Projekt Beschreibung PV-Anlage "Robin(AT)"
In diesem Report wird thematisiert: Entwicklung, Planung, Umsetzung und Erfahrungen (März - September 2022) mit Stromversorgung eines Hauses mittels Photovoltaik (PV).
Zweck:
Dies ist ein "in the nutshell" Leitfaden für "Einsteiger" in die Thematik "Selbstversorgung mit Solarstrom" an Hand eines realisierten Projektes . Es wird nur vorausgesetzt, dass Leser mit begriffen wie Photo-Voltaik, Inverter, etc. vertraut sind.
Projektzielsetzungen
1.) Errichtung einer kleine Photovoltaik (PV) Anlage für einen Zweit- und Ferienwohnsitz (Haus) im Süd-Osten Österreichs mit dem Zweck eine autonome, netzunabhängige Elektrizitätsversorgung - wenn möglich ganzjährig - sicherzustellen. Zumindest in so weit, dass die wichtigsten Grundbedürfnisse hinsichtlich elektrischer Energie auch dann abgedeckt sind wenn die öffentliche Stromversorgung - aus welchen Gründen auch immer - über mehrere Tage hinweg ausfallen sollte.
Es handelt sich dabei um ein kleineres Haus älterer Bauart von etwa 50m2 Grundfläche, unterkellert, mit bewohnbarem Dachausbau. Ein-Personen Haushalt.
2.) Evaluierung in wie weit die Zielsetzung 1.) dahingehend erweiterbar ist, dass ein totaler "off-the-grid" Betrieb machbar ist innerhalb eines vorgegebenen Kostenrahmen. Ein voll autonomer Betrieb - also völlig unabhängig von Netzstrom wurde als die Ideallösung angepeilt.
3.) Kostenrahmen/Wirtschaftlichkeit: Es wurde ein Zeitraum von maximal 10 Jahren für die Amortisation der Kosten zu Grunde gelegt. Basis für die Berechnung waren zunächst die Energiekosten im ersten Quartal des Jahres 2022. Das heißt erste Überlegungen für die Planung wurden bereits vor Ausbruch der Ukraine-Krise und deren hoch inflationären Folgen für die Energiekosten angestellt. Unter diesen Grundannahmen schien zunächst eine "off-the-grid" Lösung wirtschaftlich nicht sinnvoll. Nach Ausbruch der Krise mussten aber die ursprünglich zu Grunde gelegten Parameter "nachjustiert" werden. Zudem fühlte sich der Anlageplaner zusehends bestätigt in dem Bestreben eine zuverlässige Alternative zur Netzbasierten Stromversorgung zu realisieren.
Planungsschritte für die Projektrealisierung
Erhebung der technischen Parameter:
Zunächst muss geklärt werden welche Verbraucher unbedingt versorgt werden müssen (must haves). Das wäre zum Beispiel Kühl.- und Gefriergeräte, Kochstellen wenn elektrisch betrieben, Beleuchtung, Warmwasserbereitung, aufladen bzw. betreiben von Akku betriebenen Geräte wie Laptops, Mobiltelefone, etc.
In einem weiteren Iterationsschritt kann man Verbraucher die als zweitrangig (nice to have) eingestuft werden mit einbeziehen.
Im konkreten Fall wurden folgende Verbrauchswerte gemessen:
| Table header 0 | Table header 1 |
|---|---|
| Notebook PC 15 Zoll | 45W (40W bei nur laden) |
| Induktions-Kochplatte | 2000W Stufe 9 1500W Stufe 5 (Standardeinstellung) 1200W Stufe 4 1000W Stufe 3 300var stand-by (Diese 300var zusätzlich oben dazu rechen.) |
| Kühl-Gefrierkombination | 75W (Hoher Anlaufstrombedarf.) [Nur im Sommer in Betrieb] |
| Audio System | 47W (ohne Signal) ca. 100W (bei gehobener Lautstärke) |
| LCD Monitor | 35W |
| Waschmaschine (eco-modus) | 280W max./180W typ. (nur Motor) 25W (nur Pumpe) 2000W (Heizung) 1,3W (stand-by) 4,0W (wait/stop mode) |
| Luftentfeuchter im Keller | ca. 350VA [Nur im Sommer in Betrieb. 1h pro Tag mit Schaltuhrsteuerung] |
| Wasserpumpe für Garten | 150W / 180VA |
| Laden Mobiltelefon | 12W |
| Laden Akku-Staubsauger | 12W |
| LED Leuchtmittel | 6 ... 15W (einzeln) |
| Toaster | 620W |
| Mini Backrohr | 530W (nur Ober- oder Unterhitze) 870W (Ober- und Unterhitze) |
| Elektrischer Durchlauferhitzer | 3500W Nennleistung [Dieser Verbraucher konnte nicht betrieben werden.] |
Anmerkung:
Im gegenständlichen Fall ist Holz als Energieträger für Heizzwecke verfügbar, was die Planung wesentlich vereinfachte. Ein Haus alleine mit PV Panelen zu beheizen, ist nach heutige Stand der Technik kaum realistisch wenn es sich nicht um ein niedrig Energie Haus handelt oder/und eine Wärmepumpe zusätzlich vorhanden ist.
