Seit etwa zwei Wochen beschäftigen wir uns mit dem Thema Photovoltaik. Zwar war das in unserem Energiekonzept aus Kostengründen nicht vorgesehen, aber innerhalb der beiden letzten Jahren hat sich technologisch und preislich einiges getan.
Angefangen hat es damit, dass wir auf eBay über ein kleines Solar-Komplettpaket gestolpert sind, welches dazu gedacht ist, lediglich einen Teil des Strom-Eigenverbrauchs abzudecken. Ohne Netzeinspeisung, ohne bürokratischen Papierkram, ohne Gewerbeanmeldung oder sonstwas. Mit übersichtlichem Aufwand selbst zu installieren, einfach Solarmodule auf ein Dach (z.B. Garage, Gartenhaus), Stecker in eine beliebige Steckdose und los geht's - und das Ganze für unter 1.000€
So zumindest das Werbeversprechen - und so hat es angefangen.
Grundsätzlich gibt es aktuell zwei Arten, eine Photovoltaikanlage zu betreiben.
- ohne Netzeinspeisung
- mit Netzeinspeisung
Beide Arten gibt es zudem noch je als Variante mit Batteriespeicher oder ohne. Doch da solarfähige Batterien noch mitten in der Entwicklung und daher noch sehr teuer sind sollen diese Varianten hier erstmal nicht beleuchtet werden.
Funktionsweise ohne Netzeinspeisung:
Die einfachste Art der Nutzung einer Solaranlage ist die, wie bereits vorab kurz umschrieben, sprich ohne Netzeinspeisung.
Diese Anlagen sind auch bekannt als "Guerilla-Anlagen", PV-Kleinanlagen oder Balkonkraftwerke und (mittlerweile) ganz legal -> Guerilla-Photovoltaik ist legalisiert
Produziert die PV (= Photovoltaik) Anlage beispielsweise gerade 500 Watt und der zeitgleiche Verbrauch im Haus liegt bei 1.000 Watt dann wird die Hälfte des Verbrauchs durch die PV-Anlage abgedeckt und nur die andere Hälfte muss vom Netzbetreiber bezogen werden, man spart also die Hälfte an Strom.
Allerdings wird es öfters der Fall sein, dass die PV-Anlage zur Mittagszeit 1.000 Watt produziert, aber, wenn gerade niemand zu Hause ist und kocht oder die Waschmaschine laufen lässt, der zeitgleiche Verbrauch nur um 200 Watt liegt. In diesem Fall werden diese 200 Watt komplett von der PV-Anlage bezogen, aber 800 Watt "verpuffen" ungenutzt (wobei verpuffen nicht ganz richtig ist, der überschüssige Strom wird ganz automatisch ins Netz eingespeist, allerdings hat man selbst nichts davon, d.h. man stellt dem Stromnetzbetreiber kostenlos Energie zur Verfügung).
Interessant weil kostenmäßig das Optimum ist bei dieser Variante die sog. Grundlast. Das ist der Stromverbrauch, der in der Wohnung bzw. am Haus immer anliegt, durch Dauerverbraucher wie Kühlschrank, Gefriertruhe, WLan-Router, Telefon, Standbygeräte. Bei einem Einfamilienhaus liegt die Grundlast in etwa zwischen 200 und 250 Watt. Das bedeutet, permanent 24 Stunden am Tag wird soviel Strom verbraucht, als wenn eine 250 Watt Glühbirne dauerhaft brennt.
Um 250 Watt per Photovoltaik abzudecken würde man eine Kleinstanlage mit 500 Watt wählen bestehend aus zwei Modulen zu je 250 Wat. Wieso 500 Watt? Weil die angegebene Leistung von Solarmodulen nur maximal bzw. als Spitzenwert und unter absoluten Topp-Bedingungen erreicht werden, z.B. im Hochsommer Ende Juli / Anfang August zur Mittagszeit wenn die Sonne senkrecht steht und dazu die Solarmodule in perfekter Südausrichtung mit 35° Neigung ausgerichtet sind. In allen anderen Fällen wird eine PV-Anlage mit 500 Watt auf dem Papier bei weitem keine 500 Watt erzielen.
