Bis zu 75% netzunabhängige Photovoltaik-Stromversorgung

Autor: Christoph Geißler, B.Eng. Mechatronik
Co-Autor: Eberhard Zentgraf, Dipl.-Ing. (FH) Elektrotechnik

An Planung, Aufbau, Messungen und Auswertung beteiligtes
wissenschaftliches Team:
C. Geißler
E. Zentgraf
A. Wolf
S. Hock
A. Zentgraf
S. Schulz
T. Staab
M. Moore

 

A. Inhaltsverzeichnis

A. Inhaltsverzeichnis    2
B. Abbildungsverzeichnis    3
C. Tabellenverzeichnis    4
1. Einleitung    5
2. Ertrag eines Süd-Daches    6
3. Ertrag von Ost- plus West-Dach    10
4. Gegenüberstellung Süd ? Ost-West    13
4.1. Ertragsvergleich    13
4.2. Wirtschaftlichkeits-Betrachtung ohne Speicher    14
4.3. Wirtschaftlichkeits-Betrachtung mit Speicher    16
5. Eigenverbrauchsoptimierung ohne Speicher    18
5.1. Eigeninitiative    18
5.2. Smart Metering    18
6. Inselanlagen mit möglichst hoher Autarkie    19
6.1 Reale Messung zur Autarkie    19
7. Eigenverbrauchsoptimierung mit elektrochemischen Speichern    24
7.1. Konventionelle Akkutechnologien    24
7.1.1. Bleiakkumulatoren    24
7.1.2. Redox-Flow    25
7.2. Weitere Akkutechnologien    26
7.2.1. Li-Ionen Technologie    26
7.2.2. Nickel Batterie    26
8. Eigenverbrauchsoptimierung mit anderen Speichermedien    28
8.1. Wasserstoff    28
8.2. Methan    28
8.3. Methanol    28
8.4. Druckluft    28
8.5. Schwungrad    29
8.6. Pumpspeicher    29
8.7. Wassererwärmung    30
8.8. Kühl- / Gefriergeräte    30
8.9. Klimaanlagen / Klimageräte    30
8.10. Eisheizung    30
8.11. BHKW    31
9. Fazit und Kommentar zur Ost-West-Dachbelegung und zur Optimierung des Eigenverbrauch    32
D. Quellenverzeichnis    33

B. Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Prozentanteil vom maximal möglichen Ertrag in Abhängigkeit der Ausrichtung und der Dachneigung [1]    6
Abbildung 2: Leistungskurve von Modulen in Südausrichtung normiert auf ein kWp bei Sonnenschein, am 26.05.12    7
Abbildung 3: Globalstrahlung vom 26.05.2012    7
Abbildung 4: Leistungskurve von Modulen in Südausrichtung normiert auf ein kWp bei starker Bewölkung, am 15.05.12    8
Abbildung 5: Globalstrahlung vom 15.05.2012    9
Abbildung 6: Leistungskurve von Modulen in Ost-West-Ausrichtung normiert auf ein kWp bei Sonnenschein    11
Abbildung 7: Leistungskurve von Modulen in Ost-West-Ausrichtung normiert auf ein kWp bei starker Bewölkung    12
Abbildung 8: Ertragsvergleich Süd ? Ost-West am 26.05.2012    13
Abbildung 9: Ertragsvergleich Süd ? Ost West am 15.05.2012    14
Abbildung 10: Ertrag eines Süd-Daches (5 kWp) und eines Ost- (3 kWp) plus West-Daches (3 kWp) im Vergleich zum Tagesbedarf    20
Abbildung 11: Ertrag eines Süd-Daches (5 kWp) und eines Ost- (5 kWp) plus West-Daches (5 kWp) im Vergleich zum Tagesbedarf    21
Abbildung 12: Überschuss und Zukauf von Energie bei einem Süd-Dach mit 5 kWp    22
Abbildung 13: Überschuss und Zukauf von Energie bei einem Ost- (3 kWp) plus West-Dach (3 kWp)    22
Abbildung 14: Überschuss und Zukauf von Energie bei einem Ost- (5 kWp) plus West-Dach (5 kWp)    23
Abbildung 15: Schema einer Bleibatterie [2]    24
Abbildung 16: Schema einer Redox-Flow Batterie [2]    25
Abbildung 17: Schema einer Li-Ionen Batterie [3]    26
Abbildung 18: Druckluftspeicher-Kraftwerk in Huntdorf [5]    29
Abbildung 19: Schema eines Pumpspeicherkraftwerks [6]    30
Abbildung 20: Schema einer Eisheizung [7]    31
Abbildung 21: Schema eines BHKW [8]    31

C. Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Grundwerte für unsere Süd-Anlage    14
Tabelle 2: Bilanz mit Strompreiserhöhungen für eine Süd-Anlage    15
Tabelle 3: Anlagenwerte bei einer Ost-West-Belegung    15
Tabelle 4: Bilanz für eine 6 kWp Ost-West-Anlage    15
Tabelle 5: Bilanz für eine 10 kWp Ost-West-Anlage    15
Tabelle 6: Grundwerte bei einer Anlage mit Speicher in Süd-Ausrichtung    16
Tabelle 7: Bilanz bei steigenden Strombezugspreisen    16
Tabelle 8: Anlagenwerte für eine Ost-West-Anlage mit Speicher    16
Tabelle 9: Bilanz einer 6 kWp Ost-West-Anlage    17
Tabelle 10: Bilanz einer 10 kWp Ost-West-Anlage    17
Tabelle 11: Übersicht verschiedener Anlagen    21

1. Einleitung

Dieser Bericht des TEC-Instituts für technische Innovationen befasst sich mit der PV-Eigenverbrauchsoptimierung und der sog. Ost-West-Dachbelegung mit PV-Modulen. Bei der Ost-West-Ausrichtung handelt es sich um eine Alternative zur herkömmlichen Dachbelegung bei der die Module vorzugsweise in Richtung Süden ausgerichtet werden. Hier werden die Module sowohl nach Osten als auch nach Westen ausgerichtet.

Es wird anhand eigener Messungen und Untersuchungen u.a. aufgezeigt, dass bei Dächern die nach Osten und Westen ausgerichtet sind, nur ca. 20% mehr PV-Module installiert werden müssen, um auf nahezu den gleichen Energieertrag zu kommen, wie bei einer reinen Süd-Ausrichtung.

Was das Ganze mit der Eigenverbrauchsoptimierung mit und ohne Speicher zu tun hat wird ausführlichst in den nachfolgenden Kapiteln erläutert.

Diese ganze Thematik entstand unter dem Hintergrund der sich ständig verringernden Einspeisevergütung und der wankelmütigen Politik, auf die sich die PV-Branche in Zukunft nicht mehr verlassen will und kann, um auch weiterhin wettbewerbsfähig zu bleiben. Es ist aufgrund der aktuellen politischen Situation und des lobbyistischen Einflusses der großen Stromkonzerne, damit zu rechnen, dass im Jahr 2013 die Einspeisevergütung nicht mehr rentabel ist und kurzfristig völlig wegfällt. Allerdings werden die Strom-Bezugs-Preise weiterhin steigen. Der folgende Bericht legt u.a. dar, dass sich PV-Anlagen allein schon deswegen rentieren (also Gewinn erwirtschaften), wenn möglichst viel des selbst erzeugten PV-Stroms auch selbst wieder verbraucht wird. Als Fazit unserer Untersuchungen und Messreihen können wir zeigen, dass ein Autonomiegrad von 75% mitten in Deutschland möglich ist. Es ist immens wichtig, dass jeder Einzelne seinen Beitrag zur Energiewende leistet um Deutschlands Stromerzeugung umweltfreundlicher zu machen.