Der vertraglich vereinbarte Anschluss der Netzstrom-Versorgung erlaubt eine maximale Leistung von 3500VA. Dieser Wert war für alle Bedürfnisse in dem Haus immer völlig ausreichend gewesen sofern darauf geachtet wurde, dass große Verbraucher wie Backrohr, Heizstrahler, Waschmaschine, größere Werkzeugmaschinen und ähnliches nicht gleichzeitig betrieben werden. Damit war schon ein erster Anhaltswert gegeben.
Für Kosten optimierte Dimensionierung aller Komponenten einer PV- Anlage reicht das aber nicht.
Die grundlegenden Bestandteile der Anlage sind:
- PV Solarpanele
- Ein elektronischer Regler der den Panelen nachgeschaltet ist
- Ein elektrischer Energiespeicher (Akkumulator) der dem Regler nachgeschaltet ist
- Und schließlich ein sogenannter Inverter der dem Akkumulator nachgeschaltet ist. Seine Aufgabe ist es die Akkumulator Gleichspannung (im gegenständlichen Fall sind das typisch 12,8V) in 230V / 50Hz Wechselspannung umzuwandeln.
Bei der Auswahl der Komponenten ist es sinnvoll von der Verbraucher-Seite her zu beginnen. Dabei misst man zunächst die Leistungsbedarfe aller Verbraucher. Das geht am einfachsten mit jenen Leistungsmessgeräten die um circa 30€ im Handel sind. Steht so ein Gerät nicht zur Verfügung muss man sich am Leistungsschild bzw. der Spezifikation des jeweiligen Gerätes orientieren.
Wichtig! Viele Verbraucher weisen einen erheblichen Blindleistungsbedarf auf (Motoren, Transformatoren, etc.), Selbst das Leitungsnetz in einem größeren Haus ohne angeschlossene Verbraucher kann schon etliche Watt (bzw. VA) verbrauchen. Wenn so ein Netz permanent mit dem eingeschalteten Inverter verbunden ist dann summiert sich diese Verlustleistung zu einem erheblichen Energieabfluss aus der Speicherbatterie. Für eine Minimierung dieser Verluste sollte man daher den Inverter immer ausschalten sofern kein Verbraucher aktiv ist. Beim Betrieb von Kühlgeräten oder Ähnlichem ist das natürlich nicht möglich.
In der Test.- und Inbetriebnahme-Phase der gegenständlichen Anlage wurde die Erfahrung gemacht, dass auch Verbraucher, von denen man es nicht erwarten würde, schon im Standby Betrieb hohe Scheinleistungen verbrauchen können. Bei einer Induktionsherd-Platte wurden ca. 300VA Scheinleistung gemessen (es handelt sich dabei genau genommen fast ausschließlich um sogenannte Blindleistung). Oder bei großen Schaltnetzteilen (SMPS) im Standby Modus in der Größenordnung von 40VA.
