Dezember 02, 2019
Batterie-Backup-Systeme in Verbindung mit Solaranlagen werden als die beste Lösung für Stromausfälle in Kalifornien angepriesen – ganz zu schweigen von unserem archaischen Stromnetz.
Nicht nur, dass diese Systeme ideal sind, um ein Haus mit Strom zu versorgen, wenn der Strom ausfällt, sie helfen auch dabei, die Stromkosten zu senken und das Stromnetz zu unterstützen, wenn es vom lokalen Energieversorger benötigt wird. Aus Emissions- und Kostengründen sind herkömmliche Gas- oder Dieselgeneratoren keine Option.
So ist es nicht verwunderlich, dass die Nachfrage nach diesen Systemen das Angebot an Geräten sowie die Verfügbarkeit von qualifizierten Installateuren übersteigt.
Grenzen für das Whole-Home-Battery-Backup
Aber die Sache hat einen Haken. Wir glauben gerne an den Mythos des Whole-Home-Backups oder an die Vorstellung, dass unser Lebensstil des 21. Jahrhunderts trotz Feuerhölle und Hochwasser ungebremst weitergehen wird. Die Realität sieht anders aus: Typische Batterie-Backup-Systeme funktionieren am besten, wenn sie so konzipiert sind, dass die Batteriekapazität rationiert und der Einsatz von Hauptgeräten minimiert wird.
Mythen haben oft ihren Ursprung in den Tatsachen: Ganzhaus-Batteriesysteme funktionieren tatsächlich für netzunabhängige Anwendungen. Es gibt schätzungsweise 180.000 solcher Häuser in den USA.
Aber diese Häuser wurden für ein netzunabhängiges Leben konzipiert: Sie sind typischerweise kleiner und gut isoliert, verwenden eine Verbrennungsheizung mit Propan-Backup, haben aktive und passive Solarthermie-Systeme und keine stromfressenden Klimaanlagen, Level-2-EV-Ladegeräte oder Swimmingpools.
Es gibt zwei grundlegende technische Grenzen, die es unpraktisch machen, ein ganzes Haus allein mit Batteriestrom zu betreiben. Erstens ist die Energiekapazität typischer Lithium-Ionen-Batteriesysteme nicht ausreichend, um ein ganzes Haus über einen nächtlichen Stromausfall zu versorgen. Zweitens sind Batterie-Backup-Wechselrichter nicht leistungsstark genug, um viele große Geräte zu starten und zu betreiben.
Natürlich können mehrere Batterien und Wechselrichter diese Energie- und Leistungseinschränkungen beheben. Aber die Kosten für Wechselrichter mit mehr als 20 Kilowatt und Batterien mit mehr als 40 Kilowattstunden sind für den typischen Hausbesitzer unerschwinglich.
Ein praktischerer Ansatz besteht darin, ein Batterie-Backup-System so zu konzipieren, dass es nur kritische Verbraucher versorgt: keine großen Geräte wie Klimaanlagen, 240-Volt-EV-Ladegeräte oder Elektroherde. Stattdessen nur vier bis acht kleinere Stromkreise im Haus für Kühlung, Beleuchtung, Unterhaltung, Kommunikation und Komfortsteckdosen.
Unser aktueller Wohnungsbestand verbraucht viel Strom, und aufgrund einer Fülle von angeschlossenen Geräten verbrauchen neuere Häuser oft noch mehr.
Geräte mit hohem Stromverbrauch sind die größte Herausforderung für Whole-Home-Backup-Systeme. Der Stromverbrauch einer großen zentralen Klimaanlage liegt bei 5.000 Watt, ein EV-Ladegerät bei 7.000 Watt, ein Elektroherd bei 10.000 Watt und Poolpumpen bei 2.200 Watt.
Batterie-Energiegrenzen
Wie lange kann also ein typisches Solar- und Batteriesystem nachts betrieben werden, während diese größeren Geräte laufen? Antwort: gar nicht sehr lange.
Die Rechnung ist einfach. Wenn die Batterie nachts auf eine Energiekapazität von 2,5 Kilowattstunden heruntergefahren ist (typisch, wenn die Batterie abends genutzt wird, um die Eigenverbrauchseinsparungen zu maximieren), gibt es nur genug Batterieenergie, um Poolpumpen für 60 Minuten, eine zentrale Klimaanlage für 30 Minuten, ein EV-Ladegerät für 20 Minuten oder einen Elektroherd für 15 Minuten zu betreiben.
Wenn eines dieser Geräte läuft – nach einem relativ kurzen Intervall des automatischen Whole-Home-Backups – ist die Batterie bald leer und kann kritische Verbraucher nicht mehr versorgen. In lyrischen Worten: Kein Licht. Kein Telefon. Kein Elektroauto. Kein einziger Luxus. Wie Robinson Crusoe, so primitiv wie nur möglich.