2. Ertrag eines Süd-Daches

Als Referenz zu unserer Ost-West-Dach Auslegung nehmen wir ein Süd-Dach. Die Normierung erfolgt auf ein kWp. In den nachfolgenden Diagrammen zeigen wir einen sonnigen Tag (Abb.2) und einen stark bewölkten Tag (Abb.4). Die Daten wurden zeitgleich mit den Daten der Module, die nach Osten bzw. Westen ausgerichtet sind aufgenommen.

Ein Teil unserer Module ist mit einer Neigung von 30° und einer 0° Abweichung nach Süden ausgerichtet. Damit ergibt sich laut Tabelle (Abb.1) ein prozentualer Ertrag von ca. 100%. Zur Referenz haben wir die Globalstrahlung gemessen.

Abbildung 1: [Prozentanteil vom maximal möglichen Ertrag in Abhängigkeit der Ausrichtung und der Dachneigung [1]

Fallbeispiel:

Im folgenden Fallbeispiel (installierte Anlagenleistung 1kWp) wird gefordert, dass eine Leistung von 320W für eine möglichst lange Zeit, zur Verfügung steht. Als Beispiel für eine solche Betrachtung wählten wir den 26.05.2012 aus. Da an diesem Tag die 1kWp-Anlage eine Spitzenleistung von ca. 800Wp erreichte, entsprechen 320W ca. 40% der erreichten Spitzenleistung.

Wie man aus Abb.2 und Abb.3 sehen kann ist der 26.05.2012, bis auf einige kleine Wolken um die Mittagszeit herum, im Großen und Ganzen ein schöner, sonniger Tag. Auch können wir beobachten, dass der Kurvenverlauf der nach Süden ausgerichteten PV-Module (Abb.2) dem der Globalstrahlungsmessung (Abb.3) entspricht. Wenn wir, wie im Graphen eingezeichnet, von einem Eigenverbrauch (konstante Leistung) von 320W ausgehen, würde uns diese Energie von ca. 8:00 Uhr bis ca. 17:30 Uhr zur Verfügung stehen was eine Zeitspanne von ca. 9h und 30min entspräche. Hochgerechnet auf ein Einfamilienhaus, welches z.B. eine 5 kWp Photovoltaik-Anlage auf seinem Süd-Dach installiert hat, könnte in diesem Fall dauerhaft 9h und 30min lang eine Leistung von 1600 W abgerufen werden. Um die Energie zu nutzen, müsste man zu Hause sein, was jedoch oftmals nicht der Fall ist, da in sehr vielen Fällen die Leute berufstätig sind.

Abbildung 2: Leistungskurve von Modulen in Südausrichtung normiert auf ein kWp bei Sonnenschein, am 26.05.12

Abbildung 2: Leistungskurve von Modulen in Südausrichtung normiert auf ein kWp bei Sonnenschein, am 26.05.12

Abbildung 3: Globalstrahlung vom 26.05.2012
Abbildung 3: Globalstrahlung vom 26.05.2012

Im zweiten Fall, haben wir uns einen Tag mit starker Bewölkung heraus gesucht. Wie man in Abb.4 sehen kann wird die konstante Leistung, die wir angenommen haben, hier nicht durchgängig erreicht. Es gibt immer wieder Leistungseinbrüche aufgrund von Verschattungen durch den wolkigen Himmel. Zur Kontrolle haben wir auch hier wieder unsere Globalstrahlungsmessung (Abb.5) mit angegeben.
Die fehlende Energie für einen Eigenverbrauch von 320W Dauerleistung muss zusätzlich aus dem örtlichen Stromnetz bezogen werden, wenn wir davon ausgehen, dass keine Speichermedien zum Einsatz kommen.

Abbildung 4: Leistungskurve von Modulen in Südausrichtung normiert auf ein kWp bei starker Bewölkung, am 15.05.12

Abbildung 4: Leistungskurve von Modulen in Südausrichtung normiert auf ein kWp bei starker Bewölkung, am 15.05.12

Abbildung 5: Globalstrahlung vom 15.05.2012

Abbildung 5: Globalstrahlung vom 15.05.2012

3. Ertrag von Ost- plus West-Dach

Zeitgleich zu unseren Messungen mit den nach Süden ausgerichteten Modulen, wurden auch die Messwerte der Ost-West-Module aufgenommen. Alle drei Dächer waren mit der gleichen Modulnennleistung bestückt. Auch hier haben wir uns einen sonnigen Tag und einen stark bewölkten Tag ausgesucht.

Die Module sind mit einer Neigung von 30° und einer 90° Abweichung nach Osten bzw. Westen ausgerichtet. Damit ergibt sich laut Tabelle (siehe Abb1.) ein prozentualer Ertrag von ca. 82%. Auch hier haben wir zur Referenz die Globalstrahlung gemessen.

Der magenta farbene Graph in Abb. 6 gibt die Leistung der Module, die nach Osten ausgerichtet sind, wieder. Der blaue Graph zeigt die Leistung der nach Westen ausgerichteten Module an und der orange Graph entspricht der addierten Gesamtleistung. Das Ganze ist normiert auf ein kWp.

Wie auch schon bei der Süd-Ausrichtung haben wir den Eigenverbrauch von 40% eingezeichnet. Jedoch einmal 40% bezogen auf das Süd-Dach und einmal 40% bezogen auf die Gesamtleistung des Ost-West-Daches. An diesem Tag erreichte zwar sowohl das Ost -Dach, als auch das West-Dach nicht ganz die Spitzenleistung von 800Wp, trotzdem kann man näherungsweise annehmen, dass die 560W unseres Fallbeispiels in etwa 40% der Spitzenleistung unseres Ost-West-Daches entsprechen.

Die obere gestrichelte Linie in Abb. 6 zeigt den ca. 40%igen Eigenverbrauch der Ost-West-Anlage an. Wie zu beobachten ist, stehen 40% Eigenverbrauch von ca. 560W bezogen auf die Gesamtleistung des Ost-West-Daches etwa eine Stunde länger zur Verfügung als es bei einem reinen Süd-Dach der Fall wäre. In unserem Fall steht die Energie von 7:50 Uhr bis 18:45 Uhr zur Verfügung, was einer Zeitspanne von 10h und 55 min entspricht.

Die untere gestrichelte Linie zeigt den 40%igen Eigenverbrauch des Süd-Daches an. Diese geringere Energie steht uns bei einem Ost-West-Dach deutlich länger zur Verfügung. Nämlich von 6:45 Uhr bis 20:00 Uhr, was einer Zeitspanne von 13h und 15min entspricht. Das sind 3h und 45min mehr als bei einem reinen Süd-Dach. Dadurch hätten Berufstätige leichter die Möglichkeit ihren selbst produzierten Strom im eigenen Haus zu nutzen und dies ohne das Verwenden von Speichermedien.