Was oft bei der Planung übersehen oder missverstanden wird ist, dass Scheinleistung (Einheit [VA ] VoltAmpere) die vektorielle Summe von Blindleistung (Einheit [var] volt-ampere-reaktanz) und Wirkleistung (Einheit [W] Watt) ist. Die Summenbildung der Vektoren wird durch den Winkel phi zwischen den Vektoren bestimmt. Bei vielen Verbrauchern ist phi im Datenblatt bzw. am Leistungsschild indirekt angegeben in Form des cos phi (Kosinus von Winkel phi). Auch der Blindstrom und damit die Blindleistung muss letztlich von der Energiequelle bereitgestellt werden. Warum wird es übersehen? Vermutlich liegt es daran, dass die meisten Leistungsmesser nur Wirkleistung [W] Watt anzeigen. (Manche zeigen eventuell den cos-phi Wert an. Dann kann man sich ausrechnen wie hoch die Scheinleistung in [VA] ist. Mit einem 2-Kanal Oszilloskop und Stromzange geht es auch.) Ein andere Grund ist, dass man sich darum nie kümmern musste so lange der Strom vom Energieversorger kam. Für die Abrechnung des Stromverbrauches werden nur Kilowattstunden [kWh] herangezogen. Jedoch legt der Versorger einen durchschnittlichen cos-phi für die Stromabrechnung zu Grunde (ersichtlich in der Detail-Aufschlüsselung der Stromrechnung).
Wem das alles zu kompliziert ist der sollte zumindest einen Faktor 1,2 zu den ermittelten Watt-Werten hinzurechnen für Blindleistung.
Bei den gemessenen Werten handelt es sich im Allgemeinen um Werte die im "eingeschwungenen" Zustand (steady-state) der Verbraucher gemessen werden. Für die Auswahl des passenden Inverters benötigt man aber auch noch die Spitzenleistung die benötigt wird. Fast alle Verbraucher nehmen zum Einschaltzeitpunkt einen erheblich höheren Strom auf als normal. Nicht nur die Amplitude dieser resultierenden Leistungsspitze ist relevant sondern auch deren Verlauf und Dauer. Auch hier wäre ein Oszilloskop (mit Speicherfunktion) wieder nützlich. Oft bleibt eine Schätzung die einzige Option. Der Autor hat die Erfahrung gemacht, dass man den Inverter großzügig dimensionieren sollte. Dies bringt i. A. höhere Zuverlässigkeit und längere Lebensdauer. Muss man abwägen gegenüber den Mehrkosten.
Das ist aber nicht zu verwechseln mit der Spitzenleistung die Inverter-Hersteller meistens angeben. Sie ist oft doppelt so hoch wie die Dauerleistung aber die Zeitdauer für die diese Leistung zur Verfügung gestellt wird - bevor der Inverter den Ausgang abschaltet - ist mitunter zu kurz. Bei der gegenständlichen Anlage kam ein Inverter mit 3500W Nennleistung und 7000W Spitzenleistung zum Einsatz. Zu beachten wäre noch, dass man den Eigenverbrauch von verschiedenen Invertern vergleicht. Der Eigenverbrauch kann erheblich ins Gewicht fallen wenn ein Inverter 24 Stunden am Tag eingeschaltet bleibt.
Schließlich muss noch die jeweilige Betriebsdauer für jeden Verbraucher in Betracht gezogen werden. Erst das Produkt aus Leistung in [W] und Betriebsdauer in Stunden [h] gibt Auskunft über die Verbrauchte Energie in [Wh] bzw. [kWh]. Daraus ergibt sich die Batteriekapazität die benötigt wird um bestimmte Geräte zusammen oder alleine eine bestimmte Zeit lang zu betreiben. Und zwar auch dann wenn einmal keine Sonne scheint. Dies ist Orts und Jahreszeit abhängig.
Auch wenn alle diese Daten nicht eruiert werden können gibt es eine alternative Lösung. Sofern eine Wohnung oder ein Haus von Netzstrom auf PV Strom umgestellt wird ist der typischen Energieverbrauch pro Quartal oder Jahr aus der Abrechnung des Versorgers ersichtlich. Ein täglicher mittlerer Energieverbrauch kann davon errechnet werden und als grober Anhaltswert dienen.
