Speichern Photovoltaik-Anlagen nachts Strom?
Photovoltaikanlagen erzeugen nachts keinen Strom, da sie auf direkte Sonneneinstrahlung angewiesen sind. Zur Steigerung des Eigenverbrauchs empfiehlt sich eine Anpassung des Stromnutzungsverhaltens. Ein PV-Speicher ermöglicht die Nutzung des tagsüber erzeugten Stroms auch in der Nacht.
Das Wichtigste in Kürze
- Photovoltaikanlagen erzeugen nur bei Sonneneinstrahlung Strom – nachts nicht.
- Batteriespeicher ermöglichen die Nutzung des tagsüber erzeugten Solarstroms auch nachts.
- Die Ausrichtung der PV-Anlage beeinflusst die Stromproduktion und den Eigenverbrauch.
- Lithium-Ionen- und Lithium-Eisenphosphat-Batterien sind die gängigsten und effizientesten Speicherlösungen.
- Notstromfähige Speicher bieten auch bei Stromausfall Versorgungssicherheit.
- Die richtige Speichergröße hängt vom Stromverbrauch und zusätzlichen Geräten wie Wärmepumpe oder Elektroauto ab.
- Forschung zu Hybrid-Solarzellen und Thermophotovoltaik eröffnet neue Möglichkeiten für nächtliche Stromerzeugung.
- Die Kombination von PV-Anlage und Elektroheizung kann den Eigenverbrauch weiter steigern.
Tag- und Nachtbetrieb einer PV-Anlage mit Speicher
Wie lässt sich der Strom aus einer Photovoltaik Anlage über den Tag hinweg effizient nutzen? Lohnt sich eine Photovoltaikanlage und welche Vorteile bietet sie? Einerseits ist es wichtig, das eigene Verhalten anzupassen. Ideal ist es, stromintensive Geräte wie Waschmaschine und Geschirrspüler tagsüber bei Sonnenschein zu nutzen.
Andererseits ist es wichtig, die Photovoltaik Anlage richtig auszurichten und im optimalen Winkel zu installieren:
- Eine PV-Anlage, die nach Süden ausgerichtet ist, erzielt die höchsten Erträge, da sie das meiste Sonnenlicht einfängt. Besonders um die Mittagszeit, wenn die Sonne direkt über der Anlage steht, ist die Leistung am höchsten.
- Bei einer West-Ost-Ausrichtung hingegen werden die Module gleichmäßig über den Tag verteilt mit Sonnenlicht versorgt. Die Leistung ist morgens und abends höher als bei einer Südausrichtung. Diese Ausrichtung ist besonders vorteilhaft für Haushalte mit hohem Strombedarf am Morgen und Abend.
Nachts, wenn keine direkte Sonneneinstrahlung vorhanden ist, produziert die Photovoltaik Anlage keinen Strom.
In der Zukunft könnte Infrarotstrahlung zum Einsatz kommen. Dabei wird die Technologie umgekehrt genutzt. Die Solarzellen strahlen Infrarotlicht ab, das zur Kühlung der Zellen beiträgt und nebenbei kleine Mengen Strom erzeugt.
Speichersysteme für Solarstrom
Batteriespeicher bieten eine effektive Möglichkeit, Solarstrom für die Abend- und Nachtstunden bereitzustellen. Sie speichern den tagsüber überschüssig produzierten Strom ab. Bei Bedarf wird der Batteriespeicher entladen. Dadurch wird ein höherer Eigenverbrauch erzielt und weniger Strom aus dem Netz bezogen.
Zusätzlich steht bei notstromfähigen Batteriespeichern auch während eines Stromausfalls Strom zur Verfügung. Beim Kauf eines Stromspeichers sollte geklärt werden, ob eine einfache Notstromdose oder eine umfassende Notstromversorgung benötigt wird. Eine Notstromversorgung sorgt dafür, dass die Anlage während eines Stromausfalls weiterläuft und Strom erzeugen und speichern kann.
Wie funktionieren Batteriespeicher?
Batteriespeicher sind stationäre Energiespeicher auf der Basis von Akkumulatoren. Ein Batteriespeicher setzt sich aus mehreren Batteriezellen zusammen, die in Modulen organisiert und zu einem Gesamtsystem (Batteriesatz) verbunden sind. Am weitesten verbreitet sind Lithium-Batterien, daneben existieren auch Varianten wie Bleibatterien.
Die wichtigsten Kenngrößen von Batteriespeichern sind die Leistung (Watt) und die Speicherkapazität (Wattstunden).
Lithium-Ionen-Batteriespeicher
Lithium-Ionen-Akkus sind die in jüngster Zeit am häufigsten eingesetzten Batteriespeicher. Sie zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte und einen hohen Wirkungsgrad aus. Aktuelle Modelle verfügen über integrierte Schutzmechanismen gegen Überladung und Überhitzung.
