führen, nachdem eine Batterie deutlich höhere Ströme (meist über 100 A) liefern kann als PV-Module.

Bild:HM-800 Platine Beim Anschließen eines Wechselrichters werden eingangsseitig im Gerät relativ große Kondensatoren aufgeladen (bei Hoymiles mit 4 × 2,7 mF je Eingang). Bei direkter Verbindung an eine Batterie erreicht aufgrund ihres sehr geringen Innenwiderstands je nach Batterie, BMS, Verkabelung und Wechselrichter-Modell die Spitze des Einschaltstroms (engl. inrush current) innerhalb der ersten Millisekunde oft mehr als 250 A — und zwar auch deutlich über das hinaus, was BMS und ggf. eine zusätzliche Sicherung an (Dauerstrom-)Begrenzung geben. Das macht sich durch einen Einschaltfunken bemerkbar. Viele befürchten zumindest längerfristig ein gewisses Beschädigungsrisiko. Um das auszuschließen, kann man beim Anschließen des Wechselrichters den Eingang zum Sanftanlauf (engl. soft start) „vorladen“, wozu es relativ einfache Möglichkeiten gibt: Bild: Leitungsschutzschalter B 16A mit 2 * 120 Ohm Widerstand parallel

  • Wenn vorhanden, eine entsprechende Soft-Start-Funktion der Batterie nutzen.
  • Die Verbindung zunächst nur über einen Widerstand mit ca. 500 Ohm und 5 W Belastbarkeit herstellen, der nach ein paar Sekunden ersetzt oder zumindest überbrückt wird.
  • Bei DC-Kopplung den Wechselrichter-Eingang tagsüber erst mal über den Solarlader mit den PV-Modulen verbinden und dann erst die Batterie zuschalten.

Allerdings sind für Kondensatoren transiente Ströme — auch sehr große — nicht schädlich. Die Zuleitungen könnten bei extrem hohen Strömen Schaden nehmen, aber die Eingangs-Leiterbahnen von Solarwechselrichtern wie denen von Hoymiles sind sehr massiv. Am ehesten leiden die Kontakte, die beim Anschließen verbunden werden, aber das geschieht auch nicht sehr oft, und sie liegen ja außerhalb des Wechselrichters. Also kann man sich bei den üblichen Solarwechselrichtern einen Schutz vor hohem Anschluss-/Einschaltstrom einfach sparen.

Bild: HM-300 Einschaltstrom an 16 A Leitungsschutzschalter eingeschaltet Zu empfehlen ist aber, einen Leitungsschutzschalter (LSS) zwischen Batterie und Wechselrichter einzusetzen. Wie hier näher ausgeführt, mildert er den Einschaltimpuls etwas ab und erlaubt eine bequemere Schaltung als z.B. das Stecken von MC4−Verbindern. Sollte er wegen Einschalt-Überstrom auslösen, genügt es meistens, ihn gleich nochmals einzuschalten, weil sich die Eingangs-Kondensatoren im Wechselrichter zuvor schon größtenteils aufgeladen haben.

Ein anderes Risiko ist, dass die MPPT-Regelung eventuell nicht ausreichend bzw. nicht schnell genug auf ein überhöhtes Stromangebot reagiert, womit ihr Innenwiderstand zu lange zu niedrig bleibt, was z.B. Leistungstransistoren zerstören kann. Um das auszuschließen, kann eine generelle Strombegrenzung z.B. durch einen DC-DC-Wandler vorgeschaltet werden, was allerdings aufwendig ist und zu ständigen Leistungsverlusten führt.

Die üblichen Hoymiles-Geräte, z.B. HM-300, HM-800 und HM-1500, funktionieren zumindest an einer 24 V Batterie nach der Erfahrung vieler Nutzer auch ohne besondere Maßnahmen problemlos. Auch z.B. ein Deye Sun 600, wobei der nicht dynamisch regebar ist und dann konstant etwa 270 W je Eingang liefert. Ein Eingang meines billigen Mars Rock SG-700W hat den Test allerdings nicht bestanden und ist nun tot, nachdem sich das Gerät beim Hochfahren des MPPT nach ein paar Sekunden überlastet hat.