Reserven sind vorzusehen für Verluste in Leitungen, Ladereglern, Lade- und Entlade-Verluste in Akkus, Verluste und Eigenverbrauch im Inverter. Man kann sich das an Hand der Hersteller-Datenblätter ausrechnen. Aber mit einer zusätzlichen Reserve von 30 ... 35% liegt man nicht sehr daneben. Akkualterung und tiefe Umgebungstemperaturen reduzieren die Akkuleistung zusätzlich. Das muss man sich von Fall zu Fall ansehen. Bei der erwähnten Anlage wurde es nicht berücksichtigt unter der Annahme, dass die Akkus ganzjährig bei Raumtemperatur gelagert werden und Tiefentladungs-Zyklen durch umsichtiges und flexibles Verbrauchsverhalten weitestgehend vermieden werden können.
Der Akkumulator ist der Dreh und Angelpunkt im System. Zunächst muss man sich für eine Systemspannung entscheiden. Für kleine System ist das üblicherweise ca. 12V. Für größere sind Vielfache von 12V als Batteriespannung üblich. (Es dürfte klar sein, dass Inverter und auch Laderegler für die Systemspannung passend sein müssen.) Die Leistungsobergrenze wo man noch mit 12V das Auskommen findet ist nach Ansicht des Autors etwa 3000 bis 3500W maximale Leistung für weniger als 30 Minuten. Der Grund weshalb bei diesem Projekt auf 12V gesetzt wurde ist, dass ein kleinerer bereits vorhandener Inverter für 12V als Backup vorgesehen ist. Ansonsten wären 24V die bessere Wahl gewesen. Warum? Je niedriger die Akkuspannung ist desto höher sind die Ströme die der Akku in den Inverter liefern muss. Für eine bestimmte Leistung gilt: Strom [A] mal Spannung [V] gibt Leistung in [W]. Bei 12V kommen schnell ein paar hundert Ampere zusammen. Das bedingt dicke Leitungen (mehr Kupfer - mehr Kosten) und schadet dem Wirkungsgrad durch höhere Verluste in Leitungen, Kontaktübergängen, Spulen, Sicherungen und elektronischen Schaltern. Ein weitere Nachteil ist, dass Akkus es nicht mögen wenn ihnen sehr hohe Stromstärken entnommen werden. Die nutzbare Akkukapazität ist bei hohen Strömen merklich geringer als bei niedrigeren Stromstärken.
Für die Akkuauswahl muss man folgende System-Parameter der Anlage bestimmen:
a) Maximalleistung die notwendig ist
b) Typischer Energiebedarf der abzudecken ist
c) Maximale Zeitspanne die überbrückt werden muss wenn die PV-Panele wenig oder keinen Strom liefern
d) Weitere Kriterien wären:
- Arbeitsbedingungen und Aufstellung der Anlage (Temperaturbereich, Installation im Haus, Keller oder im Freien, ...)
- Erwartetet Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Anlage
- Wartungsaufwand für die Speicher-Batterien
- Akku Selbstentladung (relevant bei längerer Stilllegung der Anlage)
- Und nicht zuletzt Anschaffungs- und eventuelle Wartungs-Kosten.
Für a) Wurden die Daten bereits für die Auswahl des Inverters erhoben.
Für b) Kann man ebenfalls bereits gemessenen Daten oder Angaben der Gerätehersteller für die jeweiligen Verbraucher verwenden. Sehr nützlich ist es wenn man schon vorher statistische Werte für den typischen Energieverbrauch über mindestens ein Jahr aufgezeichnet hat. Abhängig vom Benutzungsprofil eines Hauses das im Inselbetrieb laufen soll legt man den worst-case bei der Akku-Auswahl zu Grunde. Bei ganzjähriger Bewohnung ist das im Allgemeinen die sonnenarme Winterzeit die oft mit einem erhöhten Energiebedarf (Heizung, Licht, Warmwasserbereitung bei niedriger Vorlauftemperatur, FrostschutzBeheizung, etc.) einher geht.
Für die gegenständliche Anlage ergab sich ein langjähriger elektrischer Energie Verbrauch von 1000 kWh pro Jahr. Dieser konnte aber in den letzten drei Jahren allein durch Energiesparmaßnahmen (z.B. Austausch aller Leichtmittel durch LED-Lampen, Abschaltung von Kühlgeräten im Winter und Lagerung von Lebensmitteln in unbeheizten Räumen, Ersatz von Audio-Verstärkern durch moderne, hoch effiziente Schalt Verstärker, Einsatz von Switch-Mode-Power-Supplies (SMPS) anstatt herkömmlicher Trafos) reduziert werden auf knapp unter 700 kWh im Jahr.
