Insgesamt 141 TWh an elektrischer Energie haben die Haushalte in Deutschland 2010 verbraucht. Dies entspricht 27 % des gesamten Strombedarfs [1]. 60,6 TWh, also rund 43 % des Haushaltsbereichs werden in den 12,9 Mio. Einfamilienhäusern benötigt (Tabelle 1), die zugleich meist über ausreichend Dachflächen für Photovoltaik- Systeme (PV-Systeme) verfügen, um ihren Strombedarf in der Jahresbilanz mit Solarstrom zu decken.

Während viele PV-Systeme in der Vergangenheit als rein netzgekoppelte Systeme unabhängig vom Verbrauch im Haushalt betrieben wurden, werden Eigenverbrauchssysteme künftig den Markt dominieren. Aus ökonomischen Gründen ist es inzwischen sinnvoll, einen möglichst großen Anteil des erzeugten Solarstroms zeitgleich selbst zu verbrauchen. Speicher werden dabei zunehmend an Bedeutung gewinnen. Um zu bestimmen, welcher Anteil des erzeugten Solarstroms zeitgleich zur Deckung des Strombedarfs beitragen kann, sind zeitlich hochaufgelöste Last- und PV-Erzeugungsprofile erforderlich. Für ein typisches Einfamilienhaus wurden anhand meteorologischer Daten des Standorts Berlin mit der VDI 4655 [3] minütlich aufgelöste Lastgänge für Strom, Warmwasser und Heizung erstellt. Das durchschnittliche Einfamilienhaus hat dabei eine Wohnfläche von 127 qm, einen Jahresstrombedarf von 4 700 kWh und einen Wärmebedarf für Trinkwasser von jährlich 1 350 kWh sowie für Heizungswärme von knapp 14 800 kWh. Die Verbräuche und erstellten Lastprofile waren Grundlage der Simulationsberechnungen für verschiedene PV-Systeme in Kombination mit elektrischen und thermischen Speichern.

In einer dynamischen Simulation mit minütlicher Auflösung wurde das Systemverhalten eines PV-Systems mit elektrischem und thermischem Speicher in dem beschriebenen durchschnittlichen Einfamilienhaus untersucht. Der Aufbau des Systems geht aus Bild 1 hervor.

Untersucht wurde jeweils ein PV-System mit einer Leistung von 5 kW und einem spezifischen Jahresertrag von 958 kWh/kW. Hierbei deckt das PV-System in erster Linie die elektrische Last im Haushalt. Überschüsse werden zunächst elektrochemisch in einer Batterie mit einer nutzbaren Kapazität von 5 kWh gespeichert. Bei vollem Ladezustand der Batterie erfolgt die Beladung eines konventionellen Kombi-Wärmespeichers mit einer Größe von 800 l und einer nutzbaren Speicherkapazität von 37,3 kWh über eine Heizpatrone. Auf eine effizientere Wärmepumpe wurde bewusst verzichtet, da die Heizpatrone vergleichsweise geringe Investitionskosten verursacht. Ist eine Wärmepumpe bereits vorhanden oder die Realisierung geplant, kann diese die Heizpatrone direkt ersetzen. Wird im Speicher die Maximaltemperatur von 70 °C erreicht, erfolgt schließlich eine Einspeisung in das öffentliche Netz. Bild 2 zeigt beispielhaft den zeitlichen Verlauf der Systemleistungen an zwei aufeinanderfolgenden Tagen im Juni.

Kann die elektrische Last nicht durch die momentane PV-Leistung gedeckt werden, wird der Batteriespeicher entladen. Nachdem die Batterie den minimalen Batterieladezustand von 40 % erreicht hat, werden die Verbraucher mit Strom aus dem Netz versorgt. Bild 2 zeigt, dass auch an sonnigen Sommertagen der Großteil des erzeugten Solarstroms durch die elektrische und thermische Speicherung vor Ort genutzt werden kann.

Um Aussagen zu den jahresmittleren Eigenverbrauchsanteilen der Systeme zu machen, wurden die Simulationsberechnungen über ein gesamtes Jahr durchgeführt und dabei die Leistung des PV-Systems variiert. Bild 3 stellt die Simulationsergebnisse der verschiedenen Eigenverbrauchssysteme in Abhängigkeit der PV-Leistung dar. Mit zunehmender PV-Systemgröße sinkt generell der Eigenverbrauchsanteil. Ohne Speicher können mit kleinen PV-Systemen bis zu 70 % des erzeugten Solarstroms zeitgleich verbraucht werden. Bei einer PV-Systemgröße von 5 kW beträgt der Eigenverbrauch nur noch rund 30 %. Zusätzliche Batterie- oder Wärmespeicher erhöhen den Eigenverbrauchsanteil je nach PV-Systemgröße um 25 bis 50 Prozentpunkte. Dadurch lässt sich bei kleinen PV-Systemen sogar der gesamte Solarstrom zeitgleich nutzen. Erst durch die Kombination von Batterie- und Wärmespeichern können Eigenverbrauchsanteile über 80 % auch mit größeren PV-Systemen erzielt werden.

