Ein Dach nach Süden kein Schatten
da lässt sich doch bestimmt was machen ...
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Die
Idee
Die
Ziele
Der
Weg
Warum
eine Photovoltaik Inselanlage ?
Technik
und Sicherheit
Auslegung
/ Leistungsabstimmung
Lastmanagement
Betriebsspannung
Erdung
Leitungen
/ Überspannungsschutz / Feuerwehr-Trennschalter
Verbraucher
/ Geräte
Lichtbogen
Lieferanten
für 220V DC Schutz- und Schalteinrichtungen
Vollständige
Netzunabhängigkeit
Sicherheit
/ Risikoabschätzung
Nutzungsgrad
...
Wasserstoff ?
aber
erst einmal ... die Sturmsicherung
Der
aktuelle Stand und Erfahrungen
es
funktioniert
Betrieb
ohne Lastmanagement
Schnee
Die weitere Planung - Endausbau
Ein
weiterer String
die
neue Konfiguration
Exkurse
Heizstab,
Heizstrahler & Co.
Wärmepumpe
und PV
Dank
Hinweis
Kontakt
Die
Idee
Eine Photovoltaik Insel-Anlage für 220V Gleichstrom
Es sollen leistungsstarke
Verbraucher betrieben werden. Das sollen einfache 230V
AC Geräte sein.
Die AC Geräte sollen nicht oder nur geringfügig für
DC angepasst werden.
... ohne Wechselrichter. Auf den wird grundsätzlich
verzichtet.
Bei direkter Verwendung
des erzeugten Gleichstroms werden die Wechselrichter-Verluste
vermieden.
Und aus Sicherheitsgründen: Dann kann der Wechselrichter
z.B. nicht abbrennen.
Außerdem sind die meisten Wechselrichter ohne Batteriespeicher
nicht wirklich inseltauglich.
... ohne Batteriespeicher. Der wird im ersten Schritt
weggelassen.
Weniger Equipment bedeutet
weniger Risiko für technische Probleme. Und die Anlage wird
sicherer.
Sollte sich der Nutzungsgrad der Anlage durch einen Batteriespeicher
nennenswert steigern lassen, kann später immer noch nachgerüstet
werden.
Die elektrische Energie
wird genutzt, wie sie vom Dach kommt. Mit einer möglichst
abgespeckten Anlage.
So der Plan
mit "Luft nach oben"
Die
Ziele
ein einfaches System
ein sicheres System
ein autarkes System
testen, was geht
Der
Weg
Die Energie wird für starke Energieverbraucher verwendet.
Das sind in der Regel Wärmeerzeuger.
Unter anderem werden
elektrische Heizstrahler betrieben. Das entlastet die Zentralheizung.
Das Schöne dabei: Ein Heizstrahler strahlt Wärme
bei hoher Temperatur ab. Behaglich wie ein Ofen.
Und es werden thermische
Speichermöglichkeiten genutzt:
Ein Heizungs-Pufferspeicher der Zentralheizung
 Dort wird ein elektrischer
Heizstab eingebaut, um die Vorlauftemperatur ggf. auch über
die von der Heizkurve vorgegebene Temperatur anzuheben. Von dieser
thermischen Aufladung des Speichers kann dann abends nach Sonnenuntergang
profitiert werden. Der Start der konventionellen Heizung wird
hinausgezögert.
Das wird hauptsächlich in der Übergangszeit funktionieren.
Im Winter wird die Heizung wohl nur geringfügig entlastet.
Ein elektrischer Warmwasserspeicher
Der wird tagsüber
mit geringer Leistung (1,8 kW) geladen und stellt heißes
Wasser durchgehend zur Verfügung.
Aus 80 Litern Heißwasser mit 65°C stehen dann - mit
zugemischtem Kaltwasser - bis zu 150 Liter Warmwasser mit 40°C
zur Verfügung. Das dürfte für den üblichen
Bedarf reichen.
Mal sehen, was auf diese Weise aus einer abgespeckten Solaranlage
herauszuholen ist. Technisch und wirtschaftlich.
Warum
eine Photovoltaik Inselanlage ?
Inselbetrieb wird wegen zukünftig erwarteter reduzierter
Stabilität der Stromversorgung auch für einen Standort
mit Netzanbindung attraktiv. Besonders für die systemrelevanten
Gebäudefunktionen Heizung und Warmwasser.
Denn bei Ausfall der
öffentlichen Stromversorgung funktionieren keine Öl-,
Gas-, Pellet- und Wärmepumpen-Heizungen und keine elektrischen
Durchlauferhitzer.
Und auch konventionelle Solaranlagen und Balkonkraftwerke, deren
Wechselrichter auf ein vorgelagertes elektrisches Netz angewiesen
sind, schalten sich ab.
Selbst Solarthermie-Anlagen zur Warmwasserbereitung oder Heizungsunterstützung
arbeiten nicht mehr, da deren Steuerung und Pumpen auf elektrische
Energie angewiesen sind.
Dann ist glücklich, wer einen Kachelofen besitzt ... oder
eine autarke Energieversorgung.
Der vergleichsweise geringe
elektrische Leistungsbedarf einer Öl-, Gas- oder Pelletheizung
könnte durch ein kleines Notstromaggregat bereitgestellt
werden. Doch wäre dazu ein Eingriff in die elektrische Energieverteilungsanlage
des Gebäudes bzw. eine Änderung am elektrischen Anschluss
der Heizungsanlage erforderlich.
Der hohe elektrische
Leistungsbedarf einer Heizungs-Wärmepumpe oder eines Durchlauferhitzers
wäre nur mit Hilfe eines größeren Notstromaggregats
oder mit einer großen Batterieanlage und einer entsprechenden
elektrischen Einbindung zu decken.
