Solar

Die Energie der Sonne nutzen 

Über 30 Jahre lang haben wir unsere Energie für Heizen und warmes Wasser durch das Verbrennen von Öl gewonnen. Die Energie der Sonne direkt auszunutzen war wegen des niedrigen Ölpreises einfach nicht wirtschaftlich. Es ist verwerflich, die wertvollen Schätze der Erde zu verbrennen, nur damit der Hintern warm wird.

Mai 2017 : Es soll noch einmal nachgerechnet werden. Was kostet es, Solarpaneele auf Dach zu packen ? Nur Fotovoltaik, oder auch ein bischen Solar-Thermie ?

Dabei auch ein bischen Autarkie : Falls der Strom länger ausfällt, soll die Sonne (elektrische) Energie liefern können, mit der die Heizung weiterlaufen kann. Vielleicht reicht es auch noch für einen Tiefkühl- oder Kühlschrank.

24+ Solar-Paneele passen ohne Probleme auf das nach Süden ausgerichtete Dach. Die Dachneigung beträgt 35 Grad. Durch die besondere Dachform sieht man diese Paneele auch gar nicht.

Wirtschaftlich ?

Die Wirtschaftlichkeit einer Solaranlage wird in der Regel durch die Solarfirmen berechnet. Zumindest in Nordrhein-Westfalen kann diese Berechnung auch selbst durchgeführt werden :

 https://www.energieatlas.nrw.de/site/karte_solarkataster

Nachdem das interessierende Objekt auf der Flurkarte gefunden ist, kann sehr komfortabel die Wirtschaftlichkeit ausgerechnet werden. Unabhängig von der Wirtschaftlichkeit hilft jede Solaranlage dabei, den Planeten grüner zu machen. Auf den Seiten des DWD, Deutscher Wetterdienst, gibt es sehr wertvolle Zusatzinformation. Ein Beispiel :

https://www.dwd.de/DE/leistungen/solarenergie/strahlungskarten_sum.html?nn=16102

Elektrische Haus-Installation

In der Regel kommt dreiphasiger Drehstrom (R, S, T, bzw. L1, L2, L3, bzw. A, B, C) ins Haus. Die meisten Verbraucher benötigen heute meist nur eine Phase. Ausnahme : Herd, Durchlauferhitzer, Sauna, Wallbox. Einfacher "Trick" für den längeren Stromausfall : Schukostecker des wichtigen Gerätes (Kühlschrank, Heizung, ...) aus der Wanddose ziehen, und in die Notstromversorgung stecken. Die "tolle" Lösung ohne Umstecken geht natürlich auch und wird immer preiswerter.

Elektrische Autarkie

wird hoffentlich, genau wie in den letzten über 70 Jahren, nicht benötigt. Ohne Solarenergie und Akkumulator wäre das ein mit Benzin, Diesel oder Gas betriebenes Notstromaggregat. Es gibt mittlerweile auch Notstromgeneratoren, die wahlweise mit Benzin oder Gas funktionieren, z.B. EcoFlow Smart Generator (Dual Fuel). Achtung : auch diese Brennstoffe sind nicht unbegrenzt lagerfähig. Die zur Zeit auf dem Markt befindlichen Photovoltaik-Umrichter (auch Inverter oder Wechselrichter genannt)  funktionieren in der Regel nur, wenn von extern die 50 Hertz Netzfrequenz vorgegeben wird. Bei Netzausfall funktioniert der "normale" Solar-Wechselrichter also leider nicht mehr. Sogenannte "Insel-Wechselrichter" als Teil einer "Insel-Lösung" sind optional autark und haben in der Regel auch einen Speicher für elektrische Energie (Akkumulator). Die optimale Anlage kann zwischen den beiden Betriebsarten "Insel" und "verbunden mit Netz" automatisch umschalten. Typische Umschaltzeiten liegen bei ca. 30 bis 90 Sekunden. Es gibt zunehmend auch Wechselrichter mit Umschaltzeiten von 20 mSec.

