Wirkungsgrad und Wandlungsverluste einfach erklärt

Was sind Wandlungsverluste?

Wenn Sonnenlicht auf die Solarzellen einer PV-Anlage trifft, fließt Strom und die Elektronen machen sich auf ihren Weg vom Dach in den Stromspeicher. Im Gepäck haben sie die Energie, welche die Sonne ihnen mitgegeben hat. Unterwegs müssen sie zahlreiche Hindernisse überwinden. Sie passieren Leitungen, elektrische Bauteile wie Wechselrichter und am Ende die Batterien des Speichersystems. An jedem Hindernis bzw. Widerstand geben sie einen kleinen Teil ihrer Energie ab – es entstehen Wandlungsverluste. 

In etwa so wie bei Menschen, die das Überwinden von Hindernissen auch Energie kostet Im Stromkreis wird ein Teil der elektrischen Energie außerdem auch in Wärmeenergie umgewandelt. Deshalb werden elektrische Geräte nach einer Weile warm. 

Was beschreibt der Wirkungsgrad? 

Wie viel elektrische Energie von der Quelle bis zum Ziel in Wärme umgewandelt wird, zeigt der Wirkungsgrad. Liegt er bei 80 Prozent, kommen 80 Prozent der ursprünglichen elektrischen Energie am Ziel an, 20 Prozent ist die sogenannte Verlustleistung. 

Wie hoch diese Verlustleistung generell werden kann, zeigt das Beispiel der klassischen Glühlampe: Eine Glühlampe hat einen Wirkungsgrad von 5 Prozent und wandelt damit ganze 95 Prozent der ursprünglichen elektrischen Energie in Wärme um. Kein Wunder also, dass sie heutzutage flächendeckend durch deutlich effizientere LED-Lampen ersetzt wurde. LEDs erreichen Wirkungsgrade von 30 bis 40 Prozent und sind damit 6–8-mal effizienter als Glühlampen.

Welche Rolle der Wirkungsgrad bei der Entwicklung von Elektrogeräten und Stromspeichern spielt

Physikalisch gesehen, kann es keinen Wirkungsgrad von 100 Prozent geben, kleinste Wandlungsverluste treten immer auf. Das Ziel von Effizienzsteigerungen technischer Geräte ist es daher, einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen und die vermeidbaren Verluste – soweit es geht – zu minimieren. Photovoltaik-Wechselrichter, welche den Gleichstrom der Solarmodule in Wechselstrom umwandeln, erreichen heute zum Beispiel Wirkungsgrade zwischen 96 und 98 Prozent.

Bei der Entwicklung elektrischer Geräte ist ein hoher Wirkungsgrad eine zentrale Größe, wenn auch nicht die einzige. Qualität, Sicherheit oder auch die Verfügbarkeit in großen Mengen und nicht zuletzt die Kosten spielen eine Rolle. Es gibt also  zahlreiche Faktoren, die sich gegenseitig beeinflussen. Ähnlich wie der Verbrauch eines Autos pro 100 km eine wichtige Kenngröße ist, aber keine grundsätzliche Aussage über die Qualität oder andere Eigenschaften des Autos zulässt.

Ein sehr hoher Wirkungsgrad kann zum Beispiel zu deutlich höheren Kosten führen, weil die Bauelemente sehr teuer oder knapp sind. Hier wägt jeder Hersteller ab, welchen Weg er gehen will. Das gilt auch für Batteriespeicher, die sich daher in ihrem Wirkungsgrad unterscheiden. Ein Vergleich zwischen verschiedenen Herstellern sollte mit Bedacht gewählt sein, denn die Berechnungsgrundlage der Angaben in Datenblättern können durchaus unterschiedlich ausfallen. Ein neutraler Vergleich zwischen verschiedenen Herstellern bleibt daher schwierig. Hier gibt es den unabhängigen Solarspeicher Test der Hochschule für Technik und Wirtschaft in Berlin, die das Thema einheitlich und professionell behandelt. Bei der dort verwendeten Kennzahl SPI (System Performance Index) handelt es sich allerdings nicht genau um den Wirkungsgrad, sondern um eine wirtschaftliche Kennzahl, in die der Wirkungsgrad des Speichers als ein Bestandteil einfließt.  Doch auch bei diesem Vergleich muss man beachten, dass Systeme mit unterschiedlichen Leistungswerten nicht 1:1 vergleichbar sind.

Welchen Wirkungsgrad die sonnenBatterie hat

Unsere Kundinnen und Kunden bei sonnen haben die Möglichkeit, innerhalb der sonnen App jederzeit eine transparente Darstellung ihrer Daten rund um den eigenen Energieverbrauch einzusehen. Dazu gehört auch der Wirkungsgrad ihrer sonnenBatterie. Dafür kann der Wert der Gesamtentladung durch den Wert der Gesamtladung geteilt werden. Wichtig ist es, hier unbedingt den Jahreswert zu nehmen, da sich ausschließlich durch die Betrachtung eines ganzen Jahres ein vollständiges Bild ergibt. Erst dann sind Jahreszeiteffekte oder verschiedene Nutzungsmuster ausgeglichen. 