Möglicherweise
bleibt die öffentliche Wasserversorgung in Betrieb, wenn
dort eine autarke Energieversorgung besteht.
So wird eine PV-Anlage interessant, die mindestens einen Basisanteil
des Heiz- und Warmwasserbedarfs eines Gebäudes deckt.
Ausgelegt als Inselanlage bietet sie die Basisversorgung auch
unabhängig von der Dauer eines Ausfalls der öffentlichen
Stromversorgung.
Und darüber hinaus senkt sie den Anteil der extern bezogene
Energie für den regulären Heiz- und Warmwasserbedarf
des Gebäudes spürbar und dauerhaft.
Anmeldung / Registrierung
(Stand 2023)
Speist eine PV-Anlage
nicht in das öffentliche Stromnetz ein und besteht keine
galvanische Verbindung zum öffentlichen Netz, muss diese
Anlage nicht beim örtlichen Netzbetreiber angemeldet und
von diesem genehmigt werden.
Ebenso ist in diesem Fall keine Anmeldung beim Finanzamt und
keine Registrierung im Marktstammdatenregister erforderlich.
Technik
und Sicherheit
Auslegung /
Leistungsabstimmung
Die Solaranlage ist
in ihrer ersten Ausbaustufe mit einer Leistung von 7,2 kWp ausgelegt.
Sie besteht aus 3 Strings mit je 2,4 kWp. Davon sind zwei Strings
parallel geschaltet.
Aus Sicherheitsgründen
sind nicht alle, sondern nur zwei Strings parallel geschaltet.
Im Fall einer Fehlfunktion oder eines Defekts sind so gefährlich
hohe Rückströme durch einen String ausgeschlossen.
Die Summe der Verbraucherleistungen
beträgt maximal 5,7 kW.
Die Konfiguration:
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Solaranlage |
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Last / Verbraucher |
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4,8 kWp (2 x 2,4
kWp) |
I sc = 25 A |
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3,8 kW (2,0 + 1,8)
kW |
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2,4 kWp |
I sc = 12,5 A |
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1,9 kW (0,5 + 0,75
+ 0,65) kW |
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Bereits eine grobe
Modellierung des Kennfeldes der Photovoltaik-Anlage im Zusammenspiel
mit Kennlinien Ohm'scher Verbraucher zeigt, dass die Peakleistung
der Solaranlage über der Leistung der Verbraucher liegen
sollte. Denn dann kann ohne automatisches MPP-Tracking auch bei
mäßiger Sonneneinstrahlung noch ausreichend Leistung
in den Verbrauchern umgesetzt werden.
Außerdem sind
Zeiten mit blitzblankem Himmel und senkrechter Sonneneinstrahlung
auf die Module äußerst selten.
Die dann auftretende Mindernutzung der Solarkapazität aufgrund
der grundsätzlichen Auslegungsdifferenz hält sich in
Grenzen.
Darüber hinaus altern die Solarmodule und ihre Leistungsfähigkeit
sinkt mit der Zeit.
Vereinfachtes
Kennfeld der Solaranlage mit Kennlinien Ohm'scher Lasten.
Das Gesamtsystem arbeitet an den Schnittpunkten.
Anmerkungen
Sol bedeutet hier
Sonneneinstrahlung
Leistung der PV-Anlage P PV 100% bei STC
, P PV 80% bei NOCT , P PV 60%, 40%, ...
aus NOCT extrapoliert
STC: Einstrahlung
1000 W/m², Zelltemperatur 25 °C, Spektrale Verteilung
von AM 1,5 (Standard Test Conditions)
NOCT: Einstrahlung 800 W/m², Umgebungstemperatur
20 °C, Windgeschwindigkeit 1 m/s (Nominal Operating
Cell Temperature)
Um den Erntegrad bei
geringer Sonneneinstrahlung zu optimieren, sollten die Verbraucher
an die Solarleistung angepasst werden können. Sie sollten
einzeln zu- und abschaltbar sein - oder noch besser - mehrere
Leistungsstufen zulassen.
Beispielsweise besitzen
Heizstrahler üblicherweise mehrere Heizwendeln, die einzeln
schaltbar sind. So kann z.B. bei trübem Wetter mit kleiner
Heizstufe mehr Energie geerntet werden als mit größerer
Heizstufe.
Beispiel im obigen
Diagramm:
Bei 20% Sonneneinstrahlung
können mit großen Verbrauchern (P Ohm1 = 5700 W Nennleistung;
Nennleistung bei 230 V) nur ca. 600 W Leistung geerntet werden.
Mit kleinen Verbrauchern (P Ohm2 = 2500 W Nennleistung) erntet
man dagegen etwa 1500 W.
Lastmanagement
Bei einer Inselanlage
ist man für das Lastmanagement grundsätzlich selbst
verantwortlich. Die Einspeisung "überschüssiger"
Solarenergie ins vorgelagerte Netz - ggf. mit Einspeisevergütung
- oder der Bezug zusätzlich benötigter Energie stehen
als bequemes offenes Ende des Systems nicht zur Verfügung.
Die Betriebsspannung eignet sich sehr gut als Parameter für
ein einfaches Lastmanagement:
Wird durch Anpassung
der Lasten bei der vorliegenden Anlage die Betriebsspannung im
Bereich zwischen etwa 170 V und 210 V gehalten, bewegt man sich
in der Nähe des MPP und die verfügbare Solarenergie
wird gut geerntet.
Eine präzise Leistungsermittlung ist nicht grundsätzlich
erforderlich. Auf eine zusätzliche Messung der Stromstärke
kann in Bezug auf das Lastmanagement verzichtet werden.
Eine Strom- / Leistungsermittlung ist nur erforderlich, wenn
der tatsächliche Energieumsatz verfolgt bzw. protokolliert
werden soll.