Wechselrichter

Wechselrichter heissen Wechselrichter, weil man sie häufiger wechseln muss, ;-) . Sie wandeln den Gleichstrom (DC) der Solar-Panele und der Batterien in den benötigten 230 Volt Wechselstrom (AC). Einige gute Hersteller :

Der wechselnden Intensität der Sonne wird durch "Maximum Power Point Tracking" Rechnung getragen :

https://de.wikipedia.org/wiki/Maximum_Power_Point_Tracking

Überwachung 

Um zu verstehen, was an der eigenen Solarfront so abgeht, sollte eine Überwachung, neudeutsch "Monitoring", installiert werden. Möchte sich eigentlich keiner drum kümmern. Eine gute Überwachung liefert aber schöne Diagramme (siehe weiter unten) und Emails, wenn etwas nicht mehr stimmt (ein Solarpanel ausgefallen, Schnee auf den Panels, ...). Bei den meisten Invertern ist der Zähler für die Leistung des Inverters integriert. Sehr oft kann dann auch noch ein Hausanschlusszähler (zum Beispiel über 3 Ferritklemmen und MODBUS) in den Inverter integriert werden.

Energie - Kosten

Elektro (Stand Juni 2017)  :

1 "gekaufte" kWh kostet ca. 0,25 Euro

1 "verkaufte" kWh bringt ca. 0,11 Euro

Energieinhalte 

1 Liter Heizöl : 10,6  kWh , kostet ca. 0,50 Euro/Liter incl. MWSt. , Stand 2017, (schwankt zwischen 0,40 und 0,65 Euro)  http://www.oel-preis.de/

1 cbm Gas : 8,6–11,4 kWh , kostet ca. 0,70 Euro/cbm incl. MWSt. , Stand 2017

Öl Verbrauch : ca. 2.800 Liter pro Jahr, 28.000 kWh, entspricht 1.400 Euro @0,50 Euro/Liter

Elektrischer Verbrauch im Jahr 2017 : ca. 6.300 kWh  ( also 1.575 Euro @0,25Euro/kWh )

Installation der Solaranlage

September 2018 : Eine kleine Fotovoltaik Solaranlage wird von der Firma Hamacher aus Lindlar installiert und erzeugt seitdem mit 24 Solarmodulen REC 290 Twinpeak2 BLK (REC290TP2 BLK, 290 W) bei Sonnenschein 7 kWp Strom. Der dreiphasig einspeisende Wechselrichter ist der Typ SE 7K-EUR von Solaredge. Jedes Solar-Modul hat die Abmessung 1665 x 991 x 38 mm, insgesamt also 24 x 1,65 m2 = 39,4 m2 Solarzellen. Ein Stromspeicher wurde aus technischen und wirtschaftlichen Gründe nicht direkt mit installiert. Trockner, Spül- und Waschmaschine laufen jetzt bevorzugt bei Sonnenschein mit selbst produziertem Strom. An einem sonnenreichen Tag werden zwischen 40 und 50 kWh Energie erzeugt.

Januar 2022 : Seit über 3 Jahren läuft die Solaranlage. Nur ein kleiner Teil der Sonnen-Energie wurde vor Ort verbraucht und gar nicht erst eingespeist. Daneben konnte durch Ersatz der größten Stromfresser (Tiefkühler, Kühlschrank, Trockner, ...) der elektrische Verbrauch deutlich gesenkt werden. Seit September 2018 wurden bislang 30% mehr kWh ins Netz eingespeist, als ihm entnommen wurde.

Herbst 2022 : Sollte man nicht noch ein paar Solar-Panels auf der Nordseite installieren ? Da würden sich zwei Reihen von je 11 Zellen, = 22 Zellen (1,82 m x 1,02 m x 22 = 40,8 m2, 8.910 kWp), gut machen. Mittlerweile ist die Leistung eines Panels von ca. 300 Watt (s.o.) auf über 400 Watt (REC Alpha Pure 405) gestiegen.


Ein toller Tag sieht so aus :

Insel-Lösung

In den Angeboten der Solarteure (Installateure von Solaranlagen) kostete es bis zum Jahre 2022 herum höhere 4 stellige bis 5 stellige Eurobeträge, um eine "normale" Solaranlage mit Anbindung an das öffentliche Netz zu einer "Insel-Lösung" aufzuwerten. Weil "echte" Insel-Anlagen oft gar keine Verbindung mit einem öffentlichen Netz haben, spricht man auch von Solaranlagen mit Notstromfunktion. Bei Ausfall des öffentlichen Netzes wird eine Insel-Lösung aktiviert und liefert weiterhin Strom für den eigenen Haushalt.  So eine Anlage enthält :

Eine Insel-Lösung im bezahlbaren Rahmen dürfte ein ziemlicher kommerzieller Erfolg werden. Bis dahin ist wohl ein mit Benzin betriebenes Notstrom-Aggregat die wirtschaftlichste Lösung zur Überbrückung von längeren Stromausfällen. 