Auf jeden Fall ist v.A. zum Brandschutz bei möglichen Kurzschlüssen empfehlenswert, möglichst nahe am Ausgang der Batterie eine passend dimensionierte Sicherung bzw. Schutzschalter (mit z.B. 63 A) einzusetzen.

Bei Hoymiles-Wechselrichtern gibt es an 24 V Batterien allerdings ein weiteres Problem: Bei höheren Limit-Werten (also im oberen Leistungsbereich) kommt es zu groben Abweichungen vom Sollwert. Die Erklärung dafür ist, dass sie an jedem Eingang eine interne Strommessung haben, bei der ab 10 A Eingangsstrom allmählich eine Sättigung eintritt. Das entspricht (bedingt durch den Wirkungsgrad) bei 25,5 V Eingangsspannung etwa 240 W Ausgangsleistung je Eingang. Bei einem HM-300, der nur einen Eingang hat, entspricht das 70% Limitierung. Über diesem Wert steigt bis etwa 77% Limitierung die reale Ausgangsleistung überproportional an, während die über die DTU (data transfer unit) gemeldete Ausgangsleistung langsamer steigt, und zwar auf knapp 240 W. Jenseits der 77% stagniert die gemeldete Eingangs- und Ausgangsleistung, und die tatsächliche Ausgangsleistung verbleibt bei knapp 320 W.
Um Feedback über die tatsächliche aktuelle Ausgangsleistung des Hoymiles zu erhalten, sollte man da also nicht den über die DTU gelieferten Daten trauen, weil sie besonders bei höheren Werten stark von der Realität abweichen. Stattdessen kann man sehr gut z.B. einen Shelly Plus 1PM verwenden, welcher verlässliche Daten im Sekundentakt bietet.

Relativ einfache und günstige Lösung: OpenDTU-OnBattery

Inzwischen gibt es eine relativ einfache und kostengünstige Möglichkeit, mit wenig Arbeitsaufwand und ohne eigene Programmierung zu einer recht effizienten Speicherlösung für ein SSG/Balkonkraftwerk zu kommen, und zwar dank des Projekts OpenDTU-OnBattery. Dies ist eine Weiterentwicklung der OpenDTU, welche wie im Abschnitt zur Einspeisung aus einer Batterie beschrieben einen Mikrocontroller zur offenen Kommunikation per WLAN mit einem Hoymiles-Wechselrichter einrichtet.

Bild: OpenDTU-OnBattery.jpg

  • Der Clou dabei ist, den OpenDTU Mikrocontroller auch gleich zur PV-Leistungs- und lastbasierten Regelung der Einspeisung des Wechselrichters zu verwenden, statt irgendwo anders z.B. Home Assistant oder iobroker laufen lassen zu müssen.
  • Zudem wird natürlich ein dreiphasiges Leistungsmessgerät mit Dateninterface (Shelly (Pro) 3EM, Eastron SDM oder Stromzähler-Lesekopf mit Tasmota-Software) benötigt, um den aktuellen Leistungssaldo des Haushalts in Sekundenauflösung zu erhalten.
  • Die Ladung des Speichers erfolgt (meist) effizient mit DC-Kopplung, und zwar über einen Solar-Laderegler von Victron, dessen VE.Direct interface zur Regelung benötigt wird, weil sich damit die PV-Leistung abfragen lässt. Je nach der maximalen Gesamtspannung der hierbei meist in Reihe geschalteten PV-Module genügt teils schon ein BlueSolar 75/15 und ansonsten normalerweise ein 100/15 (der 100 V Eingangsspannung verträgt).
  • Der auf dem Bild dargestellte Victron SmartShunt dient der genauen Messung des Batterie-Ladezustandes usw., ist aber nicht nötigt. Die Batteriespannung muss für den (direkten) Anschluss des Wechselrichters mindestens 24 V betragen, was von allen Victron-Varianten unterstützt wird. Für eine Batteriespannung von 48 V eignet sich etwa der 100/20.
  • Die aktuelle Batteriespannung kann über ein BMS-Interface, den Laderegler und den Wechselrichter abgefragt werden, benötigt also kein Extra-Gerät.
  • Außerdem werden nur noch ein USB-Anschluss o.ä. zur Stromversorgung sowie ein paar Kabel zur Verbindung von Laderegler, Batterie und Wechselrichter gebraucht.
  • Bei Betrieb des Speichers z.B. auf dem Balkon empfiehlt sich eine Heizmatte mit Thermostat, um die Batterie auch bei Minustemperaturen laden zu können.

