Photovoltaik, bereits heute eine der zentralen Säulen der regenerativen Stromerzeugung, könnte in den nächsten Jahrzehnten zur wichtigsten Enerqiequelle weltweit avancieren – vor allen anderen regenerativen und fossilen Energiequellen. Hinsichtlich Anlagengröße und Installationsort ist die Technik äußerst flexibel einsetzbar, was für ein breites Spektrum von Anwendungsmöglichkeiten sorgt: von Heimspeichern über Virtuelle Kraftwerke bis hin zu Inselnetzen und Großanlagen. In allen Anwendungsfeldern spielen Batteriespeicher eine wichtige Rolle, mit Blick auf die Rentabilität der Photovoltaik-Anlagen ebenso wie in Sachen Netzdienlichkeit.

Relevanz dieses Anwendungsfeldes

Photovoltaik (PV) ist neben Windkraft die wichtigste regenerative Energiequelle weltweit. In Deutschland trug sie im Jahr 2020 rund 51 TWh oder 10,5 % zur Nettostromerzeugung bei. Bei einer installierten Leistung von knapp 54 GW betrug die maximal erzielte Leistung über 37 GW – das waren 56 % der gesamten Stromerzeugung zum betreffenden Zeitpunkt.¹ In der EU produzierten PV-Anlagen 2019 rund 132 TWh Strom,² weltweit waren es im selben Jahr 550 GWh.³ Die installierte Leistung belief sich Ende 2020 global auf über 700 GW.⁴ Seit 2015 ist PV die am schnellsten wachsende Technologie zur erneuerbaren Stromerzeugung weltweit. Der Schwerpunk der Neuinstallationen lag zuletzt in Asien (v. a. in China, Japan und Indien), wo sich die installierte Leistung in den vergangenen vier Jahren auf über 330 GW vervierfacht hat.^5,6

Das starke Wachstum des PV-Markts ist vor allem auf einen deutlichen Rückgang der spezifischen Anlagenpreise zurückzuführen. Neben den relativ geringen Investitions- und Stromgestehungskosten macht insbesondere auch die Flexibilität bei der Anlagengröße und beim Installationsort die PV zu einer attraktiven Option erneuerbarer Energieerzeugung. Allerdings ist die PV-Stromerzeugung naturgemäß fluktuierend: Hier überlagern sich regelmäßige tages- und jahreszeitliche Schwankungen mit unregelmäßigen, durch die Witterung bedingten Schwankungen. Der tageszeitliche Anteil an der Variabilität deckt sich relativ gut mit den Schwankungen auf Verbrauchsseite, der jahreszeitliche hingegen läuft ihm tendenziell entgegen. Auch die Fluktuation der Windstromerzeugung verhält sich ein Stück weit komplementär zur PV-Produktion. Gleichwohl bleibt für das Energiesystem die Herausforderung bestehen, eine fluktuierende PV-Stromerzeugung zu integrieren.

Einsatz von Batteriespeichern

PV-Anlagen lassen sich über eine große Bandbreite skalieren: von Mini-PV-Anlagen mit einer installierten Leistung von wenigen 100 W bis hin zu großen Solarparks, etwa dem Bhadla Solar Park in Indien mit 2,2 GW.⁷ In Deutschland entfielen im Jahr 2019 auf die Leistungsklasse bis 10 kW rund 61 % der PV-Anlagen mit 15 % der installierten Leistung, auf die Klasse 10-100 kW entfielen 36 % der Anlagen mit 34 % der Leistung und auf die Klasse 100-500 kW weitere 2 % der Anlagen mit 15 % der installierten Leistung. Das restliche 1 % der Anlagen mit einer Leistung von über 500 kW kam für 36 % der gesamten installierten Leistung auf.⁶ Die Gesamtzahl der Anlagen wird mit 2 Millionen beziffert.⁴

Kleinanlagen werden zunehmend mit einem Batteriespeicher („Heimspeicher") kombiniert. Auf diese Weise lässt sich der Eigenverbrauch des PV-Stroms steigern. Für den Eigentümer bedeutet dies eine Kostenersparnis, da seine Erzeugungs- und Speicherkosten inzwischen niedriger liegen als die Kosten eines Strombezugs über das Netz. Zugleich wird auf diese Weise das Stromnetz entlastet: Erzeugungs- und Lastspitzen können geglättet werden, die Menge des transportierten Stroms reduziert sich. Für PV-Strom, der sowohl den aktuellen Eigenverbrauch als auch die Speichermöglichkeiten übersteigt, existiert neuerdings eine weitere Nutzungsoption neben der – heute nur noch wenig lukrativen – Einspeisung ins öffentliche Netz: die Teilnahme an „virtuellen Kraftwerken". Dabei handelt es sich um Zusammenschlüsse von Energierzeugern, -verbrauchern und -speichern, die über ein gemeinsames Leitsystem koordiniert werden.⁸ Damit sollen Vorteile sowohl für die am Verbund beteiligten Akteure als auch für das Energiesystem realisiert werden. Bei den Energiespeichern spielen Batterien neben Power-to-Gas-Anlagen die zentrale Rolle.

Darüber hinaus ist PV die bedeutendste Energiequelle für Inselnetze. Rund 770 Millionen Menschen weltweit haben keinen Zugang zu elektrischer Energie, vor allem im ländlichen Afrika.⁹ Der Anschluss der betreffenden Regionen an das Verbundnetz wäre in vielen Fällen aufwendig und unrentabel. Inselnetze mit eigener Energieversorgung sind dann eine attraktive Alternative zur Elektrifizierung. Da Erzeugung und Verbrauch wegen der vergleichsweise geringen Anzahl von Akteuren beiderseits stark fluktuieren, sind Energiespeicher – meist in Form von Batterien – für den Betrieb von Inselnetzen unverzichtbar. Schließlich kommen Batteriespeicher auch in Kombination mit PV-Großkraftwerken zum Einsatz, wofür es weltweit bereits zahlreiche Beispiele gibt.¹⁰

Performance-Anforderungen

PV-Anlagen werden, unabhängig von ihrer Dimensionierung und Verortung, für relativ lange Zeiträume projektiert. Anlagenhersteller gewähren Leistungsgarantien von in der Regel 20-25 Jahren. Mindestens so lange sollen die PV-Anlage sowie eventuell zugehörige Batteriespeicher betrieben werden. Langlebigkeit ist daher eine zentrale Performance-Anforderung an die verwendeten Akkus.

Zudem müssen Batteriespeicher im Kontext von PV-Anlagen hohen Sicherheitsanforderungen genügen. Als Heimspeicher befinden sie sich in Wohngebäuden oder in deren unmittelbarer Nähe. Brand- und Explosions­gefahr sind daher unbedingt zu vermeiden. Bei Inselnetzen und Großanlagen sind die potenziellen materiellen und wirtschaftlichen Schäden von Brand- oder Explosions­ereignissen enorm – gerade auch über die eigentliche PV-Anlage hinaus.