Für c) gilt: Je nach Nutzungsprofil wird vermutlich der worst-case Fall - bei einer ausschließlich mit PV betriebenen Anlage - immer in den Wintermonaten sein. Am Ort der hiesigen Anlage ist statistisch mit 300 Tage Sonnenschein im Jahr zu rechnen. Diese Angabe bedeutet aber nur, dass sich an 300 Tagen die Sonne zumindest kurz am Himmel zeigt. Dokumentierte Erfahrungswerte über Solarenergie-Gewinnung mittels PV-Panelen lagen nur für Frühling und Sommer vor. Der Autor akzeptierte den daraus resultierenden Risikofaktor weil eine spätere Erweiterung durch entweder zusätzliche Speicherkapazität (weitere Akkus zu den vorhandenen parallel schalten) und/oder weitere PV-Panele hinzufügen bei der Installation bereits in Betracht gezogen wurde.
Die Anlage lief seit Anfang März 2022 in einem Probebetrieb vom Netz des Energieversorgers größten Teils unabhängig. Aber das Netz war noch nicht Abgemeldet sondern nur Haus-intern vom Zählerkasten abgetrennt.
Zunächst wurde nur ein einzelner LiFePO4 Akku mit Nennspannung 12,8V / Maximalstrom (laden und entladen) 200A / Energie Kapazität 2560Wh / >= 4000 Zyklen / Ri <= 25mOhm / G = 21kg / L x B x H = 521 x 238 x 217 mm angeschafft.
Es war klar, dass die Kapazität nicht ausreicht um mehr als 3 bis 4 Tage ohne Sonneneinstrahlung zu überbrücken. Es sollte zunächst nur einmal getestet werden wie gut alles funktioniert. Danach wurde noch ein zweiter, identischer Akku zum ersten parallelgeschaltet. Dadurch verdoppelt sich der maximale Dauerstrom auf fast 400A (auf Grund von nicht ganz identischen Leitungswiderständen kann es sein, dass die theoretischen 400A nicht ganz erreicht werden). Jeder einzelne Akku wurde mit gleich kurzen (ca. 70cm) AWG2 (35mm^2) Kupferleitungen mit dem Inverter verbunden. Für 5 Sekunden kann auch der doppelte Strom entnommen werden. Das harmoniert ganz gut mit dem 3500W/7000Wmax. Inverter.
Nach anfänglichen Problemen mit der optimalen Ausrichtung der PV-Panele und einer Erweiterung der Panel-Fläche zusammen mit der Anschaffung von MMPT (Maximum Power Point Tracking) Solarreglern wurde der Energie-Liefervertrag mit dem Versorger Ende Juni gekündigt. Seither ist das Haus völlig Energie-autonom im Insel-Betrieb.
Noch ein paar Daten zu den PV Panelen die derzeit verbaut sind: Es handelt sich dabei um monokristalline Falt-Panele die eigentlich für den mobile Einsatz (z.B. Wohnmobil) vorgesehen sind. Mittelfristig sollen diese aber einer festen Installation auf dem Dach weichen.
Im Einsatz sind zwei Panele zu je 200W und ein 120W Panel (Nennleistungsangaben des Herstellers). Die Gesamtfläche beträgt etwa 3,8 m^2. Die Leistungsangaben der Hersteller sind nicht falsch aber sie gelten unter optimierten Laborbedingungen. Man kann diese Angaben in der Realität ungefähr halbieren für einen wolkenlosen Tag. Die Herstellerangaben sind nur brauchbar um Produkte verschiedener Produzenten miteinander zu vergleichen.
Der reale Ertrag - gemessen am Ausgang der Panele ist bei der beschriebenen Konfiguration - zwischen März und Oktober an sonnigen Tagen zwischen 600 und maximal 1300Wh. Bäume und ein Nebengebäude werfen am Morgen und dann am Abend Schatten auf die Panele. Bei freier Sicht wäre daher noch mehr möglich.
Diese Werte sind nur mit MPPT Solar-Regler erreichbar. Billige PWM-Regler schaffen nur weniger als die Hälfte. Die Mehrkosten von etwa 100 Euro für einen MPPT Regler sind gut investiert. Vorsicht ist geboten wenn MPPT Regler für weniger als ca. 70 Euro angeboten werden. Das sind i. A. "Mogelpackungen".