Ohne interne Trenn-Schaltungen im Wechselrichter muss das öffentliche Netz bei Stromausfall extern mit einer Netz-Umschaltbox abgeschaltet werden. Das geht, kostet aber auch ein paar Euronen : https://enwitec.eu/netzumschaltboxen/ . Übergeordnet sollte das Haus dann noch mit einem manuellen Lastumschalter einfach direkt - ohne die Solar/Akku Installation - mit dem öffentlichen Netz verbunden werden können. Das ist im Fehler- oder Wartungsfall sehr praktisch.

Notstrom

Bei längeren Stromausfällen ("Not") sollte mit der noch in der Batterie gespeicherten Energie gehaushaltet werden. Die wichtigsten Verbraucher (Kühlschrank, ...) sollten durch gezieltes Umstecken an die Notstrom-Netzversorgung versorgt werden.

"Nur" eine Batterie nachrüsten

Eine nachgerüstete Batterie kann dafür sorgen, daß im Sommer (fast) gar kein externer Strom mehr gebraucht wird. Unterstützt der verwendete Wechselrichter der Solaranlage nicht den Anschluß einer Gleichstrom-Batterie, ist der Anschluß einer Batterie an das Hausnetz trotzdem möglich. Im Solarteur Sprech heisst eine solche Batterie "AC Batterie", weil sie dann an den 230 Volt Wechselstrom des Hauses angeschlossen wird. Die Preise für die dafür benötigten Batterien im Bereich von 5 bis 15 kWh gehen zur Zeit (Anfang 2023) nach unten. Diese Kapazitäten reichen für die niedrigen Leistungen, die nachts benötigt werden, oft vollkommen aus. Die Preisspanne für das Komplettsystem "AC-Batterie" liegt bei ca. 500 bis 2.000 Euro pro kWh. Somit kann eine solche Batterie nicht nur eine schöne technische Spielerei sein, sondern sich sogar wirtschaftlich rechnen.

Die Elektronik für eine Nachrüst-Batterie muß - natürlich - eine Ladeelektronik, einen Wechselrichter und etliches an Steuerungs-Software mitbringen, um sicherzustellen, daß die Batterie zur richtigen Zeit und mit der richtigen Leistung ge- und entladen wird. Geladen werden soll natürlich nur mit dem Überschuss-Strom, der sonst ins Netz geladen werden würde. Die Suche nach dem optimalen System wird hier beschrieben.

im April 2023 wurde folgendes einphasig angeschlossene Victron ESS System installiert :

Victron Manuals : https://www.victronenergy.com/support-and-downloads/manuals

Victron Community : https://community.victronenergy.com

Diese Software muss für das Shelly 3EM geladen werden : https://github.com/fabian-lauer/dbus-shelly-3em-smartmeter

Ein nettes Victron ESS/Multiplus II Technik Erklärvideo : https://youtu.be/-go0W2CRxy0

Das gesamte System wurde bei SET-Stange Energietechnik in Langenfeld erworben. Die Beratung bei Stange war sehr gut. Die Daten des Systems werden im Victron Energy Energieportal gepflegt : https://vrm.victronenergy.com/ . Das System wird von Home-Assistant, https://www.home-assistant.io/ , unterstützt, hat sogar eine Notstrom Funktion und sieht so aus :

Als Stromzähler mit Meß-Schnittstelle wird vom Victron Energy System ein Shelly 3EM benutzt :

Die Batterie wird nicht direkt von den Solar-Panelen geladen. Die vom SolarEdge Inverter erzeugte Spannung von 230 Volt AC wird vom Victron Multiplus Laderegler zum Laden der Batterien benutzt. Das funktioniert zur Zeit nur, wenn eine 230 Volt AC Spannung am verwendeten Solar-Wechselrichter anliegt. Während eines längeren Ausfalls des öffentlichen 230 Volt Netzes müsste dann der DC-Solarstring vom SolarEdge Wechselrichter getrennt werden, um die DC-Batterie direkt zu laden. Zum Beispiel mit einem Victron SmartSolar MPPT Gerät. Oder der Solar-Wechselrichter müsste an den 230 Volt Notstrom umgeklemmt werden.

Wer googelt findet viele Formulare und Videos zu dem Thema, so auch dieses :

Solarakku selber bauen und erfolgreich beim Netzbetreiber anmelden ohne Installateur | IngosTipps, https://youtu.be/0Hk7o3B42Bo

Wallbox

Eine Wallbox (= Ladestation für ein E-Auto) sollte natürlich auch mit Sonnenkraft betrieben werden. Siehe hier.