Abbildung 6: Leistungskurve von Modulen in Ost-West-Ausrichtung normiert auf ein kWp bei Sonnenschein

Abbildung 6: Leistungskurve von Modulen in Ost-West-Ausrichtung normiert auf ein kWp bei Sonnenschein

Wie auch beim Süd-Dach haben wir uns für unser Ost-West-Dach denselben stark bewölkten Tag wie in Abb.4 heraus gesucht und die Leistungskurve aufgezeichnet. Wie man in Abb.7 sehen kann, erreichen wir wieder nicht dauerhaft unsere konstante Leistung. Aber im Vergleich zum Süd-Dach sind die Ausfälle nicht ganz so groß und lang. Dennoch wird man auch hier Energie aus dem Netz beziehen müssen, da die geforderte Dauerleistung uns hier nicht permanent zur Verfügung steht. Auch hier könnten Speicher die Bedarfslücken füllen, in dem sie Energie bereit stellen, wenn die Module aufgrund von Verschattungen durch Wolken Leistungseinbrüche haben.

Abbildung 7: Leistungskurve von Modulen in Ost-West-Ausrichtung normiert auf ein kWp bei starker Bewölkung

Abbildung 7: Leistungskurve von Modulen in Ost-West-Ausrichtung normiert auf ein kWp bei starker Bewölkung

4. Gegenüberstellung Süd <=> Ost-West

In den Nachfolgenden Kapiteln werden wir auf die Vor- und Nachteile der beiden Dachausrichtungen näher eingehen um so einen Überblick zu vermitteln.

 

4.1. Ertragsvergleich

Bei dem Vergleich dieser beiden Dachausrichtungen stellten wir fest, dass wir im Jahresschnitt, bei Belegung aller Dächer mit der gleichen Modulleistung, bei Ost-West-Anlagen einen höheren Ertrag gemessen haben als bei einer Süd-Anlage (siehe Kapitel 6). Jedoch sind die Investitionskosten (speziell in diesem Fall) auch etwa doppelt so hoch. Zu beobachten ist, dass trotz doppelter installierter kWp, der Spitzenwert der Leistung eines Ost-West-Dach (Abb.6) nicht doppelt so groß ist wie bei einem Süd-Dach (Abb.2).
In der Abb. 8 haben wir einmal die Tageserträge vom 26.05.12 beider Anlagen mit einander verglichen und kamen sogar auf ein Ertragsplus für das Ost-West-Dach von über 90%. Dies hängt jedoch wohl damit zusammen, dass es zum Sonnenhöchststand leicht bewölkt war und so das Süd-Dach zur besten Phase am Tag nicht optimal lief. Im langjährigen Mittel gehen wir von einem Ertrag von etwa 164% des Ost-West-Daches bei doppelter installierter Leistung im Vergleich zu einem Süd-Dach aus.

Abbildung 8: Ertragsvergleich Süd <=> Ost-West am 26.05.2012

Abbildung 8: Ertragsvergleich Süd <=> Ost-West am 26.05.2012

Bei dem Ertragsvergleich des 15.05.2012, an dem es stark bewölkt war, haben wir sogar noch einen etwas größeren Ertragsunterschied, nämlich geringfügig über 100% siehe Abb. 9. Dies lässt sich wohl damit erklären, dass es von ca. 10 Uhr bis 13 Uhr fast keine Sonneneinstrahlung gab. Auch lässt sich wieder beobachten, dass die Spitzenleistung der Ost-West-Anlage nicht doppelt so groß ist wie bei unserer Süd-Anlage siehe Abb. 4 und Abb. 7, jedoch haben wir speziell für den 15.05.12 einen doppelt so großen Ertrag bei dem Ost-West-Dach, im Vergleich zu dem Süd-Dach.

Abbildung 9: Ertragsvergleich Süd <=> Ost West am 15.05.2012
Abbildung 9: Ertragsvergleich Süd <=> Ost West am 15.05.2012

4.2. Wirtschaftlichkeits-Betrachtung ohne Speicher

Um das Ganze nicht nur aus energetischer Sicht zu betrachten, haben wir hier eine Betrachtung der Wirtschaftlichkeit des Systems aufgestellt.

Beginnen wir mit dem Süd-Dach und gehen wir von einer 5 kWp-Anlage aus und nehmen einen Eigenverbrauch von 40% an. Hier legen wir unserer Wirtschaftlichkeits-Betrachtung einige Werte zu Grunde, wie:

Durchschnittlicher Jahresertrag [kWh / kWp]    950
5 kWp-Anlage [kWh]    4750
40% Eigenverbrauch [kWh]    1900
Tabelle 1: Grundwerte für unsere Süd-Anlage

Die Strompreise werden in den nächsten Jahren mit Sicherheit nicht konstant bleiben, sondern ansteigen. Daher haben wir zwei Kalkulationen über den Zeitraum von 20 Jahren durch geführt bei welchem wir einmal eine Strompreissteigerung von +3% und von +6% jährlich angenommen haben. Die Anschaffungskosten einer Pv-Anlage liegen derzeit (Stand: Juni 2012) bei ca. 1.500,-€ pro kWp, incl. Projektierung, Montage und Inbetriebnahme.

netto    brutto (incl. Mwst)
Anschaffungskosten 5 kWp-Anlage, Süd    -7.500,00 €    -8.925,00 €
40 % Eigenverbrauch (Kosten jährl. +3%)    11.231,82 €    13.365,86 €
Gewinn    3.731,82 €    4.440,86 €

Anschaffungskosten 5 kWp-Anlage, Süd    -7.500,00 €    -8.925,00 €
40 % Eigenverbrauch (Kosten jährl. +6%)    15.376,38 €    18.297,89 €
Gewinn    7.876,38 €    9.372,89 €
Tabelle 2: Bilanz mit Strompreiserhöhungen für eine Süd-Anlage

Wie man sehen kann, ist schon bei einem reinen Süd-Dach die Kostenersparnis beachtlich. Nur die 40% Eigenverbrauch zu erreichen ist deutlich schwerer, da die Energie nur über einen vergleichsweise kurzen Tageszeitraum zur Verfügung steht. Im Vergleich dazu betrachten wir nun das Ost-West-Dach. Auch hier nehmen wir pro Dachfläche eine Anlage von 3 und von 5 kWp an, was eine Gesamtanlagengröße von 6 bzw. 10 kWp bedeutet und einen Eigenverbrauch von 40% der gesamten Dachleistung. Eine Ost-West-Anlage hat einen Ertrag, im Vergleich zu einer Süd-Anlage, von etwa 82% pro Dachseite was zusammen 164% des Jahresertrags eines Süd-Daches macht. Daraus ergeben sich folgende Erträge:

Durchschnittlicher Jahresertrag [kWh / kWp]    807,5
6 kWp-Anlage [kWh]    4845
10 kWp-Anlage [kWh]    8075
40% Eigenverbrauch bei 6 kWp[kWh]    1938
40% Eigenverbrauch bei 10 kWp[kWh]    3230
Tabelle 3: Anlagenwerte bei einer Ost-West-Belegung

Auch hier haben wir nun die Kalkulationen mit +3% und +6% Strompreiserhöhung durchgeführt pro Jahr.