Lithium-Ionen-Speicher haben je nach Einsatz eine Lebensdauer von ca. 10-20 Jahren. Aufgrund des technologischen Fortschritts und der steigenden Nachfrage sind die Akkus mittlerweile preiswerter als noch vor ein paar Jahren.
Lithium-Eisenphosphat-Batteriespeicher
Da Lithium-Eisenphosphat-Batteriespeicher eine geringere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien haben, sind sie etwas schwerer. Ein wesentlicher Vorteil liegt in ihrer Robustheit gegenüber mechanischen und thermischen Belastungen. Ihre Lebensdauer ist sehr gut und sie können auch bei Teilladung ihre volle Leistung erbringen.
Blei-Akkus
Bleiakkumulatoren wurden bereits Ende des 19. Jahrhunderts erfunden und gehören heute zu den ältesten Speichertechnologien.
Sie haben einen geringeren Wirkungsgrad als Lithium-Ionen-Batterien, waren aber schon immer billiger. Wegen der Knallgasentwicklung beim Entladen müssen Blei-Säure-Akkus in gut belüfteten Bereichen installiert werden.
In Zukunft könnte z.B. das eigene Elektroauto als Batteriespeicher dienen (bidirektionales Laden). Außerdem wird daran geforscht, gebrauchten Akkus von E-Autos weiterzuverwenden. Diese Akkus haben noch immer eine Kapazität von 70 bis 80 Prozent und wären durchaus als Batteriespeicher einsetzbar. Damit wären die Batteriespeicher günstiger als neue und vor allem im Sinne der Kreislaufwirtschaft wiederverwertet.
Wie groß ist ein Batteriespeicher?
Die optimale Größe eines Batteriespeichers richtet sich nach dem individuellen Stromverbrauch im Haushalt. Wird vor allem abends und in den Nachtstunden Strom verbraucht, lohnt sich die Anschaffung eines größeren Speichers. Kommt eine Wärmepumpe zum Einsatz oder wird das Elektroauto zusätzlich über die Photovoltaik Anlage geladen, lohnt sich in der Regel ebenfalls ein größerer Speicher.
Die nutzbare Speicherkapazität sollte maximal 1,5 kWh pro 1 kWp PV-Leistung und maximal 1,5 kWh pro 1000 kWh/a Stromverbrauch betragen. Eine PV-Anlage mit einer Nennleistung von 5 kW produziert 5.000 kWh Strom pro Jahr. Soll diese Anlage mit einem Speicher ausgestattet werden, sollte dieser eine Größe zwischen 5 kW und 9,5 kW haben.
Batteriespeicher für Privathaushalte gibt es in verschiedenen Abstufungen bis 20 kW. Speicher für Unternehmen gibt es auch im Megawattbereich.
Ist der Speicher zu klein, steigt die Abhängigkeit vom öffentlichen Stromnetz. Ein zu großer Speicher hingegen wird nicht effizient genutzt.
Vorteile einer Photovoltaik Anlage mit Speicher
Mit einem Batteriespeicher kann überschüssig erzeugter Strom gespeichert und nachts genutzt werden. Der Speicher kann rund um die Uhr genutzt werden, z.B. wenn an einem Tag keine Sonne scheint. Selbst bei ungünstigen Wetterbedingungen erhöht ein Speicher die energetische Autonomie.
Die Eigenverbrauchsquote lässt sich mit einem Speicher auf bis zu 70 % steigern. Dies macht unabhängiger von Energieversorgern. Darüber hinaus ist der selbst erzeugte Strom vom Hausdach umweltfreundlich und trägt maßgeblich zur Energiewende bei.
Herausforderungen bei der nächtlichen Nutzung von Solarstrom
Obwohl Batteriespeicher die Eigennutzung erhöhen, stoßen sie an ihre Grenzen. Die Speicherkapazität von Batteriespeichern ist technisch begrenzt. Außerdem entstehen Energieverluste beim Laden und Entladen der Batterie.
Leider sind Speicherlösungen relativ teuer. Allerdings können ständig eingeschaltete Geräte wie z.B. Kühlschrank, Gefriertruhe, Heizung, Beleuchtung sehr gut versorgt werden. Ein Stromspeicher mit 5 kWh reicht aus, um eine Waschmaschine abends über mehrere Stunden zu betreiben.
Wie funktioniert eine Photovoltaik Anlage?
Eine Photovoltaik Anlage besteht aus mehreren Komponenten wie Solarmodulen, einem Wechselrichter, einem Zähler und gegebenenfalls einem Batteriespeicher.
Solarmodule wandeln Sonnenlicht in Gleichstrom um. Ein Wechselrichter konvertiert den Gleichstrom in haushaltsüblichen Wechselstrom. Dieser kann dann direkt im Haushalt genutzt oder ins Netz eingespeist werden.