Rechenbeispiel:
- Grundlast: 250 Watt
- Strompreis: 25 Cent / KWh
- Jahresverbrauch nur durch Grundlast: 2.200 KWh -> das könnte theoretisch durch eine Guerillaanlage eingespart werden, aber das funktioniert ja weder nachts noch wenn über Winter das Wetter schlecht ist
- eine PV-Anlage mit 500W produzierter laut Rechnerphotovoltaik.de im Jahr etwa 507 KWh
- eingespart: 507 KWh x 0,25 Cent / KWh = 126,75€ -> d.h. pro Jahr können 126,75€ am eigenen Stromverbrauch eingespart werden
- ein passendes Komplettpaket mit 500 Watt kostet um 700€ z.B. bei Bau-tech auf eBay
(Bildqulle: Bau-tech GmbH @ eBay)
Solch eine Anlage kann man auf dem Hausdach, aber auch auf dem Gartenhaus oder einem Carport montieren, oder auf einen Balkon. Angeschlossen werden diese Anlage, indem man einfach eine beliebige Steckdose austauscht gegen eine spezielle "Solarsteckdose" und die Anlage dort dann einsteckt. Fertig.
Wegen der Einfachheit der Montage und dem niedrigen Preis wurden wir quasi angefixt und standen bereits kurz vor dem Kauf einer solchen Kleinstanlage um sie auf unserem Gartenhausdach zu montieren.
"nur zum Spaß" haben wir dann aber noch ein wenig weiter recherchiert und gesponnen, "was wäre wenn" man das Gartenhausdach voll ausnutzen würde, was würde das dann kosten, was würde man an Strom einsparen und wie ist das mit Einspeisevergütung?
Funktionsweise mit Netzeinspeisung
Prinzipiell unterscheidet sich die Funktionsweise einer Kleinstanlage wie oben beschrieben nur sehr wenig von einer "großen" Anlage, die auch noch Strom ins Stromnetz einspeist.
Sie besteht aus denselben Kernkomponenten, den Solarmodulen und einem Wechselrichter. Dieser funktioniert im Grunde wie ein Trafo und wandelt die Gleichspannung der Solarmodule um in 230V Wechselspannung. Um überschüssigen Strom ins Netz ein zu speisen benötigt man dann zusätzlich nur noch einen neuen Stromzähler, einen sog. Zweirichtungszähler. Dieser erfasst nicht nur den normalen Stromverbrauch sondern eben auch, wenn Strom ins Netz eingespeist wird.
Nehmen wir denselben Fall wie oben. Produziert die Anlage 500 Watt und der Eigenverbrauch liegt gerade bei 1.000 Watt, muss man nur 500 Watt vom Netzbetreiber beziehen und zahlen.
Produziert die Anlage nun 1.000 Watt und es werden zeitgleich 200 Watt verbraucht, entsteht ein Überschuss von 800 Watt und dieser wird nun in das Stromnetz eingespeist. Dieser eingespeiste Strom wird durch den Zweirichtungszähler erfasst und vom Stromnetzbetreiber vergütet, aktuell (August 2019) bei rund 10 Cent pro KWh (vor 10 Jahren lag die Einspeisevergütung noch bei über 40 Cent / KWh).
Die Höhe der Vergütung ist gesetzlich vorgegeben und richtet sich danach, wieviele Solaranlagen bereits am Netz sind und wieviel Solarstrom zusammen produziert wird. Die Vergütung sinkt demnach kontinuierlich und wird komplett wegfallen, wenn eine bestimmte Stromobergrenze erreicht ist. Das gilt jedoch nur für Neuanlagen. Generell wird zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme einer Photovoltaikanlage der aktuell gültige Einspeisevergütungssatz für die kommenden 20 Jahre festgeschrieben. Nur deswegen erhalten Haushalte mit alten Solaranlagen noch eine höhere Vergütung, diese wird jedoch nach Ablauf der 20 Jahre wegfallen.
2 Vorteile von Photovoltaik mit Netzeinspeisung gegenüber ohne Einspeisung:
- ist die PV-Anlage größer dimensioniert können auch große Verbraucher wie z.B. Herd & Backofen, Waschmaschine, Wärmepumpe, Elektroauto mit Strom aus eigener Produktion versorgt werden, was entsprechend ein höheres Einsparpotenzial zur Folge hat
- produziert die Anlage mehr Strom als gerade verbraucht wird, wird der Überschuss ins Netz eingespeist und mit rund 10 Cent / KWh vergütet.
Also haben wir mal eben die zur Verfügung stehende Dachfläche geschätzt und den Onlinerechner mit Daten gefüttert.