Eine mögliche Lösung ist das manuelle Abschalten großer Geräte während eines Stromausfalls. Leider treten viele Stromausfälle tagsüber auf, wenn niemand zu Hause ist, oder nachts, wenn die Menschen schlafen. Kunden, die versucht haben, Lasten manuell abzuschalten, sind in der Regel von ihrem Backup-System enttäuscht.
Eine andere Lösung (wenn das Budget und der Platz an der Wand es zulassen) ist das Hinzufügen einer zweiten Speicherbatterie – so wird die Dauer der Energiespeicherung effektiv verdoppelt.
In den letzten Monaten haben wir mit Kunden zusammengearbeitet, die sowohl gute als auch schlechte Erfahrungen mit dem Batterie-Backup gemacht haben. Während des ersten Stromausfalls in unserer Gegend, der gegen 22:30 Uhr eintrat, war bei einem Kunden, der ein CPAP-Gerät (Continuous Positive Airway Pressure) benutzt, der Akku um ca. 2 Uhr nachts leer (er begann zu schnarchen und seine Frau sagte ihm, er solle auf der Couch schlafen). Ein anderer Kunde nutzte das Backup-System, um eines der Subpanels in seinem Haus mit Strom zu versorgen, und bemerkte den Stromausfall erst, als die Batterie leer war.
Die Lösung für beide Kunden bestand darin, einige nicht benötigte Stromkreise aus ihren Backup-Subpanels zu entfernen, damit die Batterie die Nacht überstehen würde.
Leistungsgrenzen des Wechselrichters
Die maximale Leistungsabgabe des Batterie-Wechselrichters (in Kilowatt) ist der zweite Grund für den Mythos des „Whole-Home-Backups“.
Die meisten Batterie-Backup-Wechselrichter wurden für 200-Ampere-Hausanschlüsse entwickelt, was eine maximale AC-Leistung von 7.600 Watt bedeutet, wenn sie an das Netz angeschlossen sind. Wenn sie von der Batterie gespeist werden (die eine begrenzte Spitzenentladung hat), können diese Wechselrichter typischerweise 5.000 Watt Dauerleistung oder 6.000 Watt Spitzenleistung (etwa 25 Ampere) bereitstellen.
Der momentane Anlaufstrombedarf eines Wechselstrom- oder Pumpenmotors ist jedoch oft zwei- oder dreimal so hoch wie die normale Stromaufnahme – was bedeutet, dass der Wechselrichter einfach nicht in den Backup-Modus umschalten kann. Selbst wenn die Batterie an einem sonnigen Tag voll aufgeladen ist, werden der Wechselstrom und die Poolpumpe nicht anlaufen, und keiner der kritischen Verbraucher wird mit Strom versorgt.
Design von solar-gekoppelten Batterie-Backup-Systemen
Ungeachtet dieser Energie-, Leistungs- und finanziellen Einschränkungen kann ein gut konzipiertes Solar- und Backup-System fast unbegrenzt Strom liefern. Drei Design-Elemente sind entscheidend.
Erstens sollten die Energiekapazität der Batterie (Kilowattstunden) und die Wechselrichterleistung (Kilowatt) auf den Bedarf des Hauses in der Nacht abgestimmt sein, wenn die Batterie teilweise entladen ist. Zweitens sollte die Anzahl der Backup-Stromkreise streng begrenzt sein, um zu verhindern, dass zu viele kleine Geräte oder irgendwelche großen Geräte mit Strom versorgt werden. Drittens sollte die Größe des Solarsystems ausreichen, um die Batterie auch an einem bewölkten Wintertag teilweise wieder aufzuladen.
Künftige Smart-Home-Elektrosystem-Technologien werden diese praktischen Einschränkungen angehen, indem sie Lasten während eines Stromausfalls automatisch abwerfen. Auf der Messe Solar Power International 2019 stellten Unternehmen intelligente Gerätesteuerungen und Schutzschalter aus, die große Geräte automatisch abschalten können. Außerdem wurde eine intelligente Schaltschranktechnologie gezeigt, die alle Stromkreise in einem Haus automatisch verwalten kann.
Bis Ende 2019 werden in Kalifornien über 10.000 Haushalte und Unternehmen mit kombinierten Solar- und Batterie-Backup-Systemen ausgestattet sein. Da diese Systeme kostengünstiger werden (sowohl durch Kostensenkungen bei den Geräten als auch durch Anreize), werden sie für die Menschen die zweckmäßigste und effektivste Möglichkeit sein, sich auf die neue Normalität der öffentlichen Stromabschaltungen einzustellen.
Nicht zu vergessen die sauberste, sicherste und wirtschaftlichste Art, unser archaisches Stromnetz wieder aufzubauen.
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Barry Cinnamon ist CEO der kalifornischen Firma Cinnamon Energy Systems.