Um Aussagen zu den jahresmittleren Eigenverbrauchsanteilen der Systeme zu machen, wurden die Simulationsberechnungen über ein gesamtes Jahr durchgeführt und dabei die Leistung des PV-Systems variiert. Bild 3 stellt die Simulationsergebnisse der verschiedenen Eigenverbrauchssysteme in Abhängigkeit der PV-Leistung dar. Mit zunehmender PV-Systemgröße sinkt generell der Eigenverbrauchsanteil. Ohne Speicher können mit kleinen PV-Systemen bis zu 70 % des erzeugten Solarstroms zeitgleich verbraucht werden. Bei einer PV-Systemgröße von 5 kW beträgt der Eigenverbrauch nur noch rund 30 %. Zusätzliche Batterie- oder Wärmespeicher erhöhen den Eigenverbrauchsanteil je nach PV-Systemgröße um 25 bis 50 Prozentpunkte. Dadurch lässt sich bei kleinen PV-Systemen sogar der gesamte Solarstrom zeitgleich nutzen. Erst durch die Kombination von Batterie- und Wärmespeichern können Eigenverbrauchsanteile über 80 % auch mit größeren PV-Systemen erzielt werden.

Während sich heute die zuvor beschriebenen Systeme mit hohem Eigenverbrauch nur im Einzelfall rechnen, werden diese bereits in sehr absehbarer Zeit ökonomisch höchst attraktiv. Bei Einfamilienhäusern wurde Anfang 2012 bereits die Grid-Parity erreicht (Bild 4). Es ist heute bereits ökonomisch sinnvoll, einen möglichst hohen Anteil des Solarstroms selbst zu verbrauchen, anstatt ihn für den niedrigeren EEG-Tarif ins Netz einzuspeisen. Für Batteriesysteme oder den Anschluss an das Heizungssystem sind zusätzliche Investitionskosten erforderlich. Mit zunehmendem Abstand zwischen den Haushaltsstrompreisen und dem EEG-Einspeisetarif lassen sich diese Zusatzkosten durch den Kostenvorteil beim Eigenverbrauch voraussichtlich bereits in zwei bis drei Jahren problemlos refinanzieren.

Die thermische Nutzung von Solarstrom wird ökonomisch erst attraktiv, wenn die möglichen Brennstoffeinsparungen beim Heizungssystem über dem EEG-Einspeisetarif liegen. Je nach Kostenentwicklung beim Ölpreis ist die Oil-Parity bereits zwischen den Jahren 2015 und 2016 zu erwarten (Bild 5). Bei Gasheizungen wird dieser Zeitpunkt vermutlich zwei Jahre später eintreten.

Viele aktuelle Studien, wie die des Sachverständigenrats für Umweltfragen SRU oder die Leitstudie im Auftrag des Bundesministeriums für Umwelt BMU, gehen davon aus, dass die installierte Photovoltaikleistung in Deutschland bis zum Jahr 2050 deutlich unter 100 GW bleiben wird [4; 5]. Sie vergleichen dabei die Kosten der verschiedenen Energiesysteme aus Sicht eines Versorgers und vernachlässigen dabei vollständig, dass sich gerade durch Eigenverbrauchssysteme für die Stromkunden wirtschaftliche Potenziale ergeben, die erheblich über 100 GW liegen.

Bereits heute bedeuten hohe Eigenverbrauchsanteile für den Anlagenbetreiber Mehrerträge gegenüber eingespeisten Energiemengen, da die Strombezugskosten größer sind als die Einspeisevergütung. Folglich gibt es einen großen Markt für eigenverbrauchserhöhende Systeme und Anwendungen, der sich mit Batteriespeichern sowie thermischen Speichern bedienen lässt. Dies führt gleichzeitig zu einer höheren Unabhängigkeit künftiger Energiepreissteigerungen, da ein immer größerer Teil des Strom- und Wärmebedarfs direkt auf dem Hausdach produziert wird. Bereits die Potenziale für PV-Eigenverbrauchssysteme für Einfamilienhäuser übersteigen die unterstellte Gesamtinstallation der genannten Studien. Tabelle 2 fasst die Potenziale der verschiedenen Systemvarianten für Einfamilienhäuser zusammen. Durch die Kombination von PV-Systemen mit elektrischen und thermischen Speichern können Potenziale erschlossen werden, die bis zu 90 GW betragen. Eine weitere Steigerung dieser Potenziale ist durch die flächendeckende Einführung der Elektromobilität möglich, die aber nicht Gegenstand dieser Untersuchung war. Zu den bereits sehr großen Potenzialen für Einfamilienhäuser kommen die Potenziale für Mehrfamilienhäuser sowie Gewerbe- und Industriebetriebe hinzu, die jeweils noch einmal in der gleichen Größenordnung liegen. Damit ist zu erwarten, dass die installierte Photovoltaikleistung in Deutschland in bereits absehbarer Zeit eine Leistung von 200 GW erreichen kann und damit 20 bis 30 % der Gesamtstromversorgung decken wird.