Das Lastmanagement lässt sich z.B. auf einem Raspberry Pi
programmieren.
Durch entsprechend angesteuerte Relais können dann einzelne
Verbraucher spannungsabhängig zu- oder abgeschaltet werden.
Zum Schutz der Relais
sollten die Schaltintervalle nicht zu kurz gewählt werden.
Deshalb wäre z.B. eine zeitlich hochauflösende Leistungsoptimierung
nachteilig. Vielmehr genügt ein über sinnvoll ausgewählte
Zeitintervalle ausgewerteter Spannungsverlauf und die entsprechend
angepasste Schaltung der Verbraucher.
Zur Auswahl von Relais
und zur Handhabung von Schaltvorgängen mehr unter Lichtbogen.
Das Lastmanagement / die Steuerung / die Regelung einer Inselanlage
ist in hohem Maß abhängig von der beabsichtigten Funktion
der Anlage, ihrer Leistungsfähigkeit und den Leistungsstufen
der zu betreibenden Verbraucher. Das beeinflusst die individuelle
Schaltlogik und die Bestimmung der Schaltintervalle bzw. die
Konfiguration und Kriterien einer selbstlernenden Regelung.
Betriebsspannung
Der Typ und die Anzahl
der Solarmodule je String sind so gewählt, dass die Stringspannung
bei Betriebsbedingungen nicht über 220 V liegt.
Wichtig ist, den negativen
Temperaturkoeffizienten der Spannungen (MPP-Spannung, Leerlaufspannung)
zu berücksichtigen. D.h. in der Regel liegen die String-Spannungen
im Winter höher als im Sommer.
Mit 220 V liegt die Betriebsspannung im Niederspannungsbereich
oberhalb des Kleinspannungsbereichs.
Zu den größten
Risiken und Gefahren bei Niederspannungs-Gleichstrom-Systemen
- insbesondere oberhalb des Kleinspannungsbereichs - zählen
Stromschlag mit Muskelkrampf und Verbrennung sowie Lichtbögen
bei Schaltvorgängen und bei technischen Defekten.
Zur Handhabung von Schaltvorgängen mehr unter Lichtbogen.
Erdung
Die Erdung der Montageschienen
der Photovoltaik-Anlage und der Modulrahmen ist selbstverständlich.
Die Anlage ist nicht
als elektrisch schwebendes System ausgeführt, sondern zur
Verringerung / Vermeidung der potentialinduzierten Degradation
(PID) ist auch der spannungsführende Teil der Anlage geerdet.
Die Modul-Hersteller geben dazu bauartbedingte Empfehlungen,
ob der Plus- oder Minus-Pol der Anlage zu erden ist.
In diesem Fall bietet sich ein quasischwebendes System mit hochohmiger
Erdung an.
Das bietet auch Schutz vor Personenschäden, wenn eine mit
der Erde in Kontakt stehende Person den nicht geerdeten Pol berührt.
Dann kann durch die hochohmige Erdung trotzdem kein Strom gefährlicher
Stärke durch die Person fließen und Krämpfe und
Verbrennungen werden vermieden.
Leitungen /
Überspannungsschutz / Feuerwehr-Trennschalter
Für alle Leitungen
von den Strings zum Verteiler werden Solarkabel mit ausreichendem
Querschnitt zur dauerhaften Leitung des möglichen Kurzschlussstroms
verwendet.
An geeigneter Stelle
zwischen Strings und Verteiler befindet sich der Generatoranschlusskasten
mit DC-Überspannungsschutz und Hauptschalter / Feuerwehr-Trennschalter.
Alle Leitungen vom
Verteiler zu den Verbrauchern sind mit passenden DC-Leitungsschutzschaltern
abgesichert.
Leitungsschutzschalter enthalten nach geltender Vorschrift eine
Lichtbogen-Löschkammer.
Bei DC-Schaltelementen
wie Hauptschalter und Leitungsschutzschalter ist unbedingt die
vorgegebene Polung / Stromflussrichtung zu beachten, damit die
Löschung des Lichtbogens zuverlässig erfolgen kann
(z.B. durch Blasmagnete).
Verbraucher /
Geräte
Für den Betrieb
mit 220V DC kommen aus dem 230V AC-Segment nur Geräte in
Frage, die keine induktiven oder kapazitiven Komponenten besitzen
(also nur Geräte ohne z.B. Wechselstrom-Motoren oder Transformatoren
und die keine Spannungswandler oder Elektronik enthalten). Also
im wesentlichen nur einfache Ohm'sche Verbraucher für eine
Effektivspannung von 230 V.
Bei einem temperaturgeregelten Gerät müssen Temperaturregler
und Sicherheits-Temperaturbegrenzer unabhängig von der Energieversorgung
des Gerätes ausschließlich auf thermischer Basis funktionieren.
Es werden einfache Ohm'sche Verbraucher verwendet, die kontinuierlich
betrieben werden können oder während der Nutzung nur
selten geschaltet werden müssen. Außerdem sind sie
nicht auf einen eng begrenzten Spannungsbereich angewiesen. Sie
zeigen keine sicherheitsrelevante Fehlfunktion bei Spannungen
deutlich unter 230 V - insbesondere keine Beeinträchtigung
der Temperatur-Regelung / -Begrenzung.
Die Regel- und Sicherheitsfunktionen
(z.B. Temperaturregler und Sicherheits-Temperaturbegrenzer) der
eingesetzten Geräte dürfen nicht beeinträchtigt
oder umgangen werden. Sie müssen weiterhin in das Regel-
und Sicherheitskonzept des verwendeten Gerätes integriert
bleiben. Mehr dazu unter Lichtbogen.