Anschaffungskosten 6 kWp-Anlage, Ost-West    -9.000,00 €    -10.710,00 €
40 % Eigenverbrauch (Kosten jährl. +3%)    11.052,11 €    13.152,01 €
Gewinn    2.052,11 €    2.442,01 €

Anschaffungskosten 6 kWp-Anlage, Ost-West    -9.000,00 €    -10.710,00 €
40 % Eigenverbrauch (Kosten jährl. +6%)    15.130,36 €    18.005,12 €
Gewinn    6.130,36 €    7.295,12 €
Tabelle 4: Bilanz für eine 6 kWp Ost-West-Anlage

Anschaffungskosten 10 kWp-Anlage, Ost-West    -15.000,00 €    -17.850,00 €
40 % Eigenverbrauch (Kosten jährl. +3%)    18.420,18 €    21.920,01 €
Gewinn    3.420,18 €    4.070,01 €

Anschaffungskosten 10 kWp-Anlage, Ost-West    -15.000,00 €    -17.850,00 €
40 % Eigenverbrauch (Kosten jährl. +6%)    25.217,26 €    30.008,54 €
Gewinn    10.217,26 €    12.158,54 €
Tabelle 5: Bilanz für eine 10 kWp Ost-West-Anlage

Wie man hier sehen kann ist der Gewinn bei einer 10kWp-Ost-West-Dachanlage noch größer, trotz höherem Investitionsaufwand. Jedoch wird es relativ schwer auf einen Eigenverbrauch von 40% oder mehr zu kommen wenn niemand Zuhause ist und die Geräte dann einschaltet wann die Energie zu Verfügung steht.

 

4.3. Wirtschaftlichkeits-Betrachtung mit Speicher

Da wir bisher das Ganze aus der Prämisse heraus betrachteten, dass es sich um Anlagen ohne Speichermöglichkeiten handelt, haben wir nun das Ganze noch einmal berechnet und zwar mit einer Speichermöglichkeit, d.h. Akkus.

Beginnen wir wieder mit dem Süd-Dach und gehen wir von einer 5 kWp-Anlage aus mit einem Batteriespeichersystem und nehmen wir einen dadurch erreichbaren Eigenverbrauch von 70% an. Hier legen wir unserer Wirtschaftlichkeits-Betrachtung einige Werte zu Grunde, wie:

Durchschnittlicher Jahresertrag [kWh / kWp]    950
5 kWp-Anlage [kWh]    4750
70% Eigenverbrauch [kWh]    3320
Tabelle 6: Grundwerte bei einer Anlage mit Speicher in Süd-Ausrichtung

Auch hier haben wir zwei Kalkulationen über 20 Jahre durchgeführt durch geführt bei welche wir einmal eine Strompreissteigerung von +3% und von +6% jährlich angenommen haben. Die Anschaffung einer PV-Anlage mit Speicher liegt (Stand: Juni 2012) bei 3.000,-€ pro kWp, incl. Projektierung, Montage und Inbetriebnahme.

netto    brutto (incl. Mwst)
Anschaffungskosten 5 kWp-Anlage, Süd    -15.000,00 €    -17.850,00 €
70 % Eigenverbrauch (Kosten jährl. +3%)    19.655,68 €    23.390,26 €
Gewinn    4.655,68 €    5.540,26 €

Anschaffungskosten 5 kWp-Anlage, Süd    -15.000,00 €    -17.850,00 €
70 % Eigenverbrauch (Kosten jährl. +6%)    26.908,66 €    32.021,31 €
Gewinn    11.908,66 €    14.171,31 €
Tabelle 7: Bilanz bei steigenden Strombezugspreisen

Wie man sehen kann, ist es möglich eine deutliche Ersparnis zu erwirtschaften. Dank der Speicher sind die 70% Eigenverbrauch deutlich leichter zu erreichen. Vergleichen wir nun dazu noch einmal das Ost-West-Dach. Auch hier nehmen wir pro Dachfläche eine Anlage von 3 kWp und von 5kWp an, was eine Gesamtanlagengröße von 6 kWp, bzw. 10 kWp bedeutet und einen Eigenverbrauch von 70% der gesamten Dachleistung. Eine Ost-West-Anlage von 10 kWp hat einen Ertrag, im Vergleich zu einer Süd-Anlage von 5 kWp, von etwa 82% pro Dachseite, was zusammen im langjährigen Mittel 164% des Jahresertrags eines Süd-Daches macht. Daraus ergeben sich folgende Erträge:

Durchschnittlicher Jahresertrag [kWh / kWp]    779
6 kWp-Anlage [kWh]    4674
10 kWp-Anlage [kWh]    7790
70% Eigenverbrauch bei 6 kWp [kWh]    3271,8
70% Eigenverbrauch bei 10 kWp [kWh]    5453
Tabelle 8: Anlagenwerte für eine Ost-West-Anlage mit Speicher

Auch hier haben wir nun die Kalkulationen für über 20 Jahre Strompreise mit +3% und +6% Erhöhung pro Jahr erstellt (siehe Tab. 9).

Anschaffungskosten 6 kWp-Anlage, Ost-West    -18.000,00 €    -21.420,00 €
70 % Eigenverbrauch (Kosten jährl. +3%)    19.341,19 €    23.016,01 €
Gewinn    1.341,19 €    1.596,01 €

Anschaffungskosten 6 kWp-Anlage, Ost-West    -18.000,00 €    -21.420,00 €
70 % Eigenverbrauch (Kosten jährl. +6%)    26.478,12 €    31.508,96 €
Gewinn    8.478,12 €    10.088,96 €
Tabelle 9: Bilanz einer 6 kWp Ost-West-Anlage

Anschaffungskosten 10 kWp-Anlage, Ost-West    -30.000,00 €    -35.700,00 €
70 % Eigenverbrauch (Kosten jährl. +3%)    32.235,31 €    38.360,02 €
Gewinn    2.235,31 €    2.660,02 €

Anschaffungskosten 10 kWp-Anlage, Ost-West    -30.000,00 €    -35.700,00 €
70 % Eigenverbrauch (Kosten jährl. +6%)    44.130,20 €    52.514,94 €
Gewinn    14.130,20 €    16.814,94 €
Tabelle 10: Bilanz einer 10 kWp Ost-West-Anlage

Wie man in Tabelle 10 wieder sehen kann, ist der Gewinn noch größer als bei einer Süd-Anlage, trotz höherem Investitionsaufwand. Das Erreichen eines höheren Eigenverbrauchs mit Speichern ist deutlich einfacher. Jedoch können wir für die Zukunft davon ausgehen, dass die elektrochemischen Speicher, im speziellen die Li-Ionen Batterien, deutlich günstiger werden.

 

5. Eigenverbrauchsoptimierung ohne Speicher

Durch die Ost-West-Dachbelegung ist es möglich eine höhere Autonomie vom Energieversorger als bei einem reinen Süd-Dach zu erlangen. Um eine hohen Eigenverbrauch zu erzielen, ist es wichtig das Verhalten des Konsumenten zu kennen. Denn von dem Verhalten des Nutzers hängt die mögliche Eigenverbrauchsrate ab. Hier spielen mehrere Faktoren eine Rolle. Zum Einen, ob im Haushalt tagsüber jemand zu Hause ist, oder ob alle berufstätig sind und wann die Bewohner eines Hauses ihre elektrische Energie nutzen wollen. Um nun eine optimale Nutzung der eigen produzierten Energie zu erreichen, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Nachfolgend werden Verfahren erläutert die ohne Speichermedien auskommen.