In der Praxis variieren diese Werte von Haushalt zu Haushalt. Als beispielhaften Anwendungsfall gehen wir nachfolgend von einem Gesamtwirkungsgrad zwischen 75 und 80 Prozent aus, der häufig auftritt. Dabei handelt es sich um den realen Wert für das gesamte Speichersystem und nicht um Bestwerte oder um die Werte einzelner Komponenten. Die Daten sind daher nicht gleichzusetzen mit Angaben im technischen Datenblatt des Geräts, da diese im optimalen Arbeitspunkt gemessen sind.

Mehr über die Technologie hinter unserer sonnenBatterie lesen Sie hier.

Wie sich Wandlungsverluste berechnen: 
Die 3 wichtigsten Faktoren im Überblick

Der Wirkungsgrad der sonnenBatterie beträgt in unserem Beispiel ca. 75 bis 80 Prozent. Was hinter der Verlustleistung von ca. 20 bis 25 Prozent steckt? Wir erinnern uns, die Elektronen müssen viele Hindernisse überqueren, bevor sie zu den Batterien gelangen. 

1. Der Weg durch die sonnenBatterie

Der hier genannte Wirkungsgrad beginnt beim Wechselrichter der sonnenBatterie – also da, wo der Wechselstrom des Hausnetzes in Gleichstrom umgewandelt   wird. Durch den Wechselrichter geht es dann zu den Batterien selbst, wo die elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt wird. Beim Entladen geht es wieder den gleichen Weg zurück. Chemische Energie in den Batterien wird in elektrische umgewandelt und die fließt durch den Wechselrichter wieder in das Hausnetz. Ohne Berücksichtigung der Widerstände in den Leitungen, müssen die Elektronen beim Ein- und Ausspeichern zwei Bauteile überwinden, sowohl hin als auch zurück, an denen sie naturgemäß Energie abgeben. Schauen wir uns das an einem Rechenbeispiel an.

Angenommen, der Wechselrichter hat für das Be- und Entladen einen Wirkungsgrad von 96 Prozent und die Batterien genauso, dann lautet die Rechnung:

0,96 (Wechselrichter Laden) 
* 0,96 (Speicherverlust Batterie) 
* 0,96 (Wechselrichter Entladen) 
= 88,5 %

Das sind mehr als die 75 bis 80 Prozent, die wir bei unserem Beispiel sehen. Woher dieser Unterschied stammt? 

2. Reale Bedingungen

Neben den Wandlungsverlusten des Wechselrichters gibt es weitere Faktoren, welche die Berechnung beeinflussen. Bei den angegebenen Werten für den Wirkungsgrad handelt es sich um Bestwerte und nicht um Durchschnittswerte. Solche optimalen Bedingungen werden in der Praxis nicht immer erreicht. Die Temperatur oder die Höhe der Leistung spielen hier eine Rolle. Viele Wechselrichter arbeiten am effizientesten, wenn sie hohe Leistungen erbringen müssen, grob im Leistungsbereich zwischen 50 und 100 Prozent. Bei der sonnenBatterie 10 läge dieser Bereich also zwischen 2,3 kW und 4,6 kW. Allerdings gibt es Zeiten, in denen die sonnenBatterie mit weniger Leistung beladen wird, weil zum Beispiel der PV-Ertrag im Winter niedriger ist. Wird die sonnenBatterie z. B. nur mit 600 Watt beladen, liegt der Wirkungsgrad niedriger als 93 Prozent. Auch beim Verbrauch sind nicht immer hohe Leistungen nötig, gerade in der Nacht sind Leistungen von ein paar hundert Watt üblich. Bei solchen kleineren Leistungen reduziert sich auch der Wirkungsgrad.

Berücksichtigt man den nicht immer optimalen Bereich mit kleineren Leistungen, könnte unsere Rechnung dann in etwa so aussehen:

0,93 (Wechselrichter Laden) 
* 0,96 (Batterien Be- und Entladen) 
* 0,93 (Wechselrichter Entladen) 
= 83 %

3. Der Eigenverbrauch

Einen kleinen Schritt sind wir weiterhin von dem Wirkungsgrad von 75 bis 80 Prozent aus unserem Beispielfall entfernt. Denn eine Größe fehlt noch in der Betrachtung: Der Eigenverbrauch des Speichersystems. Denn auch die sonnenBatterie benötigt Energie, um Daten für die App bereitzustellen, für die Beleuchtung oder um sich möglicherweise für das virtuelle Kraftwerk bereitzuhalten. Das sind bei der sonnenBatterie 10 ca. 15 Watt und bei der sonnenBatterie 10 performance ca. 35 Watt, was im marktüblichen Bereich liegt. Über ein komplettes Jahr berechnet sich der Eigenverbrauch der sonnenBatterie 10 performance beispielweise wie folgt: 35W * 24h * 365 = 307 kWh.

