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Solar Energie vom Dach

Dachblog

Photovoltaik Inselanlage 220V DC Gleichstrom       Solar - Ausrichtung für guten Ertrag
Eine Sturmsicherung - ein Problem       Vertikalrotor für eine Windenergie Kleinanlage
Zentral-Heizung im Schwerkraftbetrieb
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Photovoltaik Inselanlage 220V DC Gleichstrom statt 230V AC

 


Ein Dach nach Süden       kein Schatten       da lässt sich doch bestimmt was machen ...

 

Auf dieser Seite:

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

Ein weiterer String

die neue Konfiguration

 

Exkurse

Heizstab, Heizstrahler & Co.

Wärmepumpe und PV

Dank

Hinweis

Kontakt

 

Die Idee


Eine Solaranlage.     Eine Photovoltaik Inselanlage 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 oder eine autarke Energieversorgung besitzt ...


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 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, um im Fall einer Fehlfunktion oder eines Defekts gefährlich hohe Rückströme durch einen String auszuschließen.

Die Summe der Verbraucherleistungen beträgt maximal 5,7 kW.

 

Die Konfiguration:

Solaranlage
Last  /  Verbraucher
4,8 kWp   (2 x 2,4 kWp) I sc = 25 A 3,8 kW   (2,0 + 1,8) kW
2,4 kWp I sc = 12,5 A 1,9 kW   (0,5 + 0,75 + 0,65) kW

 

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.

 

Photovoltaik Inselanlage 220 V DC Gleichstrom - vereinfachte Kennlinien

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 ist 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, nie 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 Erzeugung von Wasserstoff mit überschüssiger dezentraler 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 das Erdgas-Endverteilnetz 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.


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

 

 

 


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.

 

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.


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.   Oder wenn über einen längeren Zeitraum 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.

 

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 7,8 kW betragen.

 

Die neue Konfiguration

Solaranlage
Last  /  Verbraucher
4,8 kWp   ( 2 x 2,4 kWp ) I sc = 25 A 3,9 kW   (2,0 + 0,75 + 0,5 + 0,65) kW
4,6 kWp   (2,4 + 2,2 kWp) I sc = 23 A 3,9 kW   ( 1,8  +  3 x 0,6  +  0,3 ) kW

 

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 :

 

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Immanuel Hahnenstein

 

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