Hier die Übersicht der konfigurierbaren Regelungsparameter.
Der Regelungsalgorithmus, welcher in der C++-Quelldatei PowerLimiter.cpp implementiert ist, arbeitet im Wesentlichen wie folgt:
Berechne in einer Endlosschleife immer wieder einen neuen Zielwert (Limit) für die Wechselrichter-Ausgangsleistung, sende ihn an das Gerät und warte, bis positive Rückmeldung erfolgt, was beim Hoymiles meist 5-10 Sekunden dauert. Für den Zielwert, der im Wesentlichen aus der aktuellen Last durch den Hauhalt und der PV-Leistung bestimmt wird, gibt es verschiedene Fälle:

Batterie-Ladezustand PV-Leistung verwendeter Zielwert (Wechselrichter-Limit) Auswirkung auf die Batterie
gering < 20 W 0 (Wechselrichter aus) ggf. Ladung mit PV-Leistung
gering ≥ 20 W min(Last, PV−Leistung) ggf. Ladung mit PV-Überschuss
nicht gering oder voll und Bypass nicht erlaubt   Last Entladung wenn Last > PV−Leistung, sonst Ladung mit PV-Überschuss (außer wenn voll)
voll und Bypass erlaubt   max(Last, PV−Leistung) Entladung wenn Last > PV−Leistung, keine Ladung

Die Regelung ist so flink wie möglich, aber berücksichtigt nicht die bei Betrieb an einer 24 V Batterie teils groben Abweichungen eines Hoymiles-Geräts von großen Limit-Sollwerten.

Geht man davon aus, dass ein SSG mit Hoymiles-Wechselrichter bereits vorhanden ist und angesichts dessen, dass für ein SSG eine Nenn-Speicherkapazität von 1,28 kWh ausreichend ist, ergeben sich (Stand März 2024) bei günstigem Einkauf in etwa folgende Kosten:

  • LiFePO4-Batterie 25,6 V 50 Ah mit BMS: 200€
  • Victron MPPT Laderegler: je nach Variante ca. 70€
  • Shelly 3EM: 80€
  • ESP32-Mikrocontroller plus passendes WLAN-Modul, fertig konfektioniert: 30€
  • Heizmatte mit Thermostat: 20€
  • Kleinteile wie Kabel und Stecker: 20€

Das ergibt in Summe 420€. Wie oben ausgeführt, lassen für ein Balkonkraftwerk in einem Durchschnittshaushalt mit effektiv 1 kWh Speicherkapazität etwa 200 kWh zusätzlicher Eigenverbrauch pro Jahr erzielen, was ungefähr 60€ entspricht. Damit amortisiert sich diese Speicherlösung in etwa 7 Jahren.

Weiteres Beispiel für DC-gekoppelten Speicher

Siehe hier im Abschnitt ‘Beispiele’.

Ladung des Stromspeichers

Das Laden der Batterie erfolgt am besten möglichst direkt aus der PV-Anlage über einen Solar-Laderegler. Dies nennt man DC-Kopplung, weil der Gleichstrom der PV-Module nicht umständlich und mit Zusatz-Verlusten zwischendurch in Wechselstrom und dann wieder zurück gewandelt wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Speicher auch bei Stromausfall mit PV-Strom geladen werden kann, was (in Zusammenhang mit einem Inselwechselrichter) zu Verlängerung der Notstromfähigkeit führt. Dem steht der Nachteil gegenüber, dass relativ dicke Gleichstromkabel bis zum Standort des Speichers geführt werden müssen.