Lichtbogen
Die in gewöhnlichen
230V AC-Geräten verbauten Schalter oder Relais können
nicht zur Schaltung der Geräteleistung bei Gleichstrom genutzt
werden. Beim Schaltvorgang würde der Lichtbogen die Kontakte
zerstören und es bestünde hohe Brandgefahr.
Aus diesem Grund wird bei thermostatisch geregelten Geräten
der eingebaute Temperaturregler bzw. Sicherheits-Temperaturbegrenzer
genutzt, um ein zusätzliches DC-Leistungsrelais anzusteuern,
das die hohe Leistung des Heizelements bei 220V DC zuverlässig
schalten kann.
 Bei DC-Leistungsrelais ist
unbedingt die vorgegebene Polung / Stromflussrichtung zu beachten,
damit die Löschung des Lichtbogens zuverlässig erfolgen
kann - z.B. durch Blasmagnete.
Zusätzlich kann zur Reduktion des Öffnungs-Lichtbogens
an den Relaiskontakten ein RC-Glied parallel zum Relais verwendet
werden.
Z.B. unter http://www.mikrocontroller.net/attachment/45846/RC_Glied.pdf
findet sich ein entsprechendes Nomogramm zur Dimensionierung
des RC-Glieds.
Die Schaltung erhöht jedoch den initialen Einschaltstrom.
Deshalb empfiehlt es sich, die Schaltung gegebenenfalls anzupassen,
um den Schließfunken an den Relaiskontakten klein zu halten.
Es ist zu testen, ob
sich auch bei unterschiedlichen Spannungen und Strömen mit
nur einer Auslegung der Snubber-Schaltung je Last ein Schalt-Lichtbogen
gut reduzieren lässt.
Alternativ können z.B. auch zwei DC-Leistungsrelais in Reihe
geschaltet und gleichzeitig angesteuert werden. Bei Aufteilung
des Schalt-Lichtbogens auf mehrere Schaltstrecken sind die einzelnen
Lichtbögen weniger energiereich. Die Belastung der Relaiskontakte
sinkt, die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Relais steigt.
Ein informativer Beitrag zum Thema Lichtbogen findet sich unter
https://wirautomatisierer.industrie.de/themen/schaltgeraete/e-t-a-was-bei-der-lichtbogenloeschung-in-niederspannungsschaltgeraeten-zu-beachten-ist/
 Ein ungeregelter Verbraucher
wie z.B. ein Heizstrahler kann weitgehend kontinuierlich betrieben
werden ... klar, nur im Winter und in den Übergangszeiten.
Im Sommer bleibt er abgeschaltet.
Die Schaltung kann mit dem DC Leitungsschutzschalter am Verteiler
erfolgen, nicht unter Last mit dem Geräteschalter oder Stecker.
Geschaltet werden sollte möglichst bei niedriger Spannung
und geringer Last. Also am besten, wenn die Solaranlage nicht
produziert - z.B. bei Dunkelheit.
Für den Betrieb
mit Gleichstrom eignen sich nur einfach aufgebaute Heizstrahler,
die für Dauerbetrieb zugelassen sind, ohne Schalt-/Regel-Elektronik
und ohne internen Überhitzungsschutz. Denn AC-Elektronik
würde mit DC üblicherweise nicht funktionieren und
Schaltelemente und auch der Überhitzungsschutz würden
beim Auslösen einen Lichtbogen erzeugen.
Zur Sicherheit kann
bei Heizstrahlern mit mehreren Heizwendeln nur eine Wendel betrieben
werden. Dann dürfte auch im Dauerbetrieb eine gefährliche
Erwärmung des Gerätes praktisch ausgeschlossen sein.
Außerdem genügt im Dauerbetrieb sowieso meist schon
die "kleine" Heizstufe für angenehme Raumtemperierung.
Lieferanten für
220V DC Schutz- und Schalteinrichtungen
Da 220V Gleichstromsysteme
zumindest in Deutschland nur eine Nische besetzen, kann die Suche
nach preislich akzeptablen Alternativen zu chinesischen Leitungsschutzschaltern
für Gleichstrom etwas aufwändiger sein ...
Z.B. bei https://schutzschalter-online.de/
bekommt man Leitungsschutzschalter von OEZ für =220V
/ ~230/400V.
Und z.B. bei
https://mouser.de/
gibt's elektromechanische Relais zur Schaltung von Strömen
bis 10A bei 220V DC.
Vollständige
Netzunabhängigkeit
Damit die Anlage vollständig
netzunabhängig arbeitet und das automatische Lastmanagement
auch bei Ausfall des öffentlichen Stromnetzes funktioniert,
erfolgt die Energieversorgung für die Regelung einschließlich
Ansteuerung der DC-Leistungsrelais solar.
Sicherheit /
Risikoabschätzung
Wo Energie umgesetzt
wird, kann es auch gefährlich werden. Der GAU: Ein Brand,
ausgelöst durch die in guter Absicht errichtete Solaranlage.
Erfahre ich von einem Brand an einer Solaranlage, ist's mir immer
mulmig.
Nicht selten stellt sich heraus, dass bei einem Brand der Wechselrichter
oder andere Leistungselektronik eine Rolle spielt.
Und auch Batteriespeicher
bergen Risiken: Zum Beispiel können Defekte in den Batteriezellen
auftreten und zu außergewöhnlicher Wärmeentwicklung
führen. Auch können fehlerhafte oder alternde stromführende
Verbindungen mit höherem Übergangswiderstand ein Risiko
für Schmorkontakte darstellen. Diese können durch die
systembedingt auftretenden hohen Ströme gefährlich
werden. Und auch die Elektronik des Batteriemanagements kann
zur Ursache für einen Schaden werden.