Tipp: es gibt im Netz ettliche Solarrechner, und fast alle basieren auf demselben, schnell und einfach zu bedienenden aber daher auch recht ungenauen Rechenmodell. Nach etwas längerer Suche bin ich auf einen umfangreichen und sehr guten Rechner gestoßen. Mit dessen Hilfe kann man per Satellitenbild auch die eigene Dachfläche berechnen sowie die Ausrichtung (Nord / Süd etc.) genau vermessen, man benötigt dann lediglich noch die Dachneigung. Es wird automatisch der technisch bedingte Leistungsverlust der Solarmodule mit einbezogen, Inflation, geschätzte Strompreiserhöhungen und es kann eine Beispielfinanzierung mit einbezogen werden.
Rechnerphotovoltaik.de -> "Photovoltaik Rechner (Experte)"
Zwischenfazit für unseren Anwendungsfall:
- Dachfläche: unser Gartenhausdach ist zwar nicht optimal ausgerichtet aber mit rund 50m² recht groß, sodass mit guten, aktuellen Solarmodulen eine Leistung von 9,2 KW möglich wäre, was sehr nah an die Obergrenze von 10 KW heran kommt, welche die meisten Privathaushalte mit Photovoltaikanlagen einhalten, da darüber hinaus zusätzliche Steuern anfallen und die Einspeisevergütung sinkt.
- Installation: nachdem wir die Solarthermieanlage sowie die gesamte Hauselektrik selbst installiert haben trauen wir uns auch zu, eine Photovoltaikanlage in Eigenleistung zu installieren. Lediglich der Anschluss an den Sicherungskasten + Zählertausch muss von einem Elektriker gemacht werden
- Kosten: wenn wir alles in Eigenleistung machen und daher nur die Materialkosten + Lohn für den Elektriker rechnen würde uns die Anlage mit 9,2 KW in etwa 8.000€ kosten. Wenn dann würden wir die Anlage komplett finanzieren und die Raten so wählen, dass sie 1:1 vom produzierten Strom abbezahlt werden. Bzw. vom eingesparten Eigenstromverbrauch + eingespeisten Strom. Die Anlage wäre dann in 9 Jahren abbezahlt und ab dann würden wir monatlich etwa 100€ Gewinn machen.
Lohnt sich das?
Nunja, was heißt lohnen? Sicher kann man bei 10 Cent Einspeisevergütung keinen Reibach mehr machen wie vor 10 Jahren, jedoch bedeutet eine PV-Anlage auch ein Stück Unabhängigkeit vom Stromanbieter und den vorgegebenen Strompreisen, die größtenteils an den Börsen entstehen.
(Bildquelle: pixabay.com )
Je mehr Eigenverbrauch durch die PV-Anlage abgedeckt werden kann, desto weniger muss man "normalen" Strom hinzukaufen, und spätestens das lohnt sich dann auch finanziell. Dieses Verhältnis kann man zudem noch zu einem Großteil selbst beeinflussen, z.B. indem man große Verbraucher wie Waschmaschine, Geschirrspüler, Wärmepumpe überwiegend mittags startet, wenn die PV-Anlage Strom produziert.
Ökologisch lohnt sich Photovoltaik auf jeden Fall. In der Summe würde "unsere" Anlage mit 9,2 KW Leistung jedes Jahr rund 8.500 KWh erzeugen. Unser aktueller Jahresverbrauch liegt bei 2.800 KWh Allgemeinstrom + 3.700 KWh Wärmepumpenstrom, also in der Summe 6.500 KWh gesamt.
Das bedeutet, dass wir rein rechnerisch keinerlei Strom aus fossilen Quellen oder Atomkraft mehr beziehen würden sondern komplett aus Solarstrom, plus darüber hinaus noch 2.000 KWh in das Stromnetz der Allgemeinheit einspeisen.
Nach dieser Berechnung war es für uns klar: wenn schon dann machen wir es richtig und holen uns eine Photovoltaikanlage mit Netzeinspeisung, und zwar jetzt bald.
Zwar ist der Zeitpunkt (es geht auf das Jahresende zu) nicht optimal, aber da aktuellen Nachrichten zufolge die Einspeisevergütung um den Jahreswechsel herum eingestellt werden könnte, muss es eben jetzt sein.
Feintuning:
Damit sich die PV-Anlage selbst abbezahlt und wir nicht die nächsten 10 Jahre noch monatlich drauflegen müssen muss alles genau durchkalkuliert werden und auch auf technische Feinheiten geachtet werden.