Um eine DC-Verkabelung ins Haus zu vermeiden, kann man Laderegler, Speicher und Wechselrichter auch draußen (z.B. auf dem Balkon oder in einem Schuppen) platzieren. Damit die Anlage dann auch bei Minustemperaturen nutzbar ist, wo Lithium-basierte Batterien nicht geladen werden sollten, kann man den Speicher mit einer Heizung versehen und gegen Kälte isolieren. Dafür bietet sich Wärmematte mit Thermostat an, welche es auch schon für 15€ gibt. Die Heizmatte braucht nur dann aktiv sein, wenn bei unter 0°C die Sonne scheint.

Kommerzielle DC-gekoppelte Lösungen für kleine PV-Anlagen wie Balkonkraftwerke sind leider allesamt nicht rentabel. Mit etwas Eigenarbeit lässt sich aber mit Hilfe von OpenDTU-OnBattery und einem Victron-Laderegler eine günstige und effiziente Lösung zusammenbauen.

Bei AC-Kopplung hingegen wird der PV-Strom zunächst ins Wechselstromnetz eingespeist, so dass die Ladung (an einem beliebigen Ort, meist im Haus) mit einem 230 V-Ladegerät geschieht, wobei man zur Entladung einen zweiten (Batterie-)Wechselrichter benötigt. Ihr besonderer Vorteil ist eine große Flexibilität bei der Wahl der Komponenten, auch bzgl. eines späteren Ausbaus und der Betriebsspannung der Komponenten, weil die Batteriespannung von der Systemspannung der PV-Anlage unabhängig ist. Außerdem kann man den Speicher bei Bedarf (z.B. wenn er zu leer geworden ist oder zu Testzwecken) auch unabhängig von der PV-Anlage mit Netzstrom laden.
Eine AC-Kopplung ist im Allgemeinen aber nicht sehr zu empfehlen, weil sie recht umständlich ist und einen schlechten Wirkungsgrad hat: etwa 75 bis 80%.

Für eine kleine Anlage kann man zur AC-Kopplung wie in diesem Video beschrieben ein regelbares Netzteil wie den MeanWell HLG-600H-30AB LED-Treiber verwenden und über einen Shelly Plus 0-10V Dimmer) und geeignete Software so steuern, dass PV-Überschuss in die Batterie geladen wird.

Bild: MeanWell_HLG-600H-36AB-im_Schaltkasten.jpg Die Steuerung kann auch über einen Mikrocontroller erfolgen, der ein PWM-Signal erzeugt, das dann in ein 0-10 V Analogsignal gewandelt wird, wie in diesem Vorgänger-Video erklärt.

Manche verwenden zu diesem Zweck ein Meanwell NPB Batterieladegerät, welches über sein CAN-Bus-Interface verfügt und über einen Trucki2MeanWell Gateway (T2MG) Stick gesteuert werden kann. Allerdings sind als Ladestrom offenbar nur 50-100% des Nennstroms einstellbar. Außerdem wird jede Änderung normalerweise ins interne EEPROM gespeichert, was bei sehr vielen Schreibzugriffen das Gerät beschädigen würde, weshalb man ihre Frequenz z.B. auf 30 Sekunden einschränken sollte — bzw. bei Modellen ab 2024 kann man diese Schreibfunktion wohl abschalten.

Wie im Abschnitt über Regelungsstrategien beschrieben, sollte die Aufladung der Batterie zu jeder Zeit nur in dem Maße erfolgen, wie der PV-Strom gerade nicht anderweitig direkt genutzt werden kann (Lastvorrang). Das optimiert die Speichernutzung in mehrfacher Hinsicht:

  • Eine Speicherung ist im Vergleich zur direkten Nutzung immer mit zusätzlichen Verlusten verbunden.
  • Je intensiver eine Batterie genutzt wird, desto schneller sinkt ihre Kapazität — daher sollte die Zahl der Lade-/Entladezyklen nicht unnötig groß sein.
  • Je voller der Strompuffer ist, desto größer die Wahrscheinlichkeit, dass er keine zusätzliche Ladung mehr aufnehmen kann und der Überschuss verloren geht.