Diese Risiken werden
bei der hier dargestellten Anlage umgangen, indem auf die entsprechenden
Komponenten verzichtet wird.
Aber: Ohne
Wechselrichter, bei Verwendung von Gleichstrom, müssen alle
Schaltvorgänge zuverlässig gehandhabt werden.
Dafür sind zusätzliche Maßnahmen erforderlich.
Werden dafür z.B. elektromechanische Gleichstrom-Relais
verwendet, sind diese weniger komplex, verglichen mit einem Wechselrichter.
In dem Fall können sogar Funktion und ggf. Verschleiß
der Relais leicht beobachtet und überwacht werden.
Werden alternativ DC-Halbleiter-Relais verwendet, entfällt
die Möglichkeit der Überwachung.
Erfahrungsgemäß
sind einfache technische Anlagen weniger fehleranfällig
als Anlagen mit vielen oder komplexen Komponenten.
Im konkreten Fall lässt sich durch Reihenschaltung von zwei
220V DC-Relais je geschalteter Last das Risiko für einen
gravierenden Defekt zusätzlich senken - trotz der zusätzlichen
Bauteile.
Das von einer so ausgerüsteten
Gleichstrom-Anlage ausgehende Risiko für gravierende Schäden
wird geringer sein als das Risiko einer Anlage mit Wechselrichter.
Insbesondere, wenn elektromechanische DC-Relais verwendet werden
und dann deren ordnungsgemäße Funktion gut überwacht
werden kann.
Darüber hinaus liegt auch die String-Spannung der Gleichstrom-Anlage
mit 220 V deutlich niedriger als die String-Spannung der meisten
Solaranlagen mit Wechselrichter. Das bedeutet weniger Leistung
je String und im Fehlerfall weniger Risiko.
Unabhängig von der technischen Konfiguration der Anlage
müssen natürlich die Sicherheitsregeln bzgl. Montage
beachtet werden.
So verbieten sich z.B. Trägerkonstruktionen oder Kapselungen
aus brennbaren Materialien. Auch sollten in unmittelbarer Nähe
der elektrischen Anlage keine brennbaren oder leicht entzündlichen
Stoffe gelagert werden.
Nutzungsgrad
Es ist klar, dass die Anlage unter der grundsätzlichen Unausgewogenheit
leidet, dass die meiste Energie hauptsächlich im Sommer
anfällt, wenn nur wenig Bedarf besteht.
Das Speicherproblem.
Zwar können die
"dunklen" Stunden eines üblichen Haushalts aus
einem kleinen Batteriespeicher recht gut bedient werden.
Eine solche bei z.B. Einfamilienhaus-Anlagen übliche Batterie
wird tagsüber meist in null-komma-nix geladen. Wenn sie
voll ist, wird der Überschuss der Solarenergieproduktion
ins Netz eingespeist.
Bei einer Inselanlage kann diese überschüssige Solarenergie
dagegen nicht geerntet werden.
Bei hohem Solarenergieaufkommen
kann aber auch der Netzbetreiber den einzuspeisenden Solarstrom
manchmal nicht gebrauchen. Das wird mit zunehmendem Solar-Ausbau
häufiger auftreten.
Der geringe Wert dieser solaren "Überschussproduktion"
zeigt sich auch in der kontinuierlich sinkenden Einspeisevergütung.
Übergeordnet bleibt das Problem der Produktion, die dem
Bedarf nicht kurzfristig angepasst werden kann. Und darüber
hinaus das Problem der saisonalen Speicherung. Die Grundprobleme
der Energiewende.
Auch mit der vorliegenden
Anlage kann die anfallende Solarenergie nur im Winter und in
den Übergangszeiten weitgehend vollständig für
Heizung und Warmwasserbereitung genutzt werden - wie im Diagramm
dargestellt. Im Sommer, ohne Heizung, ist für eine Energienutzung
und Kurzfrist-Speicherung die verbleibende Warmwasserbereitung
nur eine kleine Teillösung (ca. 5 kWh je Speicherfüllung.
Das entspricht in etwa der Größenordnung eines für
ein Einfamilienhaus üblichen Batteriespeichers.).
Für den überwiegenden
Teil der im Sommer anfallenden Solarenergie besteht keine (kostengünstige)
Speichermöglichkeit, um die Energie in den Winter zu retten.
Die Größenordnung: Mit dem Jahresertrag einer
gut ausgerichteten 7 kWp Solaranlage könnten etwa 100 m³
Wasser auf 95°C erwärmt werden. Bei Nutzung zu Heizzwecken
und Abkühlung auf 35°C würde das ca. 700 Liter
Heizöl ersetzen. ... da müsste der gesamte Keller
eines EFH zum Warmwasserspeicher werden. Davon abgesehen wäre
der Wärmeverlust eines solchen saisonalen Speichers mit
kostengünstiger Isolationstechnik nicht zu handhaben und
unverhältnismäßig hoch.
Es
bleibt also Raum für weitere Ideen.
... Wasserstoff
?
Interessant könnte
beispielsweise die dezentrale Erzeugung von Wasserstoff mit überschüssiger
Solarenergie werden.
Zwar arbeiten Elektrolyseure
mit vergleichsweise ungünstigen Wirkungsgraden. Und Wasserstofftechnik
im kleinen und privaten Rahmen müsste sicher handhabbar
sein.
Doch langfristig wäre die Einspeisung von Wasserstoff in
Erdgas-Endverteilnetze auf niedriger Druckstufe denkbar - ggf.
"rückwärts" über den bereits bestehenden
Erdgasanschluss eines Gebäudes. Vergleichbar mit der bereits
lange praktizierten Einspeisung von privat produziertem Solarstrom
über den elektrischen Hausanschluss.