 

5.1. Eigeninitiative

Die wahrscheinlich kostengünstigste Variante um den Eigenverbrauch zu optimieren ist der, dass man die elektrischen Verbraucher wie Waschmaschine, Trockner, Spülmaschine, etc. dann anschaltet wenn der Solargenerator elektrische Energie liefert. Dies ist jedoch zu meist nur möglich wenn jemand zu Hause ist. Dieses Verfahren der Eigenverbrauchsoptimierung können viele jedoch nicht anwenden, da sie während der Tageszeit mit der höchsten Sonneneinstrahlung nicht zu Hause sind. Es bieten sich weitere Möglichkeiten der Optimierung an, die im nachfolgenden näher erläutert werden.

 

5.2. Smart Metering

Um den Eigenverbrauch zu optimieren können in Zukunft „intelligente“ Stromzähler, sog. Smart Meter, zum Einsatz kommen. Diese digitalen Messgeräte ersetzen in Zukunft die bisher verwendeten herkömmlichen Ferraris-Zähler. Mit diesen Zählern kann der Kunde exakt sein Verbrauchsverhalten nachvollziehen und so sein Konsumverhalten ändern, um den Eigenverbrauch der PV-Energie zu erhöhen. Des Weiteren verfügen diese Zähler über eine Datenschnittstelle womit sie in der Lage sind, mit Haushaltsgeräten wie Waschmaschine, Trockner, etc. zu kommunizieren und diese Geräte einzuschalten wenn genügend solarer Strom zu Verfügung steht.

6. Inselanlagen mit möglichst hoher Autarkie

Um ein System zu realisieren, das vollkommen netzunabhängig operiert, gibt es einiges zu beachten: von der Auslegung der Energiequellen, die genutzt werden, bis hin zu den Speichern die genügend Kapazität besitzen müssen, um die Zeit zu überbrücken, in der keine Stromquellen zur Verfügung stehen.

Die erste Überlegung sollte sein, welche Energiequellen man nutzen möchte. Wenn es ein reines PV-System sein soll, muss man die Anlage so auslegen, dass man in den Wintermonaten genug Energie zur Verfügung hat, um diese zu überstehen. Dies bedeutet jedoch auch, dass die Anlage im Sommer vollkommen überdimensioniert ist. Dies hat zur Folge, dass man diese Überschüsse irgendwie abführen muss, oder man verschwendet eine Menge kostbarer Energie die eventuell im Winter fehlt.

Das führt zum nächsten Schritt der Speicherung der Energie, denn ohne Speicher ist es nicht möglich auf eine 100%ige Autarkie zu gelangen. Wie schon erwähnt, kann man mit den Speichermedien die Überschüsse speichern und sie dann nutzen wenn die Sonne nicht scheint. Die Auslegung der Speicher hängt davon ab wie lange man trotz fehlender Energiequelle seinen Haushalt am Laufen halten will, was im Endeffekt nur eine Preisfrage ist.
Die Erschließung weiterer regenerativer Energiequellen, wie Windenergie ist ebenfalls sinnvoll, da damit eine zusätzliche Energiequelle genutzt wird und man somit nicht ausschließlich von der Sonnenenergie abhängig ist.

Aber um eine garantierte 100%ige Autarkie zu verwirklichen, wird man momentan (Stand: Juni 2012) noch auf fossile Brennstoffe, wie Diesel oder Gas, zurück zu greifen müssen. Diese können dann genutzt werden wenn keine Energie aus den regenerativen Medien zu Verfügung steht und die Speicher bereits erschöpft sind. Dann könnte man einen Generator mit Verbrennungsmotor nutzen um die benötigte Energie bereitzustellen.

Aber in erster Linie hat das Konsumverhalten des Nutzers den größten Einfluss auf die Autonomie des Verbrauchers. Wenn er die Energie dann nutzt bzw. nutzen kann wenn sie zur Verfügung steht, kann der Speicher kleiner ausgelegt werden, um die Zeiten der fehlenden Energiegewinnung zu überbrücken. Ein eventuell vorhandener Generator, der mit fossilen Brennstoffen betrieben wird, muss nicht so häufig anspringen, was sich sowohl positiv auf die Lebensdauer des Generators, als auch auf die Umwelt auswirkt.

Anlagen mit 100%iger Autarkie sind aufgrund des benötigten Gas- und Dieselgenerators, bei weitem nicht so wirtschaftlich wie z.B. Anlagen mit nur 70% Autarkie (Stand: Juni 2012)

 

6.1 Reale Messung zur Autarkie

Da in unserem TEC-Institut bereits in den Jahren 2010 und 2011 Messreihen von Modulen, die nach Osten bzw. Westen ausgerichtet waren, durchgeführt werden, konnten wir eine kleine Übersicht zusammen stellen, die einen Überblick über ein komplettes Jahr geben (siehe auch Bachelorarbeit von A. Höfling, Weiterentwicklung und Optimierung einer Photovoltaik-Inselanlage). Zum Vergleich haben wir auch wieder unser Süd-Dach hergenommen. Für den dargestellten Energiebedarf haben wir über 12 Monate (Zeitraum:01.04.2010 bis 31.03.2011) einen realen privaten 4-Personenhaushalt gemessen. Auf diese Weise konnte der monatliche Verbrauch, der Jahresverbrauch von 4305,60 kWh, sowie die jahreszeitliche Verteilung des Verbrauchs ermittelt werden (Abb.10). Im ersten Diagramm (Abb. 10) haben wir eine 5 kWp Süd-Anlage einer 6 kWp Ost-West-Anlage gegenübergestellt. Sowohl auf dem Ost-Dach, als auch auf dem West-Dach sind jeweils 3 kWp installiert. In Summe ergeben sich 6 kWp. Wie zu beobachten ist, liefert die Ost-West-Anlage in den ertragsstarken Monaten mehr Energie als die Süd-Anlage. In den Wintermonaten hat die Süd-Anlage die Nase knapp vorne. Auch können wir feststellen, dass wir von März bis September mehr PV-Ertrag haben, als an elektrischer Energie benötigt wird. Gleichgültig ob Süd-Dach (5 kWp) oder Ost-West-Dach mit jeweils 3 kWp (in Summe 6 kWp). In den kalten Monaten von November bis Februar kann der Energiebedarf nicht mit Sonnenenergie gedeckt werden. Im Oktober kann der 4-Personen-Haushalt „gerade noch so“ mit PV-Energie autark versorgt werden.

Abbildung 10: Ertrag eines Süd-Daches (5 kWp) und eines Ost- (3 kWp) plus West-Daches (3 kWp) im Vergleich zum Tagesbedarf
Abbildung 10: Ertrag eines Süd-Daches (5 kWp) und eines Ost- (3 kWp) plus West-Daches (3 kWp) im Vergleich zum Tagesbedarf

Das Gleiche haben wir noch einmal für eine Ost-West-Anlage mit 10 kWp die gleichmäßig auf beide Dachhälften verteilt sind gemacht (siehe Abb. 18). Wie man bereits sehen kann, ist die autarke Energieversorgung von März bis einschließlich Oktober gedeckt. Aber auch wie zuvor ist in den kalten Monaten die Leistung nicht ausreichend um eine völlige Autarkie zu gewährleisten. In diesem Fall kann der 4-Personen-Haushalt bereits im Februar „gerade so“ mit PV-Energie autark versorgt werden.
Abbildung 11: Ertrag eines Süd-Daches (5 kWp) und eines Ost- (5 kWp) plus West-Daches (5 kWp) im Vergleich zum Tagesbedarf 
Abbildung 11: Ertrag eines Süd-Daches (5 kWp) und eines Ost- (5 kWp) plus West-Daches (5 kWp) im Vergleich zum Tagesbedarf

In den nachfolgenden Diagrammen wird der Überschuss bzw. der Zukauf elektrischer Energie der einzelnen Monate für jeden Anlagentyp dargestellt. Wir sehen was an solarer Energie in das Netz eingespeist bzw. was vom Netzbetreiber bezogen werden muss. Wie schon in den Diagrammen zuvor ist zu erkennen, dass der Bedarf an Energie in den Wintermonaten deutlich geringer ist, als der Überschuss, der im Sommer produziert wird.