Der Lastvorrang bringt für die Effizienz fast so viel wie eine optimale lastabhängige Entnahme aus der Batterie.

Konstanteinspeisung

In diesem und dem folgenden Abschnitt werden für die Entnahme von Energie aus einem Stromspeicher verschiedene Strategien und mögliche Umsetzungen mit einem Netzwechselrichter behandelt.

Die einfachsten Anlagen verwenden eine Konstanteinspeisung, wobei der Netzwechselrichter immer die gleiche Leistung abgibt. Eine zeitgesteuerte Variante wird Nachteinspeisung genannt.

Anlagen mit Konstanteinspeisung, bei der die PV-Erzeugung nur in den Speicher geleitet wird (also ohne Überschussableitung oder eine deutlich aufwendigere lastabhängige Batterie-Regelung), bringen selbst bei optimierter Wahl der Entnahmeleistung sehr wenig, weil bei voller Batterie relativ viel überschüssige Energie verloren geht. Eine höhere konstante Entnahmeleistung oder eine Überschussableitung verringert zwar den Komplettverlust des Überschusses, führt aber dazu, dass mehr Energie im Haushalt nicht genutzt und stattdessen ins externe Netz abgegeben wird.

Bei einer Konstanteinspeisung sollte man die Einspeiseleistung so einstellen, dass sie sicher unter der Minimallast bleibt und anderseits so hoch ist, dass man die gespeicherte Energie auch bis zum nächsten Laden verbraucht. Auch sollte man irgendwie dafür sorgen, dass maximal so viel geladen wird, wie gerade tatsächlich an PV-Überschuss vorliegt (also die aktuelle Erzeugung größer als der Verbrauch ist), aber auch nicht zu wenig geladen wird, so dass der Speicher am Ende des Tages möglichst voll ist. Je größer die Speicherkapazität im Vergleich zum Verbrauch und zur Erzeugung, desto schwieriger ist das ohne lastabhängige Regelung hinzubekommen.
Viele scheitern schon an der Bestimmung der Minimallast, den diese ist geringer als etwa die (leichter bestimmbare) Durchschnittslast in der Nacht. Wer die Konstanteinspeisung auf die nächtliche Durchschnittslast einstellt, verschenkt über die meiste Zeit, wo periodisch laufende Geräte wie Kühlschränke nicht laufen, mehr oder weniger teurer gespeicherten Strom.

Wenn die o.g. Balkonanlage mit 1 kWh Pufferspeicher nur eine Konstanteinspeisung verwendet (wobei hier eine Entladeleistung von nur 40 W optimal ist), ergibt sich mit der optimalen Ladestrategie eine Steigerung des Jahres-Eigenverbrauchs durch die Speichernutzung um immerhin 115 kWh auf 575 kWh. Das sind allerdings 65 kWh weniger als wenn auch die Entladung lastoptimiert wäre, weil 66 kWh nicht genutzt und ins externe Netz abgeführt werden.
Eine Erhöhung der nutzbaren Speicherkapazität auf 2 kWh brächte nur 10 kWh mehr.

Die hier aufgeführten Entnahme-Varianten geben keinen Lastvorrang, sondern führen den erzeugten Solarstrom vorzugsweise in die Batterie. Das ist natürlich am einfachsten, hat aber den großen Nachteil, dass zu den Zeiten, wo die Batterie voll ist, viel PV-Energie verloren geht — etwa an sonnenreichen Tagen am Nachmittag, wenn die Solarleistung relativ groß ist im Vergleich zur Batteriekapazität bzw. dem Verbrauch durch die Grundlast.

Wenn die Anlage eine Konstanteinspeisung hat und den PV-Strom nur auf diese Weise nutzt, ergibt sich Folgendes: Selbst bei optimierter Entnahmeleistung (in diesem Fall 180 W) bringt die Batteriepufferung fast nichts: der Eigenverbrauch steigt durch Speichernutzung gerade mal um 29 kWh auf 489 kWh. Das liegt hier vor Allem an einer Netzeinspeisung von 74 kWh und am Verlust durch Überlauf von 29 kWh, außerdem an Lade- und Speicherverlusten von 38 + 30 kWh bei 631 Vollzyklen.
Eine Erhöhung der nutzbaren Kapazität auf 2 kWh brächte immerhin einen Eigenverbrauch von 532 kWh bei einer dann optimalen Konstanteinspeisung von 125 W.

Man kann bei Konstanteinspeisung mit einer zusätzlichen Überschussableitung (Bypass) dafür sorgen, dass bei vollem Speicher der Solarstrom an der Batterie vorbei geleitet wird (und zwar möglichst in den Netzwechselrichter, der auch zur Ausspeisung aus der Batterie verwendet wird). In diesem Fall sind für die Konstanteinspeisung etwa 100 W Entnahme optimal, und der Eigenverbrauch steigt durch die Speichernutzung ein wenig mehr, nämlich um 54 kWh auf 514 kWh.
Eine Erhöhung der nutzbaren Kapazität auf 2 kWh brächte einen Eigenverbrauch von 539 kWh, wobei die optimale Leistung der Konstanteinspeisung hier bei 110 W liegt.

Das Signal für die Überschussableitung wird wohl am besten vom Laderegler kommen (z.B. optisch über die Ladekontrollleuchte). Es kann aber auch von der Batteriespannung abhängig gemacht werden, wobei dann auch (meist ohne Probleme) vorkommen kann, dass Laderegler und Wechselrichter gleichzeitig aktiv sind.

Wenn man schon einen Solar-Wechselrichter hat und diesen für eine ganz einfache Netzeinspeisung verwenden möchte, könnte es schon genügen, ihn (über eine Sicherung und wenn nötig eine gesonderte automatische Unterspannungsabschaltung) mit der Batterie zu verbinden und nach Bedarf über einen Schalter zu steuern — natürlich nur, wenn die Batteriespannung im Eingangsspannungsbereich des Wechselrichters liegt und es passt, ihn mit seiner vollen oder fest limitierten Leistung zu betreiben. Dazu kann man beispielsweise einen auf 300 W begrenzten PV-Eingang nutzen oder die Drosselung konfigurieren, wie man es z.B. beim Deye selbst machen oder vom Kundendienst (Mail an service@deye.com.cn) programmieren lassen kann.

Bild: Netzwechselrichter aus Batterie gespeist Etwas besser ist allerdings, die Einspeisung manuell regelbar zu gestalten. Dazu bietet sich ein Netzwechselrichter wie von Soyosource bzw. PMSUN an, der für die Verwendung an einer Batterie als Quelle ausgelegt ist und dessen Ausgangsleistung innerhalb gewisser Grenzen einstellbar ist.

Wer zudem bereits eine Powerstation hat, kann zwischen ihren Wechselstrom-Ausgang und den Netzwechselrichter ein regelbares Netzteil hängen, wie von Andreas Schmitz vorgeschlagen, was allerdings zu Zusatz-Verlusten durch Hin- und Her-Wandlung des Stroms führt.

Man kann auch einen normalen Solar-Wechselrichter verwenden und ihm einen günstigen Gleichspannungswandler mit regelbarer Strombegrenzung (engl. limiter) vorschalten. Allerdings passiert es dann leicht, dass sich die Regelungen der beiden Geräte ins Gehege kommen. Daher stellt man die Eingangsspannung für den Wechselrichter besser etwas unterhalb des MPPT-Regelungsbereichs ein, aber (zumindest anfangs) oberhalb seiner Anlaufspannung. Außerdem kann es sein, dass der Wechselrichter versucht, stets seine maximale Ausgangsleistung zu liefern, was bei eher geringer Eingangsspannung zu einem entsprechend hohen Eingangsstrom führt, der auch über der Stärke liegen kann, die das Gerät über längere Zeit verträgt. Daher und aus Effizienzgründen ist es zu empfehlen, einen Wechselrichter zu wählen, der direkt elektronisch regelbar ist, und das lastabhängig zu machen.

