Erfahrungsbericht Betrieb einer Photovoltaikanlage mit einem chemischen Speicher

Die Anlage ist auf den Lukarnen eines älteren Einfamilienhauses mit einer Neigung von 5° installiert. Die Module sind nach Nordost und Südwest ausgerichtet. Das System beinhaltet 18 Module mit einer Fläche von 30 m² und einer Leistung von 5,4 kWp. Die Anlage ist zusätzlich mit einem Speicher von 6 kWh ausgerüstet. Das Haus besitzt eine Wohnfläche von ca. 160 m² und hat 6 Bewohner. Die Heizung und Warmwasseraufbereitung erfolgt durch Pellets und Solarthermie und benötigt abgesehen von den Umwälzpumpen keine elektrische Energie.

Elektrische Verbraucher

Die Photovoltaikanlage ist schematisch in der folgenden Grafik dargestellt. Das Zentrum bildet der Wechselrichter. Er wandelt den Gleichstrom der Solarmodule in Wechselstrom um und stellt diese Energie den internen Verbrauchern, dem chemischen Speicher und in letzter Priorität dem Netz zu Verfügung.

Im aktuellen Bild produziert die Anlage 786 Watt. Davon werden 227 Watt direkt im Gebäude verbraucht und der Rest von 425 Watt ins Netz eingespiesen. Der Speicher ist dabei vollständig geladen.

Typischer Tagesverlauf

Die folgende Grafik zeigt den typischen Verlauf des Stromverbrauchs und der Produktion an einem sonnigen Sommertag. Gelb ausgefüllt bezeichnet elektrische Energie, welche von der Batterie bezogen wird. Grau bezeichnet die Energie, welche direkt ab der Photovoltaikanlage verwendet wird.



Das Gebäude verbraucht auch in der Nacht elektrische Energie und entlädt den Speicher. Trotz aller Bemühungen, die Standby-Verluste durch geschaltete Steckerleisten zu reduzieren, verbleibt eine minimale Leistung von 100 Watt. Morgens um 6.00 Uhr ist der Speicher entladen, weshalb kurzzeitig Elektrizität vom Netz bezogen werden muss. Mit dem Sonnenaufgang um ca. 6.30 Uhr wird wieder Eigenstrom produziert, direkt verbraucht und die Batterie geladen. Um 13.30 Uhr ist der chemische Speicher wieder vollständig gefüllt. Die am Nachmittag erzeugte Energie muss ins Netz zurückgespeist werden. Der grosse Stromverbrauch beginnt um 19.00 Uhr. Die Verbrauchsspitzen werden durch Kochen, Geschirrspüler, Waschmaschine und Teekocher erzeugt und entladen den Speicher um 50%. Die Beleuchtung und der Einsatz der Computer entladen den Akkumulator um weitere 20%. Der Speicher bündelt den während des Tages erzeugten Strom in den Abend und reicht knapp aus, um den Verbrauch auch in der Nacht zu decken. Erst der Einsatz eines Smartmeters, welches den Lastgang aufzeigt, erlaubt diese detaillierte Auswertung der Verbräuche.

Eigenstromverbrauch

Die folgende Grafik zeigt den Stromverbrauch auf monatlicher Basis. Grau bezeichnet die Strommenge, welche direkt verbraucht wurde, gelb die Strommenge, welche vom Speicher bezogen wurde und rot den Stromanteil, welcher vom Netz bezogen wurde. Im Januar und Februar ist der Anteil des Solarstroms relativ klein und liegt bei etwa 20% bis 30% und es wird kein Strom ins Netz zurückgespiesen. Ab April übersteigt die Produktion den Verbrauch und es wird mehr Strom ins Netz gespiesen, als bezogen wurde. Dieser ist grün dargestellt.

 

Der eigenverbrauchte Strom ist ca. gleich gross wie der Strom, welcher aus dem Speicher bezogen wird. Der Speicher vordoppelt somit den Eigenverbrauchsanteil wie auch den Autarkiegrad. Beide Kennzahlen erreichen einen Wert von ca. 60%, was eher Zufall als Absicht ist.

Über das Jahr gesehen versorgt sich das Gebäude beinahe zu 100% mit Photovoltaik- Strom. Aus der Energiebilanzierung wird ersichtlich, dass ca. 1/3 des Stromes ins Netz gespeist und auch wieder bezogen wird. Mit chemischen Speichern kann dieses Problem nicht gelöst werden. Die Elektrizität müsste über die Saison gespeichert werden. Dies ist zum Beispiel mit der Umwandlung in Wasserstoff und dessen Rückumwandlung möglich. Diese Lösung ist jedoch wegen hoher Umwandlungsverluste und der aufwendigen Speicherung nicht sinnvoll. Alternativ könnte der «überflüssige» Strom für die Elektromobilität verwendet werden.