Die damit einhergehenden Herausforderungen der bidirektionalen
Energiemengenermittlung und -abrechnung sind von fähigen
Ingenieuren und kooperativen Bürokraten schnell zu handhaben.
Denn Kleinvieh macht
auch Mist. Die dezentrale Erzeugung und Einspeisung von Wasserstoff
in Gasversorgungssysteme würde eine punktuelle großtechnische
Bereitstellung - ggf. auch Importe - ergänzen und darüber
hinaus sogar die Angreifbarkeit der Versorgung im Krisenfall
reduzieren. Schritte zur Verbesserung der Versorgungssicherheit
in Richtung Energie-Autarkie.
Zukünftig werden grundsätzlich Lösungen benötigt,
um alle "überschüssig" anfallende Energie
direkt zu nutzen oder zu speichern.
Die Abregelung von Wind- und Solarenergieproduktion - zukünftig
in zunehmendem Umfang - wird weder politisch noch wirtschaftlich
argumentierbar sein und verbietet sich auch aus ökologischer
Sicht.
aber
erst einmal ...
muss ich
mich um eine andere Angelegenheit kümmern.
Denn auf meinem Dach
gibt's ein Problem, mit dem ich nicht gerechnet habe:
Die Sturmsicherung
...
Der
aktuelle Stand und Erfahrungen
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Die Anlage ist installiert
und funktioniert, wie sie soll.
Und auch an sehr trüben
Tagen lässt sich mit kleinen Verbrauchern noch die geringe
Energie des diffusen Lichts ernten.
Energie, die nicht im Wechselrichter steckenbleibt.
Das hat sich besonders
während der trüben Wochen im Winter 2023/24 gezeigt,
in denen selbst 10% der Peakleistung nicht zu verachten waren.
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Betrieb ohne Lastmanagement
Die Anlage lässt
sich - mit mäßigen Ertragseinbußen - auch bequem
ohne Lastmanagement mit einer festen Grundeinstellung betreiben.
Ohne wechselnde Anpassung der Verbraucher an veränderliche
Sonneneinstrahlung und verfügbare Energie. Das schont die
DC-Schaltelemente und erhöht die Zuverlässigkeit der
Anlage.
Eine akzeptable Energieausbeute wird nach meiner Erfahrung erreicht,
wenn etwa 0,3 bis 0,5 kW Verbraucherleistung je 1 kWp installierte
Solarleistung zugeschaltet sind.
Mit dieser Einstellung erziele ich mit meiner Anlage (Standort
bei Hannover, Süd-Ausrichtung, 45° Dachneigung) durchschnittlich
einen guten Ertrag. Der grobe Daumenwert passt z.B. zu wechselnder
Bewölkung und zu dem über den Tagesverlauf veränderlichen
Sonnenstand auf den Modulen.
Bei optimaler Sonneneinstrahlung
steht zwar mehr Energie zur Verfügung, die dann nicht vollständig
geerntet wird. Jedoch sind solche Phasen vergleichsweise selten.
Und bei weniger Sonneneinstrahlung als 30% sind die Ertragseinbußen
durch nicht angepasste Verbraucher auch vergleichsweise gering,
da selbst mit angepassten Verbrauchern insgesamt nur wenig Energie
geerntet werden könnte.
Bei trübem Wetter
schalte ich nur ca. 0,1 bis 0,2 kW Verbraucherleistung je 1 kWp
installierte Solarleistung und ernte die kleinen verfügbaren
Energiemengen.
Der einfache Betrieb ohne Lastmanagement eignet sich besonders
im späten Frühling, an kühlen Sommertagen und
im frühen Herbst, wenn während des Tagesverlaufs keine
Optimierung der Heizleistung erforderlich ist. Und auch
bei gegebener Wetterprognose, wenn über einen Zeitraum mehrerer
Tage ohne Eingriff die durchschnittliche Energieausbeute möglichst
hoch sein soll.
|
Schnee
Bei 45° Dachneigung
rutscht auch der Schnee - so er sich denn mal zeigt - morgens
recht bald von den Modulen.
An einem strahlenden Tag heizt die Anlage dann richtig ein.
Macht Lust auf MEHR.
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Die
weitere Planung
 Die Erweiterung um einen 4.
String ist keine Frage.
Zwar sind die bisher
verwendeten Module nicht mehr erhältlich, doch passen die
elektrischen Kennwerte neuer Module hervorragend ins Konzept.
Der vierte String aus 5 neuen Modulen lässt sich mit einem
String aus 6 alten Modulen parallelschalten.
Es werden noch 2,2 kWp zugebaut.
Die Gesamt-Leistung wird dann 9,4 kWp betragen.
Je 2 der 4 Strings sind dann parallel geschaltet.
Die Summe der Verbraucherleistungen
wird dann für Dauerbetrieb bis zu 7,8 kW betragen. Im Spitzenbetrieb
sind weitere Verbraucher zuschaltbar.
Die neue Konfiguration
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Solaranlage |
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Last / Verbraucher |
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4,8 kWp ( 2 x 2,4
kWp ) |
I sc = 25 A |
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3,9 kW (2,0 + 0,75
+ 0,5 + 0,65) kW |
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4,6 kWp (2,4 +
2,2 kWp) |
I sc = 23 A |
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3,9 kW ( 1,8 +
3 x 0,6 + 0,3 ) kW |
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... und so ist's geworden:
Exkurse
Heizstab, Heizstrahler
& Co.
Zum elektrischen Heizen
stehen viele technische Möglichkeiten zur Verfügung.
Beispielsweise sind das Heizstäbe zur Wärmeübertragung
an Wasser-Heizkreisläufe.
Zur direkten Beheizung von Wohnräumen können z.B. auch
Heizlüfter, Infrarot-Heizflächen und Heizstrahler genutzt
werden.