Bild: Balkonkraftwerk mit Speicher - PV&E Auf jeden Fall muss für die Situation, dass die Batterieladung zur Neige geht (bei LiFePO4 spätestens bei 90% Entladung) eine automatische Abschaltung vorhanden sein, damit die Batterie nicht durch Tiefentladung geschädigt wird. Wenn für den Notfall stets eine gewisse Strommenge zur Verfügung bleiben soll, muss die Abschaltung schon entsprechend früher erfolgen.

Wenn der Solar-Laderegler einen Lastausgang mit einstellbarer Schutzabschaltung hat, wie z.B. der Victron BlueSolar, kann man ihn so verwenden, wie Tobias Volk (PV&E) in diesem schönen Video zeigt. Zudem kann dessen Straßenlichtfunktion für die zeitliche Steuerung genutzt werden.

Eine Konstanteinspeisung auch noch zeitlich z.B. auf 18 Uhr abends bis 6 Uhr morgens einzuschränken (also eine Nachteinspeisung) erweist sich aber als völlig kontraproduktiv, weil der Speicher dann sehr oft und schnell überläuft und damit massiv Energie verschwendet wird. Es ergibt sich für die o.g. Anlage selbst bei einer optimierten Entnahmeleistung von 80 W dann nur noch ein Eigenverbrauch von 269 kWh, also im Vergleich zur Basis-Anlage ohne Speicher eine Verringerung um 190 kWh!
Durch Erhöhung der nutzbaren Speicherkapazität auf 2 kWh lassen sich zwar immerhin 398 kWh Eigenverbrauch erreichen, aber auch dann bleibt der Ansatz kontraproduktiv.

Eine zusätzliche Überschussableitung bringt das Ergebnis zwar wieder ins Positive, so dass sich bei dann optimaler Entnahmeleistung von 75 W ein Gewinn an Eigenverbrauch von 33 kWh auf 493 kWh ergibt, aber lohnenswert ist das nicht, denn auch dann fällt der Gewinn immer nach geringer aus als ohne Einschränkung auf die Nachtstunden (wo der Gewinn 54 kWh beträgt).
Eine Erhöhung der nutzbaren Kapazität auf 2 kWh brächte beim Eigenverbrauch nur 10 kWh mehr.

Bild: Balkonkraftwerk mit Speicher - Solaranlage Um die Einspeisung automatisch in Abhängigkeit vom Ladezustand der Batterie ein- und auszuschalten, kann man auch einen recht simplen programmierbaren Batteriespannungswächter verwenden, wie im Video von Dimitri gezeigt.

Der Spannungswächter wird so eingestellt, dass er beim Erreichen einer Batteriespannung, die z.B. annähernd einer Vollladung entspricht, den Wechselrichter einschaltet und z.B. in der Nähe der Batterie-Entladeschlussspannung diesen wieder ausschaltet.

Wie oben ausgeführt haben allerdings Anlagen mit Konstanteinspeisung wie die gerade erwähnten Bastellösungen von Tobias Volk (PV&E) und von Dimitri selbst mit zusätzlicher Überschussableitung eine miserable Rentabilität.

Lastgeregelte Einspeisung

Deutlich effizienter als eine Konstanteinspeisung ist es, das Ausspeisen aus einer Speicherbatterie ins Wechselstromnetz lastabhängig zu machen und damit eine Nulleinspeisung zu realisieren.

Bild: Y&H Sun-1000 GTIL Netzwechselrichter mit Limiter.png Ein Netzwechselrichter mit eingebauter lastbasierter Strom-Begrenzungs-Regelung, engl. Grid Tie Inverter with Limiter (GTIL) wie der Sun GTIL von Y&H oder ein ähnliches Gerät von Soyosource ermöglicht eine einphasige Nulleinspeisung ohne Basteln und Programmieren. Man muss nur den Limiter-Sensor im Unterverteiler (Sicherungskasten) an der Phase anbringen, über die die Einspeisung laufen soll. Dann lässt sich der Wechselrichter so einstellen, dass er maximal so viel einspeist wie zum Ausgleich der aktuellen Last auf dieser Phase benötigt wird, wie von Dimitri vorgeführt. Für dreiphasige Anwendung ist gedacht, je Phase ein solches Gerät einzusetzen, was sich eher nur für größere Anlagen lohnt. Man kann sich aber auch einen 3-Phasen-Sensor für ein Gerät zusammenstricken, etwa wie hier beschrieben.