In dieser Konfiguration sind derzeit nur mehr die PV-Panelflächen der limitierende Faktor. Nicht im Sommer, wie die bisherige Erfahrung zeigt (die Akkus sind praktisch immer zwischen >60% und 100% gefüllt) aber im Winter wird es vermutlich knapp werden. Bis dahin wird die Panelfläche noch verdoppelt.
Zu erwähnen wäre noch, dass die ganze Anlage - außer den PV Panelen natürlich - in einem recht kompakten Regal auf Rollen im Wohnbereich untergebracht ist. Der Platzbedarf ist nur etwa L x B x H = 60 x 30 x 90 cm. Das Regal steht direkt an der Südwand (Innenseite) des Hauses und die Leitung geht durch die Wand direkt zu den PV Panelen. Dies ist die kürzeste Verbindung. Weitere Vorteile sind, dass der Inverter bequem vom Wohnzimmer EIN und AUS geschaltet werden kann, Messgeräte für Strom, Spannung, Leistung, eingespeiste Energie, verbrauchte Energie jeder Zeit im Blick sind und die Akkus sind keinen extremen Temperaturschwankungen ausgesetzt weil alles "indoor" ist.
Die Stromkosten beliefen sich in den vergangenen Jahre auf typisch 300 Euro im Jahr (auf Grund von Inflation konnten die Kosten auch in den Jahren nach der Einführung von Energiesparmaßnahmen nicht gesenkt werden - lediglich der Preisanstieg wurde kompensiert.
Planung und Installation erfolgten in Eigenleistung und finden daher bei der Kostenkalkulation für die Anlage keine Berücksichtigung.
Die Materialkosten beliefen sich auf etwa 3500 Euro. Dabei waren die beiden Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4) Akkumulatoren mit zusammen etwa 5000Wh für ca. 2000 Euro am teuersten. Der Autor ist aber der Ansicht, dass die wesentlich billigeren Blei-Säure Akkus letztlich nicht billiger sind wenn man bedenkt, dass deren Lebensdauer (Anzahl der Lade/Entlade Zyklen) wesentlich geringer ist.
Wie eingangs erklärt wurde eine Amortisations- und Betriebszeit von etwa 10 Jahren veranschlagt. Selbst unter Vorkrisenzeit-Energiepreisniveaus wäre dies mit der Anlage, so wie realisiert, machbar. Aus heutiger Sicht mit rasant steigenden Energiepreisen sieht die Rechnung noch besser aus. Man kann vermuten, dass - wenn sich der Kostentrend weiter so wie bisher fortsetzt - selbst bei Errichtung durch Professionisten eine Amortisation der gesamten Herstellungskosten in wesentlich weniger als 10 Jahren möglich ist.
Erwähnenswert wäre noch folgendes: Es existieren "all-in-one" Lösungen bei denen die gesamte Elektronik (Laderegler, Inverter und diverse Sonderfunktionen) plus Speicher-Batterie in einem Gehäuse untergebracht sind. Lediglich die Solar-Panele müssen noch angeschlossen werden. Diese Lösungen gibt es auch in den selben Leistungsbereichen wie die beschriebenen Anlage. Attraktiv dabei ist die kompakte Bauweise und Portabilität. Preislich sind diese Lösungen ungefähr gleich mit Einzelkomponenten-Lösungen - unter der Voraussetzung, dass man den Vergleich mit gleichen Akku-Technologien anstellt! Man muss aber bedenken, dass im Fall eines Defektes im Kombigerät meist die ganze Anlage ausfällt. Außerdem sind spätere Änderungen und Upgrades kaum möglich (nur externe Zusatz-Akkus). Das waren die Gründe weshalb die beschriebene Anlage aus Einzelkomponenten aufgebaut wurde.
Abseits des Kostenaspektes gab es aus Sicht des Autor noch andere Faktoren und Motive für die Umsetzung dieses Projektes welche sich nicht in Geld quantifizieren lassen. Da wären zum Beispiel der Umweltschutz, Nachhaltigkeit und nicht zuletzt das gute Gefühl von Unabhängigkeit in einer von Krisen gekennzeichneten Zeit.
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