Heizstab
Ein Heizstab lässt
sich meist ohne großen baulichen Aufwand in einen vorhandenen
Heizungspufferspeicher nachrüsten und unterstützt von
dort das vorhandene Heizsystem. Dabei wird auch das Speichervermögen
des Pufferspeichers genutzt.
Die Raumheizung erfolgt wie gewohnt über die Fußbodenheizung
oder Heizkörper des Gebäudes.
Ein Heizstab ist neben dem üblichen Betrieb mit Wechselstrom
prinzipiell auch für den Betrieb mit Gleichstrom geeignet,
wenn er nur aus einem ohm'schen Heizwiderstand besteht. Bei Betrieb
mit Gleichstrom ist es essenziell, die Schaltvorgänge sicher
zu handhaben (Gefahr durch Lichtbogen). Es werden auch regelbare
Heizstäbe explizit für den Betrieb mit Gleichstrom
angeboten.
Ein elektrischer Heizstab
ist sehr gut geeignet, ein bestehendes Heizungssystem solar zu
unterstützen - und ebenso die Warmwasserbereitung.
Heizlüfter
Übliche Heizlüfter
können wegen ihrer Wechselstrom-Lüftermotoren ausschließlich
mit Wechselstrom betrieben werden. Sie laufen meist nicht geräuschlos
und erzeugen Zugluft.
Heizlüfter erwärmen primär die durchgesetzte Luft.
Die gefühlte und messbare Lufttemperatur im beheizten Raum
wird unmittelbar beeinflusst. Die Raumluft erwärmt in der
Folge allmählich die Wände des beheizten Raums.
Wird der Heizlüfter abgeschaltet, beginnt die Lufttemperatur
rasch wieder zu sinken, da die Wärme der Raumluft auf die
kühleren Wände übergeht.
Infrarot-Heizflächen und Heizstrahler
Infrarot-Heizflächen
und besonders Heizstrahler strahlen Wärme bei hoher Temperatur
ab. Sie übertragen die Wärme primär an die von
der Strahlung getroffenen Flächen. In einem Wohnraum werden
also hauptsächlich Zimmerwände und Möbel erwärmt.
Befindet man sich im Strahlungsbereich, empfindet man die unmittelbar
auftreffende Wärmestrahlung als angenehm.
Die angestrahlten Körper erwärmen sich aufgrund ihrer
großen Massen nur langsam. Und erst in der Folge erwärmt
sich ganz allmählich auch die Raumluft.
Das Prinzip der Strahlungsheizung ist tendenziell träge
(sofern man sich nicht unmittelbar vor den Strahler setzt). Strahlungsheizung
bewirkt aber durch die Erwärmung großer Massen eine
vergleichsweise gute Speicherung der Wärme in der Bausubstanz
und damit eine zeitlich ausgeglichene Raumtemperatur.
Wird die Strahlungsheizung solar betrieben, fällt ein unregelmäßiger
Solarertrag nicht stark ins Gewicht. Denn die aufgewärmten
Gebäudewände liefern auch nach Sonnenuntergang oder
an einem trüben Tag noch einen guten Beitrag zur Temperierung
der Räume.
Strahlungsheizungen sind neben dem üblichen Betrieb mit
Wechselstrom allermeist auch für den Betrieb mit Gleichstrom
geeignet, wenn sie aus ohm'schen Heizwiderständen bestehen.
Bei Betrieb mit Gleichstrom ist es wieder essenziell, die Schaltvorgänge
sicher zu handhaben (Gefahr durch Lichtbogen).
Infrarot-Heizflächen
und Heizstrahler sind gut geeignet, die Raumheizung solar zu
unterstützen. Sie beeinflussen das Wärmeempfinden im
Wohnraum jedoch direkter als ein Heizstab im Heizungspufferspeicher.
Wärmepumpe
und PV
Oft wird für eine
Heizungs-Wärmepumpe die Kombination mit einer Photovoltaik-Anlage
vorgeschlagen.
Häufig wird in
diesen Vorschlägen die AC-Einbindung des PV-Systems mit
Wechselrichter und ggf. Batteriespeicher zur Stromversorgung
der WP vorausgesetzt.
Weniger häufig wird die PV-Unterstützung der Heizung
per Heizstab im AC-Betrieb betrachtet.
Selten wird ein Inselbetrieb der WP-Heizung per PV und Batteriespeicher
betrachtet.
Ebenfalls selten wird die PV-Unterstützung der Heizung per
Heizstab und Heizstrahler im direkten DC-Betrieb betrachtet.
Es lohnt sich, verschiedene
Kombinationen 'WP + PV' zumindest qualitativ nebeneinander zu
stellen.
WP Betrieb mit
Strom aus dem Netz + Betrieb mit PV-Strom / AC +
Batteriespeicher
Eine Wärmepumpe
ist verstärkt bei niedriger Außentemperatur gefordert.
Im Winter ist das hauptsächlich morgens vor Sonnenaufgang
(nach einer eventuellen Nachtabsenkung der Vorlauftemperatur
des Heizsystems) und abends nach Sonnenuntergang sowie an trüben
Tagen der Fall. Dann steht keine Solarenergie zur Verfügung.
Bei Sonnenschein, wenn eigene Solarenergie verfügbar ist,
besteht tendenziell weniger Heizbedarf. Zu solchen Zeiten läuft
eine Wärmepumpe häufig intermittierend und kann den
augenblicklich verfügbaren PV-Strom auch nur intermittierend
nutzen.
Wenn die Wärmepumpe läuft, setzt sie den Solarstrom
jedoch effizient in Wärme um ( "Wirkungsgrad"
COP der WP >> 1).