Am Elegantesten und Flexibelsten, aber deutlich aufwendiger ist es, einen per Software regelbaren Netzwechselrichter zu verwenden. Wenn in die Regelung ein elektronisch auslesbarer möglichst dreiphasiger Lastsensor eingebunden wird, lässt sich die Einspeisung abhängig vom aktuellen Stromverbrauch (mit einer gewissen Verzögerung) etwa über OpenDTU-OnBattery so regeln, dass eine Nulleinspeisung erreicht wird. Mehr zum Thema Automatisierungssoftware im Abschnitt zur Implementierung einer Speicher-Regelung.

Bild: Balkonsolar mit Akku - AkkuDoktor Eine Möglichkeit wäre, vor einen Netzwechselrichter einen elektronisch regelbaren DC-DC-Wandler zu hängen, z.B. den Joy-IT DPM8616, wobei die Regelung den aktuellen Verbrauch über einen „Volkszähler“ mitgeteilt bekommt, wie in einem Video von Andreas Schmitz vorgeführt, aber das diente eigentlich nur Demonstration der Idee.

Inzwischen recht weit verbreitet ist, einen Hoymiles Wechselrichter zu verwenden und über sein DTU-Interface (Datenübertragungseinheit, engl. data transfer unit oder allgemein telemetry gateway) die nicht-permanente Limitierung seiner Ausgangsleistung zu regeln. Hierbei ist es wichtig, nicht die permanente Limitierung zu verwenden, weil das mit der Zeit den dafür intern verwendenten Flash-Speicher schädigen würde.

Bild: DTUs im Weckglas An einem Netzwechselrichter der Hoymiles HM-Serie und für manche TSUN-Geräte kann man statt der proprietären DTU von Hoymiles, welche relativ teuer ist und selbst in der eingeschränkten WLite-Variante mindestens 35€ kostet, die offene Bastel-Lösung OpenDTU bzw. AhoyDTU verwenden. Für beide Varianten gibt es schöne Anleitungen wie diese und hilfreiche Videos auf YouTube wie dieses. Wer nicht selbst die Elektronik zusammenlöten kann oder will, findet z.B. auf eBay-Kleinanzeigen Bild: Hardware für OpenDTU auch betriebsfertige Geräte ab 30€, Bausätze ab 20€. Man kann sie sowohl zum Auslesen der PV-Ertrags- und Geräte- Daten als auch zum Steuern des Wechselrichters verwenden.

Leider ist die Reaktionszeit eines Hoymiles-Wechselrichters auf Änderungen des (relativen oder absoluten) Limits recht lang und auch noch sehr ungleichmäßig: er braucht meist etwa 5 bis 10, teils aber auch über 20 Sekunden, um den eingestellten Wert (hoffentlich) zu erreichen. Und wenn man zu schnell (z.B. nach 3 Sekunden) wieder neue Limit-Werte setzt, verhält er sich teils chaotisch. So ist durch seine Trägheit keine sehr flinke und exakte Regelung möglich.
Zudem kommt es an einer 24 V Batterie zu Problemen mit der Limitierung, die am Ende des Abschnitts zum Betrieb an einer Batterie beschrieben sind.

Bild: ESP und RS485 für Soyosource Eine alternative Lösung mit dreiphasiger Lastmessung ermöglicht der Soyosource 1200 in der Variante mit Limiter, wobei der mitgelieferte einphasige Lastsensor hier nicht verwendet wird. Stattdessen wird ein ESP8266 Mikrocontroller an einem RS485-Adapter zur Steuerung mit einer fertigen Software verwendet, wobei er die Lastinformation per WLAN von einem Shelly (Pro) 3EM erhält.

Ohne eigene Programmierung und Gebastel kommt man mit dem Tentek Tribune EMS aus.