Bewertung der Performance des Energiemanagements von Heimspeichersystemen

Elektrische Energiespeicher, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, können in Verbindung mit erneuer-baren Energien einen entscheidenden Beitrag zur Strombereitstellung und zur Erreichung der Ziele der Energiewende leisten. Durch die Preisentwicklung im Heimspeichermarkt sowie die Weiterent-wicklung stationärer Speichersysteme gibt es bereits Systeme, deren Einsatz in Verbindung mit Pho-tovoltaikanlagen in Deutschland wirtschaftlicher sein kann als der reine Netzbezug. Einen erhebli-chen Einfluss auf die Speicherkosten haben nicht nur die Anschaffungskosten, sondern auch die Qua-lität bzw. die Performance des Speichersystems im Betrieb. Die Performance der Speicher-systeme wird zum einen durch die Effizienz der Systeme und die damit verbundenen Verluste (Wir-kungsgradverluste der Leistungselektronik und der Batterie, Standby-Verbrauch und Maximum Power Point Tracking Verluste) und zum anderen durch die Qualität des Energiemanagements des PV-Spei-chersystems beeinflusst. Die Grundfunktion des Energiemanagements ist die Erhöhung des Eigen-verbrauchs des Anlagenbetreibers. Um jedoch die Wirtschaftlichkeit des PV-Speichersystems zu erhö-hen, spielt dessen zusätzliche Intelligenz eine entscheidende Rolle. ... mehrLi-Ionen Batterien mit Zellchemien wie NMC, LFP und NCA altern schneller, wenn ihr Ladezustand (SOC) hoch ist. Überschüssige Energie sollte somit an sonnigen Tagen nicht gleich zu Beginn des Tages in der Batterie gespeichert werden, da dies dazu führen kann, dass diese lange Zeit bei hohem SOC verweilt.
Dies spielt auch beim Vorhandensein einer maximalen Einspeiseleistung eine entscheidende Rolle, da sonst die Batterie zur Mittagszeit bereits vollgeladen ist. Überschüssige Energie kann dann nicht mehr aufgenommen werden und muss abgeregelt werden. Zu Beginn des Jahres 2025 wurde in Deutschland wieder eine Einspeisebegrenzung beschlossen, welche bei 60 % der installierten PV-Leistung liegt. Da die Versuche zu diesem Beitrag beierts in 2023 und 2024 geplant und durchgeführt wurden, wird in diesem Beitrag eine Begrenzung auf 50 % untersucht.
Der Betrieb des Wechselrichters oder DCDC-Stellers des Speichersystems im Teillastbetrieb führt in der Regel zu einem geringeren Wirkungsgrad als bei optimaler Auslastung. An allen Tagen, an denen mehr Energie zum Laden der Batterie zur Verfügung steht, als in der Batterie gespeichert werden kann, stellt sich die Frage, inwieweit die Batterie auch mit höherer bzw. optimaler Leistung geladen werden kann, um den Wirkungsgrad des Batteriewechselrichters beim Laden zu erhöhen.
In den vergangenen Jahren haben sich bereits verschiedene Forschungsgruppen mit der Analyse und Optimierung des Energiemanagements von PV-Batteriesystemen befasst. In verschie-denen Simulationsstudien konnte gezeigt werden, dass Speichersysteme mit Hilfe eines modellprädik-tiven Energiemanagements und unter Einbeziehung von Last- und PV-Prognosen die abregelungsbe-dingten Effizienzeinbußen verringern können. In einigen Arbeiten werden darüber hinaus modellprädiktive Optimierungsverfahren vorgestellt, die zur Erhöhung der Bat-terielebensdauer beitragen.
Der einzige bekannte vergleichende Bewertung des Energiemanagements anhand von realen Betriebsdaten von Heimspeichersystemen stammt von Munzke et al. und legt den Fokus hauptsächlich auf die Bewertung der kalendarische Alterung. Eine umfassende Analyse des Energiemanagements von PV-Heimspeichersystemen, welche alle drei oben genannten Aspekte berücksichtigt und Tests an Realsystemen miteinschließt, ist den Autoren nicht bekannt. Auch ist aus der Literatur keine Methodik bekannt, mit der die Ladestrategie der Systeme im Betrieb validiert werden kann. In diesem Kurzbeitrag wird der Fokus auf die Kappung der Mittagspitze und eine mögliche Effizienzerhöhung beim Laden gelegt.