Wird zusätzlich ein Batteriespeicher angeschlossen, kann der überschüssige Strom für später, z.B. für die Abendstunden, gespeichert werden.
Photovoltaik Anlage mit Elektroheizung kombinieren
Ist eine Photovoltaik Anlage installiert, stellt sich in der Regel die Frage, wie der Eigenverbrauch optimiert werden kann. Dabei taucht immer wieder die Frage auf, ob mit einer Photovoltaik Anlage auch geheizt werden kann.
Wärmepumpe
Am effizientesten ist es, eine Wärmepumpe mit dem Strom aus der Photovoltaikanlage zu betreiben. Wärmepumpen sind sehr effizient, einige Modelle können im Sommer auch kühlen.
Heizstab
Eine weitere Möglichkeit ist, den Überschuss der Photovoltaik Anlage für den Heizstab im Warmwasserspeicher zu nutzen. Der Heizstab erwärmt das Warmwasser im Speicher und senkt so die Kosten für die Warmwassererwärmung.
Elektrische Heizung
Der Strom aus der Photovoltaik Anlage kann auch für Konvektoren oder eine Infrarotheizung verwendet werden. Elektroheizungen lassen sich unkompliziert installieren, verbrauchen jedoch viel Strom. Infrarotheizungen gelten als stromsparende Alternative zu klassischen Elektroheizungen.
Forschung und Entwicklung
Solarzellen sind ein zentraler Bestandteil für die Energiewende. Deshalb wird intensiv daran geforscht, wie sie noch effizienter werden – besonders mit Blick auf die Frage: Wie kann auch nachts Strom erzeugt werden? Die Erträge sind bei den folgenden Technologien noch sehr gering und deren technische Reife noch nicht weit entwickelt, weshalb diese Module noch nicht zum Einsatz kommen:
Hybride Solarzellen mit Energiespeicherung
Eine Lösung sind sogenannte Hybrid-Solarzellen. Sie bestehen aus normalen Solarzellen, die zusätzlich eine spezielle Speicherschicht enthalten – die sogenannte MOST-Schicht (Molecular Solar Thermal Energy Storage).
- Tagsüber speichert diese Schicht Sonnenenergie in chemischer Form durch die Änderung der Gestalt von Molekülen.
- Nachts wird die gespeicherte Energie wieder freigesetzt und in Strom umgewandelt.
Strom aus Infrarotstrahlung
Auch nachts gibt die Erde Wärmestrahlung (Infrarotlicht) ab, weil sie sich tagsüber aufgeheizt hat. Thermophotovoltaik-Zellen, z. B. aus dem Material HgCdTe (Quecksilber-Cadmium-Tellurid), können diese Strahlung aufnehmen und daraus Strom erzeugen – ganz ohne Sonnenlicht.
Strom durch Temperaturunterschiede
Ein weiterer Ansatz nutzt den Unterschied zwischen warmer Luft und kühler Solarzellen-Oberfläche in der Nacht. Tagsüber heizt sich das Solarmodul auf bis zu 65°C auf. Nachts kühlt es ab, während die Luft noch wärmer ist.
Ein thermoelektrischer Generator wandelt diesen Temperaturunterschied mithilfe des Seebeck-Effekts in Strom um. Dieser Effekt beschreibt, dass Strom fließt, wenn zwei verschiedene Metalle miteinander verbunden sind und zwischen ihnen ein Temperaturunterschied besteht.
Hybride Solarthermie-Photovoltaik-Kraftwerke
In Zukunft könnten hybride Solarthermie-PV-Kraftwerke dabei helfen, Strom zu speichern. Sie kombinieren zwei Arten der Sonnenenergienutzung:
- Photovoltaik (PV): Tagsüber erzeugen Solarmodule Strom direkt aus Sonnenlicht.
- Solarthermie: Spiegel bündeln Sonnenstrahlen auf einen Punkt, um eine Flüssigkeit (z. B. spezielles Öl) zu erhitzen und die Wärme zu speichern.
Die gespeicherte Wärme lässt sich bei geringer Sonneneinstrahlung oder nachts zur Stromerzeugung über Dampfturbinen verwenden. Wegen der hohen Kosten sind solche Anlagen bislang nur vereinzelt realisiert worden.
Fazit
Photovoltaikanlagen erzeugen tagsüber Strom aus Sonnenlicht, können diesen aber nachts nicht speichern. Batteriespeicher sind eine sinnvolle Lösung, um den überschüssigen erzeugten Solarstrom zu speichern und ihn nachts oder bei Bedarf zu nutzen. Sie erhöhen den Eigenverbrauch und tragen zur Energiewende bei. Zukünftige Entwicklungen wie hybride Solarzellen, bidirektionales Laden mit Elektroautos oder die Nutzung von Infrarotstrahlung könnten die nächtliche Stromnutzung weiter verbessern.
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