Solar-Module:
Die wichtigste Komponente. Von den Maßen her gibt es einen Quasi-Standard, den alle Hersteller mit wenigen mm Toleranz einhalten: 1,70 x 1,00m
Unterschiedlich ist die Leistungen in Watt. Hier sind die Hersteller weitestgehend gleich auf, es gibt von Jahr zu Jahr eine typischerweise überall erhältliche, durchschnittliche Wattzahl. Diese wird durch technologischen Fortschritt immer weiter verbessert und steigt demzufolge jährlich.
Vor 5 Jahren noch waren Module mit 250 Watt das Maximum und während die Vorjahresmodelle aus 2018 schon bei 280 Watt lagen (und nun "spottbillig" zu haben sind) leisten aktuelle Module (August 2019) zwischen 320 und 335 Watt. Das technisch mögliche Maximum liegt derzeit bei 370 Watt pro Modul, aber hier ist der Aufpreis pro Mehr-Watt immens, da hier offenbar nur handverlesene Einzelzellen verbaut werden.
Da wir auf dem Gartenhausdach mit rund 50m² eine nur eingeschränkt große Fläche zur Verfügung haben werden wir diese auch optimal ausnutzen und nach einiger Suche haben wir uns für 340 Watt Module von JA-Solar entschieden, und zwar vom Typ JAM60S10-340/PR - das sind monokristaline 340 Wp Halbzellen Module.
(Bildquelle: JASolar.com )
Insgesamt passen, dicht gedrängt, 27 Module auf das Dach. Rechnerich sind das 9.200 Watt maximale Leistung. Durch die nicht optimale Dachausrichtung wird die Anlage bei 8.200 Watt max. liegen.
Vernetzung:
Wie bereits erwähnt sind 10 Cent Einspeisevergütung nicht viel und man spart viel mehr, wenn man den Eigenverbrauch erhöht zu der Zeit, in der die PV-Anlage Strom produziert.
Hierzu schaltet man entweder von Hand Geräte wie Geschirrspüler, Waschmaschine und Wärmepumpe an (was nur in einem bestimmten Maße klappen wird da man dazu ja auch zu Hause sein muss), oder man vernetzt alle relevanten Geräte miteinander und kann diese dann automatisch schalten, abhängig von der Stromproduktion und der Wettervorhersage.
Aus diesem Grund achten wir vor dem Kauf auf netzwerkfähige Geräte und bei der PV-Anlage sind hier zwei Komponenten ausschlaggebend.
Wechselrichter:
Als Zentrale der PV-Anlage wandelt der Wechselrichter die, von den Solarmodulen produzierte, Gleichspannung in 230V Wechselspannung um. Hier gibt es zwei handvoll etablierter Fabrikate am Markt und etwa die Hälfte verfügen über irgendeine Form der Netzwerkanbindung. Manche bereits ab Werk, manche muss man für teures Geld mit einem WLan-Modul nachrüsten (um 300€ zusätzliche Kosten).
Wir haben uns für den Fronius Symo 8.2-3M entschieden. Er passt leistungsmäßig perfekt (bis 8.200 Watt)
(Bildquelle: greenpowerco.com )
Der Fronius Symo kann per WLan und Lan angebunden werden und so alle Daten zum erzeugten Strom über Netzwerk abgefragt werden. Das beste: er ist kompatibel mit OpenHab, der von uns eingesetzten Smart-Home Haussteuerung.
Als zusätzliche Erweiterung (im Bild links unten) kann der Fronius Smart Meter im Sicherungskasten eingesetzt werden und ebenfalls per Netzwerk sowie Openhab eingebunden werden, sodass man alle Verbrauchsdaten erfassen kann. So erhält man einen kompletten Überblick über Eigenverbrauch, produzierten Solarstrom, Überschusseinspeisung oder Stromzukauf.
Mit diesen Daten und kombiniert mit der zentralen Haussteuerung über OpenHab können dann automatisiert Verbraucher geschaltet werden. Mit unserer aktuellen Waschmaschine und Geschirrspüler wird das so zwar noch nicht klappen, aber unsere Wärmepumpe ist "Smart-Grid-ready" und kann dann angeschaltet werden, wenn die PV-Anlage gerade viel Strom produziert.
Stromzähler:
Trotz dass unsere Stromzähler noch kein Jahr alt sind und topp modern (offz. auch "Moderne Messeinrichtung" genannt) verfügen sie über keine Netzwerkschnittstelle, sondern nur über - und jetzt kommt's - einen Taschenlampen-Morsecode-Sensor.