Soll der eigene Solarstrom
in größerem Umfang zum effizienten Heizen per Wärmepumpe
genutzt werden, ist ein entsprechend dimensionierter Batteriespeicher
erforderlich.
WP Inselbetrieb
nur mit PV-Strom + Batteriespeicher
Soll die Wärmepumpe
ausschließlich mit eigenem Solarstrom als Insel betrieben
werden, wird ein großer Batteriespeicher benötigt,
um die Antriebsenergie für die Wärmepumpe ggf. über
mehrere trübe Tage ohne Sonnenschein bereitstellen zu können.
Auch die PV-Anlage muss dann entsprechend groß dimensioniert
sein, um den Batteriespeicher rasch wieder aufladen zu können,
wenn die Sonne scheint.
Eine so groß
dimensionierte Anlage wird im Sommer weit mehr Energie produzieren,
als dann für den Eigenverbrauch erforderlich ist.
Bei Inselbetrieb muss
der Wechselrichter technisch geeignet sein, mindestens die erforderliche
Leistung zum Betrieb der Wärmepumpe vollständig netzunabhängig
bereitstellen zu können.
WP Betrieb mit
Strom aus dem Netz + Unterstützung der Heizung
mit PV-Strom
In den Übergangszeiten
besteht insgesamt ein geringerer Heizwärmebedarf als im
Winter. Und es werden auch geringere Vorlauftemperaturen benötigt.
Eine Wärmepumpe läuft dann häufig intermittierend.
In diesen Zeiten kann der Heizungs-Pufferspeicher (ein Wärmepumpen-Heizsystem
wird allermeist in Kombination mit einem Pufferspeicher betrieben)
per Heizstab mit eigenem PV-Strom auf mehr als die benötigte
Vorlauftemperatur aufgeheizt werden. Dann kann die Wärmepumpe
abgeschaltet bleiben. Ggf. steht auch abends nach Sonnenuntergang
noch genügend Energie auf hohem Temperaturniveau im Pufferspeicher
zur Verfügung, um ohne Einsatz der Wärmepumpe zu heizen
(bei dieser Betriebsweise kann es vorkommen, dass die Wärmepumpe
in den Störmodus schaltet, solange die Vorlauftemperatur
über der von der Heizkurve vorgegebenen Temperatur liegt).
Der Betrieb des Heizstabs im Pufferspeicher kann mit AC oder
DC primär im Solar-Insel-Betrieb erfolgen. Ein AC-Netzbetrieb
des Heizstabs ist nicht effizient.
Bei entsprechender
Dimensionierung des Heizstabs und ggf. zusätzlicher Nutzung
von Heizstrahlern kann im Winter und in den Übergangszeiten
der gesamte selbst produzierte Solarstrom zur Heizungsunterstützung
genutzt werden.
Abwägung
Unter den vielen möglichen
Kombinationen 'WP + PV' bleiben aus meiner Sicht im wesentlichen
3 Alternativen gegeneinander abzuwägen. Die nachfolgenden
Aspekte sollen dafür ein Ansatz sein und sind nicht vollständig.
Und es wird nur aus persönlicher Sicht qualitativ grob abgeschätzt
( - / 0 / + ) .
Im Einzelfall sollten besonders die wirtschaftlichen Aspekte
genauer quantifiziert werden.
WP Betrieb mit Strom aus dem Netz + Betrieb mit PV-Strom
/ AC
Das Heizen erfolgt
nur mit Wärmepumpe
0 Investition
für Wechselrichter
0 technisch mäßig komplex / mäßige
Fehleranfälligkeit (Wechselrichter)
- geringe Ersparnis beim WP-Betrieb durch geringen
Nutzungsumfang des eigenen PV-Stroms
- kein Betrieb bei Stromausfall möglich (Wechselrichter
meist nicht inseltauglich)
WP Betrieb mit Strom aus dem Netz + Betrieb mit PV-Strom
/ AC + Batteriespeicher
Das Heizen erfolgt
nur mit Wärmepumpe
- Investitionen
für Wechselrichter + Batteriespeicher
- technisch komplex / erhöhte Fehleranfälligkeit
(Wechselrichter + Batteriespeicher)
+ hohe Ersparnis beim WP-Betrieb durch hohen Nutzungsumfang
des eigenen PV-Stroms
- kein Betrieb bei Stromausfall möglich (Wechselrichter
meist nicht inseltauglich)
WP Betrieb mit Strom aus dem Netz + Unterstützung
der Heizung mit PV-Strom / DC Inselanlage
Das Heizen erfolgt
mit Wärmepumpe und netzunabhängigem PV-Heizstab / Heizstrahler
+ keine
Investitionen für Wechselrichter und Batteriespeicher
+ technisch einfach / geringe Fehleranfälligkeit
(kein Wechselrichter und kein Batteriespeicher)
Das gilt natürlich nur, wenn das DC-Konzept
sicher umgesetzt wird.
0 mäßige Ersparnis beim WP-Betrieb durch
PV-Heizungsunterstützung im Winter
und bis zu 100 % PV-Heizung in den Übergangszeiten
0 PV-Heizbetrieb ist auch bei Stromausfall möglich
(bei Sonne).
Das ist bei reduzierter Netzstabilität
von Vorteil.
Dank
Vielen Dank an all jene, die in Foren und mit Fachbeiträgen
im Netz ihre Gedanken, Erfahrungen und ihr Wissen teilen.
Daraus war großer Nutzen zu ziehen und manche Idee weiter
zu verfolgen.
Hinweis
Im vorliegenden Beitrag ist ein Projekt mit experimentellem Charakter
beschrieben.
Keine Gewähr oder Haftung für administrative oder technische
Einzelheiten.
und
immer willkommen :
Kontakt
Immanuel Hahnenstein
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