Aus den Abb. 10 bis Abb. 14, ist die erreichbare Autarkie im Beispiel für Anlagen mit einem Speicher-Akku (nutzbares Speichervermögen 12 kWh) zu erkennen (siehe Tabelle 11).

PV-Anlagen-Ausrichtung    PV-Anlage Größe (gesamt)    Monate völliger Autarkie    Monate mit ca. 90% Autarkie    Zukauf in den restlichen Monaten in Prozent vom Jahresverbrauch    Erreichter Autarkiegrad
Süd    5 kWp    8    –    28%    72%
Ost-West    6 kWp    7    1    32%    68%
Ost-West    10 kWp    8    1    25%    75%
Tabelle 11: Übersicht verschiedener Anlagen

Fazit: Je nach Anlagengröße sind Autarkiegrade von 72%, 68% und 75% erreichbar

Wie bereits erwähnt wird es sehr schwer rein durch Solarenergie die 100%-ige Autarkie (Stand: Juni 2012) zu erreichen, da in den kurzen Wintermonaten einfach nicht genug Sonnenstrahlung in unseren Breitengraden zur Verfügung steht. Daher sind wir der Meinung, dass die völlige Autarkie vom Netz nur durch einen Mix der regenerativen Energien möglich ist. Jedoch sollten diese Standorte spezifisch eingesetzt werden, was zum Beispiel heißt das an windarmen Regionen nicht stark auf Windenergie gesetzt werden kann.
Abbildung 12: Überschuss und Zukauf von Energie bei einem Süd-Dach mit 5 kWp
Abbildung 12: Überschuss und Zukauf von Energie bei einem Süd-Dach mit 5 kWp

Abbildung 13: Überschuss und Zukauf von Energie bei einem Ost- (3 kWp) plus West-Dach (3 kWp)
Abbildung 13: Überschuss und Zukauf von Energie bei einem Ost- (3 kWp) plus West-Dach (3 kWp)

Abbildung 14: Überschuss und Zukauf von Energie bei einem Ost- (5 kWp) plus West-Dach (5 kWp)
Abbildung 14: Überschuss und Zukauf von Energie bei einem Ost- (5 kWp) plus West-Dach (5 kWp)

7. Eigenverbrauchsoptimierung mit elektrochemischen Speichern

Nachfolgend wird auf die Eigenverbrauchsoptimierung mit elektro-chemischen Speichern eingegangen und die Vor- und Nachteile der einzelnen Systeme erläutert und wie die einzelnen Systeme richtig ausgelegt werden müssen.

 

7.1. Konventionelle Akkutechnologien

7.1.1. Bleiakkumulatoren

Bleibatterien zählen zu den ältesten elektro-chemischen Speichern. Im Jahre 1854 entwickelte der deutsche Mediziner und Physiker Wilhelm Josef Sinsteden den ersten Bleiakkumulator. Aufgrund der langen Geschichte der Bleibatterie, gibt es bereits eine Menge Erfahrungen im stationären Einsatz solcher Batterietypen (z.B. Batteriespeicheranlage im Heizkraftwerk Steglitz). Wie alle Systeme bietet die Bleitechnologie einige Vorteile aber auch einige Nachteile die im Folgenden aufgelistet sind.

Vorteile:
•    Niedriger Preis
•    Verschlossene Batterien (sog. Trockenbatterien) erweitern das Spektrum wegen Wartungsfreiheit und besserer Lebensdauer
•    Hoher, wirtschaftlich betreibbarer Recyclinganteil

Nachteile:
•    Niedrige Energiedichte
•    Im entladenen Zustand nicht lagerfähig; es tritt Sulfatbildung an beiden Elektroden auf
•    Hohes Gewicht
•    Geringere Lebensdauer z. B. gegenüber Li-Ionen-Akkus
•    Wartung erforderlich (Blei-Säure)
•    Ab bestimmter Leistungsklasse, separater, belüfteter Raum nötig.

Abbildung 15: Schema einer Bleibatterie [2]
Abbildung 15: Schema einer Bleibatterie [2]

Bleibatterien sollten vorzugsweise im voll geladenen Zustand betrieben werden, um eine möglichst hohe Lebenserwartung zu erreichen. Dies ist allerdings in der Praxis nicht realisierbar. Bei Solaranlagen haben wir in den sonnigen Monaten Teilzyklen mit einem kleinen DOD (Depth Of Discharge), während wir in den kälteren und weniger sonnenreichen Tagen einen größeren DOD bis hin zum Vollzyklus haben. Diese unregelmäßige Belastung verringert die Lebensdauer unserer Batterien.

Bei der Auslegung der jeweiligen Systemleistung sollte beachtet werden, dass man die halbe Nennkapazität als nutzbare Leistung zur Verfügung hat, um so die Lebensdauer zu erhöhen.

 

7.1.2. Redox-Flow

Die Redox-Flow-Zelle ist ein Speicher mit Potential. Solche Zellen kennen weder Selbstentladung noch einen Memory-Effekt. Aus diesem Grund könnten sie sehr gut Energie aus erneuerbaren Quellen speichern. Da die elektrische Energie in einer Flüssigkeit gespeichert wird, ist die Lebensdauer deutlich höher, da keine strukturellen Veränderungen an den Elektroden stattfinden. Außerdem können große Mengen des Elektrolyts in Tanks zwischengespeichert werden um so große Energiemengen zu lagern.

Vorteile:
•    Hohe Effizienz (>75%)
•    Lange Lebensdauer
•    Geringe Degradation pro Zyklus
•    Flexibel, modulares Design
•    Schnelle Lastaufnahme (µs – ms)
•    Laden / Entladen (0% – 100%)
•    Geringe Unterhaltskosten
•    Geringe Selbstentladung

Nachteile:
•    Geringe Energiedichte (volumetrisch, gravimetrisch)
•    Hohe Investitionskosten

Abbildung 16: Schema einer Redox-Flow Batterie [2]
Abbildung 16: Schema einer Redox-Flow Batterie [2]

7.2. Weitere Akkutechnologien

7.2.1. Li-Ionen Technologie

Li-Ionen-Akkus zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte aus. Sie sind thermisch stabil und haben keinen Memory-Effekt. Während Bleiakkus immer im vollgeladenen Zustand betrieben werden wollen, verhält es sich bei der Li-Ionen Technologie etwas anders. Sie altern langsamer, auch wenn sie im teilentladenen Zustand betrieben werden. Hier jedoch kommt es ganz stark auf die chemische Zusammensetzung an. Daher sollten stationäre Anlagen überdimensioniert werden, um in einem niedrigen SOC(State Of Charge)-Bereich zu operieren

Vorteile:
•    Hohe Energie- und Leistungsdichte
•    Hohe Zellspannung (3,6V – 3,7V/Zelle)
•    Gute Energiewirkungsgrade (> 90%)
•    Großes Entwicklungspotenzial
•    Keine Wartung erforderlich

Nachteil:
•    Elektronische Überwachung beim Betrieb erforderlich

Abbildung 17: Schema einer Li-Ionen Batterie [3]
Abbildung 17: Schema einer Li-Ionen Batterie [3]

7.2.2. Nickel Batterie

Wie Bleibatterien ist die Nickeltechnologie schon etwas älter. Jedoch wurde sie zu Beginn aufgrund der hohen Rohstoffpreise nicht häufig eingesetzt. Erst Mitte des 20. Jahrhundert hatte die Nickelzelle durch Weiterentwicklungen ihren Durchbruch auf dem Markt. Wie auch bei anderen Batterien hängt das Verhalten dieses Typs stark von der chemischen Zusammensetzung ab. Hier wird auf zwei Technologien eingegangen. Zum einen die Nickel-Cadmium-(NiCd) und zum anderen auf die Nickel-Metallhydrid-Batterie (NiMH). Da Aufgrund von Verboten der EU der Einsatz der Nickel-Cadmium-Batterien nur noch eingeschränkt möglich ist, wird auf längere Sicht diese Technologie vermutlich komplett vom Markt verschwinden.

Vorteile:
•    Verfügbar
•    Recyclingfähig
•    Brauchbarkeit im HEV (hybrid electric vehicle) Betrieb schon nachgewiesen
•    Einfaches Batteriemanagementsystem (BMS) (Kein Ladungsausgleichsystem notwendig)

Nachteile:
•    Limitiertes Potenzial für Kostenreduktion
•    Limitiertes Potenzial für technologische Weiterentwicklung
•    Verhalten oberhalb 50°C kritisch
•    Geringere spez. Leistung und Energie im Vergleich zu Li-Ionen
•    Cadmium (Cd) ist giftig und muss als Sondermüll behandelt werden.

8. Eigenverbrauchsoptimierung mit anderen Speichermedien

8.1. Wasserstoff

Durch die Herstellung von Wasserstoff durch überschüssige PV-Energie, ließe sich durchaus eine Optimierung des Eigenverbrauchs erzielen. Doch ist dies derzeit bei einem „normalen“ Nutzer noch nicht realisierbar, da es doch einige Risiken birgt. Aus Wasser kann man durch Elektrolyse die Energieträger Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen. Dies geschieht mit Hilfe von elektrischem Strom. Doch nun tritt bereits das Problem der Speicherung auf. Selbst wenn es direkt nach der Elektrolyse in einem Behälter aufgefangen wird, muss es noch verdichtet werden um größere Mengen in einem Druckbehälter zu sammeln. Derzeit ist dieses System in privaten Haushalten noch nicht einsetzbar, allerdings sollte dies in ca. 3 bis 5 Jahren möglich sein.

 

8.2. Methan

Ein ähnliches Verfahren wäre die Herstellung von Methan. Hier wird ebenfalls durch Elektrolyse aus Wasser Wasserstoff und Sauerstoff hergestellt. Doch nun wird dem Wasserstoff noch CO2 zugeführt und lässt es so zu Methan (CH4) reagieren. Dies könnte man nun zwischenspeichern um einen Gasgenerator anzutreiben, falls keine Solarenergie vorhanden ist. Wenn man sich den Speicher einsparen möchte, könnte man das Methan auch ins öffentliche Gasnetz einspeisen. Da solche Anlagen bisher (Stand Juni 2012) nur als Testanlagen betrieben werden, wird es wohl ebenfalls noch 3 bis 5 Jahre dauern bis sie die erneuerbaren Energie wirksam unterstützen können.

 

8.3. Methanol

Die Herstellung von Methanol geht noch ein Schritt weiter. Hier wird aus dem Methan (CH4), Methanol (CH4O) hergestellt. Die Vorteile des Methanols liegen auf der Hand, denn es ist deutlich leichter zu lagern, zu transportieren und zu verwenden als Methangas. Des Weiteren bietet es auch Vorteile gegenüber Super Benzin mit Oktanzahlen von 95 – 98, während Methanol auf eine Oktanzahl von 133 kommt. Methanol in dieser Form ist regenerativ und CO2- neutral.

 

8.4. Druckluft

Druckluftspeicher sind ebenfalls interessant als Medium um Energie zwischen zu speichern. Diese Technik existiert schon länger, unter anderem seit 1978 als Druckluftspeicher-Kraftwerk bei Huntdorf (siehe Abb. 18) in Deutschland. Das Problem dieser Art von Speicher ist, dass die Druckluft-Behälter enorm viel Platz benötigen. Daher ist diese Technik wohl eher im Bereich der Off-shore Windparks sinnvoll, da im Norden unterirdische Salzstöcke als Druckluftspeicher zur Verfügung stehen. Dieses Verfahren kann man einsetzen, um Spitzenleistungen abzufangen, womit thermische Kraftwerke in ihrem optimalen Betriebspunkt betrieben werden können, was den Verschleiß reduziert. Das Fazit aus den bisher genannten Verfahren ist, dass diese wohl eher im großen industriellen Maßstab betrieben werden können. Für den privaten Nutzer sind sie momentan wirtschaftlich uninteressant. (Stand Juni 2012)

Abbildung 18: Druckluftspeicher-Kraftwerk in Huntdorf [5]

Abbildung 18: Druckluftspeicher-Kraftwerk in Huntdorf [5]

 

8.5. Schwungrad

Die Möglichkeit der Energiespeicherung durch einen mechanischen Speicher ist ebenfalls möglich. Schwungradspeicher sind bereits in größeren Anlagen z.B. in den USA im Einsatz. Dort werden sie zur Verbesserung des Netzes eingesetzt, um Frequenzschwankungen auszugleichen. Vorteilhaft an solchen Speichern ist, dass sie hohe Zyklenzahlen von mehreren Millionen erreichen. Des Weiteren können sie in sehr kurzer Zeit hohe Energien aufnehmen und wieder abgeben. Jedoch besitzen diese Speicher einen gewaltigen Nachteil, nämlich ihre hohe Selbstentladung. Selbst bei Anlagen mit einer magnetischen Lagerung, die in einem evakuierten Raum installiert sind, nimmt die gespeicherte Energie aufgrund der Reibung sehr schnell ab. Für den privaten Nutzer sind Schwungräder als Speichermedium uninteressant.

 

8.6. Pumpspeicher

Pumpspeicherkraftwerke (siehe Abb. 19) funktionieren prinzipiell wie konventionelle Speicherkraftwerke, mit einem Unterschied, dass das Oberbecken nicht durch einen natürlichen Zulauf gespeist wird. Das Wasser aus dem Unterbecken wird in das Oberbecken gepumpt. Dies geschieht in Zeiten, in denen ein Überschuss an elektrischer Energie vorhanden ist. Wenn die Energie im Netz benötigt wird, kann diese wieder zur Verfügung gestellt werden, in dem das Wasser durch die Fallleitung in die Turbine geleitet wird, die einen Generator antreibt und dieser den erzeugten Strom ins Netz einspeist. Diese Anlagen haben einen relativ hohen Wirkungsgrad von ca. 75%. Nachteilig an diesen Anlagen sind der enorme Platzbedarf und die starken Eingriffe in die Umwelt. In Deutschland ist der Bau neuer Pumpspeicher schwierig, da der Platz fehlt. Jedoch in anderen Ländern in denen Fläche zur Verfügung steht, ist der Bau solcher Speicher eine gute Alternative, um Überschüsse im Netz abzufangen und zu gegebener Zeit wieder abzugeben.
Abbildung 19: Schema eines Pumpspeicherkraftwerks [6]

Abbildung 19: Schema eines Pumpspeicherkraftwerks [6]

 

8.7. Wassererwärmung

Eine weitere Variante die überschüssige Energie zu nutzen, wäre die Warmwassergewinnung. Hier wird bei einem Überangebot solarer Energie mittels Heizwiderstand Wasser in einem Boiler erwärmt, um so warmes Wasser für den täglich anfallenden Bedarf zur Verfügung zu stellen. Mit diesem System kann in der Regel nicht der komplette Bedarf an warmem Wasser produziert werden, jedoch als Unterstützung zur Einsparung der Heizkosten beitragen.

 

8.8. Kühl- / Gefriergeräte

Eine weitere Idee ist die Speicherung der PV-Energie mit Hilfe von Geräten, die sehr lange Kälte speichern können, z.B. wie Gefriertruhen. Sie sollten so gesteuert werden das sie dann PV-Energie zum Kühlen ziehen, wenn sie zur Verfügung steht, bzw. ein Überschuss vorhanden ist. Damit könnte man ebenfalls den Eigenverbrauch erhöhen.

 

8.9. Klimaanlagen / Klimageräte

Sie werden vorzugsweise gerade dann benötigt, wenn starke Sonneneinstrahlung vorhanden ist.

 

8.10. Eisheizung

Eis als Energiequelle zu nutzen, hört sich zu erst einmal paradox an, ist jedoch möglich (siehe Abb. 18). Wenn Wasser zu Eis erstart wird sogenannte Kristallisationswärme frei. Diese Energie kann mit Hilfe einer Wärmepumpe dem Haus zum Heizen und für die Brauchwasseraufbereitung zu Verfügung gestellt werden. Das entstandene Eis kann zum Kühlen des Hauses im Sommer genutzt werden, was die Effizienz noch steigert. Denn nun wird dem Haus die Wärme entzogen und das Eis geschmolzen. Die entzogene Wärme wird für den Winter gespeichert. Des Weiteren wird mittels Solarthermie-Kollektoren zusätzliche Wärme ins System gebracht, um so eine optimale Versorgung im Winter zu gewährleisten. Eine komplette Eisheizung besteht aus den folgenden Komponenten: einem Eisspeicher, einer Luftwärmepumpe, einem Pufferspeicher und Solarthermie-Kollektoren.
Fazit: Eine interessante Technik, jedoch sehr jung und daher gibt es noch keine großen Erfahrungswerte.

Abbildung 20: Schema einer Eisheizung [7]
Abbildung 20: Schema einer Eisheizung [7]

8.11. BHKW

Ein Blockheizkraftwerk (BHKW), (siehe Abb. 19) besteht im Wesentlichen aus einem Motor, einer Synchronmaschine und einem Wärmetauscher. Der Verbrennungsmotor treibt den Generator zur Stromgewinnung an. Die dabei entstehende Wärme wird dem Kühlwasser und den Abgasen mittels Wärmetauscher entzogen und genutzt. Zur Unterstützung der PV-Anlage sicherlich lohnenswert, jedoch kein Speichermedium im eigentlichen Sinne.

Abbildung 21: Schema eines BHKW [8]
Abbildung 21: Schema eines BHKW [8]

9. Fazit und Kommentar zur Ost-West-Dachbelegung und zur Optimierung des Eigenverbrauchs

Aus den Abb. 10, 12 und 13 ist deutlich zu erkennen, dass ein Ost- plus ein West-Dach mit je 3 kWp PV-Leistung (in Summe 6 kWp) hinsichtlich des Erreichens einer möglichst hohen Jahres-Autonomie, sehr nahe an ein reines Süd-Dach mit 5 kWp herankommt, mitten in Deutschland. Die höheren Investitionskosten für die Belegung von Ost- und West-Dach halten sich in Grenzen.

Für Hausbesitzer, die bisher auf die Anschaffung einer PV-Anlage verzichteten, weil sie kein nach Süden ausgerichtetes Dach haben, ist diese Art der Ost-West-Dachbelegung eine gute Alternative.

Außerdem sind die Anschaffungskosten für eine PV-Anlage inzwischen so drastisch gesunken, dass es sich mittlerweile tatsächlich rentiert (und in Zukunft wg. der steigenden Strompreise noch mehr rentieren wird) möglichst viel von seinem selbst erzeugten PV-Strom zu speichern und selbst zu verbrauchen.

Die Ost- plus West-Dachbelegung sorgt für eine noch höhere Unabhängigkeit vom Stromanbieter.

In Haushalten, in denen beispielsweise Mütter, Kinder und Jugendliche tagsüber oft zuhause sind, ist ein sehr hoher Eigenverbrauch sehr leicht zu erreichen.

Dazu kommt zurzeit noch eine Einspeisevergütung, die im Dezember 2012 bei ca. 15 Cent liegen wird.

Des Weiteren wird die PV-Anlage eine Lebensdauer von deutlich mehr als 20 Jahren haben. Normalerweise kann man mit 30 bis 40 Jahren rechnen. Diese restlichen 10 bis 20 Jahre sind in o. g. Betrachtungen nicht enthalten.

 

Empfehlung des TEC-Instituts:

–    Süd-Dach mit ca. 5 kWp
–    oder Ost- plus West-Dach mit ca. 6 kWp, besser 10 kWp
–    Einsatz eines Akkuspeichers
–    Anschluss nur durch einen Fachbetrieb
–    Stromverbrauchsoptimierte Geräte verwenden
–    Einspeisevergütung nutzen, solange es diese noch gibt
–    einkalkulieren, dass eine PV-Anlage länger als 20 Jahre hält

D. Quellenverzeichnis

Bilder:

[1]    http://www.photovoltaik-web.de/images/stories/PV_Suche/prozentanteil_vom_maximalen_ertrag_in_abhaengigkeit_der_ausrichtung_und_der_dachneigung.jpg

[2]    http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Schema_eines_Bleiakkus_2009-02-09.svg&filetimestamp=20090209222323

[3]    http://www.energynet.de/2010/04/21/wind-und-solarstorm-auf-Vorrat

[4]    http://www.windkraft-journal.de/2012/04/21update-to-the-rpland-berger-study-on-automotive-li-ion-batteries

[5]    http://www.bine.info/hauptnavigation/themen/erneuerbare-energien/photovoltaik/publikation/druckluftspeicher-kraftwerke

[6]    http://www.energieroute.de/wasser/speicherkraftwerke.php

[7]    http://www.eisheizung.com/wp-content/uploads/2011/01/eisheizung.png

[8]    http://www.bhkw.de/de/was_ist_ein_bhkw/bhkw_funktionsschema.html

Internetquellen:

[9]    http://www.isocal.de

[10]    http://batteryuniversity.com/partone-4-german.htm

[11]    http://www.eurosolar.de/de/images/storie/pdf/Sauer_Option_Speicher_regenerativ_okt06.pdf

[12]    http://www.smart-metering.info/

[13]    http://de.wikipedia.org/wiki/Smart_Metering