Dazu ein weiterer Schritt unserer Beispielrechnung: Angenommen, 5.000 kWh fließen pro Jahr in den Speicher und der Wirkungsgrad liegt wie oben bei 83 Prozent. Dann bedeutet dies 850 kWh Umwandlungsverluste und 307 kWh Verluste durch den Eigenverbrauch. Die aus dem Speicher verfügbare Energie beträgt dann abzüglich der Verluste 5.000 kWh – 850 kWh – 307 kWh = 3.843 kWh. Oder anders ausgedrückt beträgt der Wirkungsgrad in diesem Jahr rund 77 Prozent. 

Wirkungsgrad nicht immer entscheidend

Grundsätzlich ist ein höherer Wirkungsgrad wünschenswert, da unterwegs weniger Energie verloren geht. Aber ganz so einfach ist es nicht. Am folgendem Gedankenspiel sehen wir deutlich, dass mehr Wirkungsgrad nicht zwangsläufig auch mehr verfügbare Energie bedeuten muss:

1. Stromspeicher mit weniger Leistung 
   Nehmen wir an, der Wechselrichter des Speichers ist etwas kleiner dimensioniert, damit der Hausverbrauch, der selten hohe Leistungsspitzen hat, möglichst häufig im optimalen Wirkungsgrad verläuft. Der Wechselrichter des Speichers läuft also häufig mit hoher Last und damit nahe dem optimalen Bereich. Doch im Winter scheint die Sonne oft nur in einem kleinen Zeitfenster von ca. 2 bis 3 Stunden. Der etwas unterdimensionierte Wechselrichter schafft es jetzt nicht, die volle Energie der PV-Anlage aufzunehmen. Ein Teil des Solarstroms geht also ins Netz statt in die Batterie.
2. Stromspeicher mit hoher Leistung
   Wenn der Wechselrichter größer ausfällt, kann er mehr Energie auf einmal in den Speicher befördern und auch kurze Sonnenzeiten besser ausnutzen. Dann wäre das System zwar insgesamt weniger effizient, dafür hätte der Haushalt aber schneller einen vollen Stromspeicher.

Die Wahl des Stromspeichers (sonnen bietet ausschließlich Hochvoltspeicher an) und Wechselrichters ist also keine Frage von richtig oder falsch, sondern welche Prioritäten man für den eigenen Energiehaushalt setzen möchte. Installateure helfen gerne, solche Fragen einzuschätzen und genau die richtige Lösung für individuelle Bedürfnisse zu finden. 

Unser Experten-Team arbeitet kontinuierlich daran, unsere Produkte detailliert zu optimieren. Dazu gehört auch der Wirkungsgrad der sonnenBatterie, den wir im Zusammenspiel mit anderen Kenngrößen wie z. B. Qualität, Wirtschaftlichkeit oder auch Installationsfreundlichkeit fortwährend erhöhen. Dabei setzen wir auf modernste Spitzen-Technologie, made in Germany. Seit Beginn der Produktion unserer sonnenBatterie fokussieren wir uns klar auf ein Ziel: Unseren Kundinnen und Kunden einen äußerst sicheren und langlebigen Stromspeicher zu liefern. Genau deshalb vertrauen wir auf die Lithium-Eisenphosphat-Technologie. Dank langjähriger Erfahrung und über 125.000 installierten Stromspeichern wissen wir dabei genau, worauf es ankommt. 

Fazit

Wir stellen also fest: Wie viel der produzierten Solarenergie vom Dach in die sonnenBatterie gelangt und wie viel davon für den täglichen Bedarf zur Verfügung steht, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Nicht nur der reale Wirkungsgrad, auch die Leistung des Stromspeichers und deren Eigenverbrauch spielen eine wichtige Rolle. Wie groß dieser Einfluss ist, kann sich von Haushalt zu Haushalt unterscheiden. Technische Datenblätter zeigen den optimalen Zustand, den die Geräte meist nur in der Theorie erreichen können – denn individuelle Gegebenheiten lassen sich kaum vorhersagen und allgemeingültig zusammenfassen.

Bei sonnen geben wir allen unseren Kundinnen und Kunden die volle Transparenz über ihre Verbrauchsdaten. Gemeinsam mit unseren zertifizierten Fachpartner beraten wir Sie außerdem sowohl vor, während und nach der Installation vollumfänglich, um die für Sie beste und effizienteste Lösung zu finden – so können Sie sich stets in guten Händen wissen.