Solar Panels

Die Technik der Panels ändert sich laufend. Im Frühjahr 2022 sind wohl monokristalline Glas-Glas Zellen die beste Wahl. Diese sind ca. 1 m x 1,8 m groß und leisten ca. 400 Wp.

Sonnen Ernte

An den folgenden Diagrammen läßt sich erkennen, daß sich ein Photo-Voltaik Anlage lohnt.

Energiebilanz mit Batterie

Im folgenden ist die Energiebilanz mit einer Pufferbatterie für einen sonnigen Tag zu sehen. Im Unterschied zu dem oben gezeigten Diagramm fällt auf, dass keine externe Energie gebraucht wird : Kein Zukauf externer Energie. An dem sonnigen Tag werden 37,9 kWh aus Sonnenenergie erzeugt. 22,2 kWh werden als Eigenverbrauch benötigt, um die Hausbatterie und die Batterie des E-Autos zu laden. Nachdem beide Batterien geladen sind fällt der Eigenverbrauch signifikant ab. Es können noch 15,7 kWh ins öffentliche Netz eingespeist werden.

Jahresbilanz mit Batterie

Das folgende Diagramm zeigt beim Vergleich der Jahre 2022 (ohne Batterie) und 2023 (mit Batterie) eindrucksvoll, um wieviel der Eigenverbrauch gesteigert werden kann.

Energieverteilung

Die Energieverteilung kann Home-Assistant sehr schön darstellen. Im März 2024 fehlen leider die Batteriedaten noch.

Solarthermie

Die Sonnenscheindauer im Winter wird durch die "Ernte" der Fotovoltaik Anlage ausgewiesen, siehe oben. Bedingt durch die kürzeren Tage und den tieferen Stand der Sonne war die Solar-Winterernte der letzten Winter, gemessen in kWh, erwartungsgemäß nicht so toll.
Für das bischen Duschen und Baden im Sommer, wenn Sonne ohne Ende da ist, lohnt sich die Installation einer Solarthermie-Anlage sicherlich nicht. Gebraucht wird Energie im Winter zum Heizen. Dann scheint aber keine Sonne. Es ist schwierig abzuschätzen, was die Solarthermie im Winter, neben Brauchwasser Erwärmung, zur Heizungsunterstützung tatsächlich leisten könnte, gemessen in kWh. Der Wirkungsgrad von Solar-Thermie (25% - 50%) ist besser als der Wirkungsgrad von Photovoltaik (ca. 20 % - 22%).

Eine Solarthermie-Anlage benötigt auch eine Steuerung, einen Pufferspeicher, Leitungen, Pumpen, Mischer, diverse Sensoren, Verkabelung und Ventile, was alles langsam vor sich rottet. Gebraucht wird natürlich auch ein kompetenter Handwerker, der das alles korrekt installiert. Vermutlich also insgesamt keine tolle Investition, aber technisch natürlich spannend. Die richtige Regelung der Ventile und Pumpen für so einen Solarthermie-Speicher ist auch nicht einfach, und nicht jede angebotene Steuerung beherrscht das richtig. Schlimm, aber schon häufiger passiert : die Solarthermie-Anlage heizt die Paneele, statt Sonnenstrahlen zu ernten. Oder die Anlage nimmt im Sommer durch Überhitzung Schaden, weil keine Wärme abgenommen wird. Zusammenfassung : Solarthermie zur Zeit eher nicht.

Heizen mit Sonne

Auch im Winter scheint ja die Sonne, so ein bisschen. Wie oben beschrieben scheint Solarthermie nicht ganz so toll zu sein. Auf der Fläche, die sonst von Solarthermie-Panels bedeckt wäre, kann besser Strom erzeugt werden. Und dieser Strom kann Wärmepumpen antreiben. Das ist effektiver als mit dem Strom per "Tauchsieder" das Heizwasser zu erwärmen.

Sand-Batterie

Die Schlagzeile lautet : Power-to-Heat: Wie eine Batterie aus Sand Wärme speichern und abgeben soll.

Im Westen Finnlands startete im Frühsommer 2022 der weltweit erste kommerziell genutzte Wärmespeicher aus Sand seinen Betrieb :

https://www.heise.de/hintergrund/Power-to-Heat-Wie-eine-Batterie-aus-Sand-Waerme-speichern-und-abgeben-soll-7179764.html

Wasserstoffspeicher

Von der  Firma Picea gibt es eine Lösung, bei der im Sommer durch Solarstrom Wasserstoff erzeugt wird. Dieser Wasserstoff wird im Winter "verheizt" :

https://www.homepowersolutions.de/produkt/

Diese Technik wurde auch in der c't besprochen.