Ernsthaft? Ja, völlig ernsthaft.
(Bildquelle: emh-metering.de )
Am Stromzähler sitzt ein Lichtsensor, und wenn man mittels Taschenlampe einen bestimmten Morsecode (nachzulesen auf etwa 4 Din A4 Seiten Morsecodeanleitung) auf diesen Lichtsensor blinkt verändert sich das Display des Stromzählers und man kann z.B. den aktuellen Stromverbrauch in Watt ablesen, oder den Durchschnittsverbrauch.
Wie gut das funktioniert zeigt ein Bericht vom NDR:
Realer Irrsinn: Neue digitale Stromzähler
Ich habe ehrlich gesagt keine Ahnung, wie man während der Entwicklung eines neuen, gesetzlich verpflichtenden Geräts für alle Haushalte bei der Frage, welche Kommunikationsschnittstelle man benutzt und die Wahl zwischen Bluetooth, Wlan, Lan, USB, Z-Wave, ZigBee und rund 15 weiteren aktuellen Arten hat, man sich darauf hin für - Infrarot Morsezeichen entscheidet.
Ich stelle mir das entscheidende Meeting in etwa so vor:
(Bildquelle: pixabay.com )
"Meine Herren Techniker, Wissenschaftler, Wirtschaftsökonomen und Verbraucherschützer, um den neuen gesetzlich verpflichtenden Stromzähler mit einer Kommunikationsschnittstelle auszurüsten stehen uns nach aktuellem technischen Stand folgende Möglichkeiten zur Verfügung: Bluetooth, Wlan, Lan, USB, Z-Wave, ZigBee und rund 15 weiteren aktuellen Arten, was also nehmen wir?"
(aus der letzten Reihe meldet sich der Pförtner)
"Ich habe zuhause noch eine Taschenlampe aus dem YPS-Heft von 1987, die möchte ich endlich mal benutzen. Lässt sich da nicht was machen?"
"Super Idee, das nehmen wir. Ich setze gleich unser bestes Archäologenteam darauf an um Pläne dieser vergessenen Technologie in den Museumsarchiven ausfindig zu machen. Das wird dann zwar eine Herausforderung, das den Stromkunden als wegweisende Neuerung zu verkaufen aber die haben ja eigentlich eh keine Wahl."
So in etwa muss es gewesen sein.
Morsezeichen... Mal ernsthaft, da wäre es einfacher, der Stromzähler könnte seine Daten faxen oder per federkielgeschriebener Depesche und berittenem Boten zustellen.
Da man mit so einer veralteten Schnittstelle nur über fummelige Umwege wie z.B. einen selbst gebastelten Volkszähler auch Daten in digitaler Form abgreifen kann war schnell klar - wir brauchen andere Zähler.
Über das Photovoltaikforum sind wir dann auf den Messstellenbetreiber Discovergy und deren Smart-Meter gestoßen, welche neben dem obligatorischen Morsesensor auf der Front auch über einen Lananschluss auf der Rückseite verfügen. Das angezeigte Ergebnis über Handy / Laptop / Tablet sieht dann so aus:
(Bildquelle: photovoltaikforum.com )
Wie geht es nun weiter?
- Wir wollen das Projekt Photovoltaik noch dieses Jahr und so schnell wie möglich umsetzen
- aktuell warten wir noch auf Angebote von einer Solarfirma (Materialbezug + Projektbegleitung über Firma, Installation durch uns) sowie vom Elektriker (als Alternative kpl. alles in Eigenregie bis auf Zählertausch und Anklemmen ans den Zählerschrank durch ihn) und auch auf ein Finanzierungsangebot durch unsere Hausbank
- ein paar Vorarbeiten müssen gemacht werden: zwei schattenwerfende Bäume fällen, Stromkabel bis ins Gartenhaus verlegen (Kabel liegen bereits im Graben direkt vor dem Haus, sind aber noch nicht angeschlossen), Dach in Stand setzen (abdichten, zwei Platten ersetzen),
- wenn das alles geklärt ist dann geht's los. Material bestellen, Montagesystem aufs Dach montieren, Solarmodule darauf, Verkabelung bis zum Wechselrichter, Anschluss Wechselrichter an Stromkabel, ab da muss dann der Elektiker übernehmen: neue Stromzähler setzen, Zählerschrank intern teilweise neu verkabeln um eine Kaskadenschaltung zu realisieren, Absicherung und Anschluss PV-Anlage an das Stromnetz