Kennwerte und Wirtschaftlichkeit

Der spezifische Jahresertrag der Anlage beträgt 683 kWh/(kWp*Jahr). Dieser Wert liegt unter den Erwartungen. Er lässt sich jedoch anhand der folgenden Darstellung erklären: Der 23. Juni 2018 war ein schöner Sommertag. Die Anlage hat jedoch die volle Leistung erst ab 14.00 Uhr erbringen können, da die Anlage durch einen Baum verschattet wird. Ohne Baum wäre der Ertrag ca. 30% grösser und die Stromgestehungskosten (Stromproduktionskosten) nochmals um 30% tiefer. Der Baum hat jedoch eine positive Wirkung auf das Mikroklima und schützt des Gebäude vor Überhitzung. Im Winter verliert er seine Blätter und die Ertragsverluste sind kleiner.

Die Stromproduktionskosten inklusive des chemischen Speichers betragen 0,19 Rp. pro kWh, was knapp an der wirtschaftlichen Grenze ist. Ohne den Speicher wird der Strom für 0,13 Rp. pro kWh produziert.

Das Speichern der Energie im Akkumulator kostet 0,27 Rp./kWh. Dies ist nicht wirtschaftlich. Durch die sinkenden Preise und die schnelle technologische Entwicklung in diesem Bereich wird sich dies in naher Zukunft vermutlich ändern.

Fazit und Ausblick

Der Bau einer Solaranlage inklusive der notwendigen Smartmeter erlaubt es, den persönlichen Stromverbrauch zu analysieren und zu optimieren. Sinnvoll ist es, die elektrische Energie zu konsumieren, wenn sie im Verlauf des Tages produziert wird. Bei einem Haushalt, in welchem alle Bewohner tagsüber arbeiten oder in die Schule gehen, ist das nicht so einfach. Geschirrspüler, Waschmaschine, Tumbler könnten mit einer Zeitverzögerung gestartet werden. Dies hat sich nicht als praktikabel erwiesen. Der Speicher tut seine guten Dienste und liefert am Abend die notwendige Energie für Kochen, Spülen und Computer. Pro Jahr werden rund 1'320 kWh elektrische Energie in des Netz zurückgespiesen. Mit diesem Strom könnte ein Elektromobil ca. 5’000 km zurücklegen. Da das Auto für den Weg zur Arbeit nicht verwendet wird, steht dieses während des Tages meistens vor dem Haus und könnte die überflüssige Energie aufnehmen.

Exkurs Autarkiegrad und Eigenverbrauchsanteil

In der Photovoltaik werden Anlagen oft mithilfe des Eigenverbrauchsanteils und des Autarkiegrades charakterisiert. Der Autarkiegrad gibt dabei an, wie das Verhältnis des eigenverbrauchten Solarstroms zum Gesamtstromverbrauch ist. Ein Autarkiegrad von 100% bedeutet, dass keine Energie aus dem Netz bezogen werden muss. Eine vollständige Autarkie ist in Europa nur mit grossem Aufwand zu erreichen. Die saisonalen Unterschiede sind zu gross. Bei einem Einfamilienhaus mit einer 5-kW-Anlage liegt dieser Wert bei ca. 30% und kann mit einem Tagesspeicher auf ca. 60% erhöht werden. Je höher der Autarkiegrad, umso höher ist der Beitrag zur CO₂-Reduktion.

Der Eigenverbrauchsanteil hingegen ist der eigenverbrauchte Solarstrom bezogen auf den erzeugten Solarstrom. Ein Eigenverbrauchsanteil von 100% sagt aus, dass kein Strom ins Netz zurückgespiesen wird. Die aktuellen wirtschaftlichen Rahmenbedingungen fördern einen hohen Eigenverbrauchsanteil, da für das Einspeisen in das Elektrizitätsnetz zunehmend tiefere Tarife vergütet werden. Es ist sicher sinnvoll, durch ein Lastmanagement den Lastgang des Stromverbrauches an die solare Produktion anzupassen. Werden wegen diesem Kennwert künstlich kleinere Anlagen gebaut, ist das keine gute Entwicklung. Die zunehmende Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit von Speichern unterstützt das Erreichen eines hohen Eigenverbrauchsanteils.

Falls Sie Fragen oder Interesse an erneuerbaren Energieträgern haben, können Sie uns gerne kontaktieren: