Zusammenfassung

Mit einem sog. Balkonkraftwerk kann man sehr einfach und relativ günstig Solarstrom gewinnen und über eine Steckdose direkt ins Hausnetz einspeisen. Das spart Stromkosten und kann sich schon nach wenigen Jahren Betrieb rechnen, allerdings nur soweit man den Strom auch gleichzeitig selbst verbraucht. Weil diese Betriebsart den überschüssigen Strom an die Allgemeinheit weitergibt und keine Batterie benötigt, ist sie für die ökologische Gesamtbilanz am besten.

Für eine gewisse Unabhängigkeit von der nicht ständig kräftig vorhandenen Sonneneinstrahlung und vom allgemeinen Stromnetz braucht man eine aufladbare Batterie als Stromspeicher und weitere Geräte, was das Ganze aufwendiger und deutlich teurer macht. Damit lässt sich die gewonnene Energie über den ganzen Tag und die Nacht verteilt einspeisen. Eine sog. Inselanlage ist auch während Stromausfällen verwendbar, soweit die Speicherkapazität und die Einstrahlung zum Nachladen reichen.

Abgrenzung

Hier geht es nicht um Solarthermie, also die direkte Gewinnung von Wärme durch Sonnenstrahlung, sondern um die Erzeugung von elektrischem Strom. Es geht hier auch nicht um “große” PV-Anlagen z.B. auf Hausdächern (dazu hier ein fundierter Leitfaden), wobei die physikalischen und technischen Grundlagen natürlich die gleichen sind.

Außerdem kann ich als Privatperson und auch als naturwissenschaftlich-technisch versierter Nichtprofi natürlich keine offiziellen Informationen bzw. absolut verlässliche Hinweise geben und für die Inhalte keine Gewähr oder Haftung übernehmen. Wer bezüglich steckerfertigen PV-Anlagen etwas Offizielleres sucht, der sei z.B. auf den schönen Leitfaden von SmartGridsBW und die ‘Fachinformation’ des DKE verwiesen.

Photovoltaik (PV) und ihr möglicher Energie-Ertrag

Mit Solarzellen kann man Sonnenlicht in elektrischen Strom umwandeln, wenn auch leider nicht gerade effizient. Der Wirkungsgrad der heutzutage üblichen Photovoltaik-Technologie mit Siliziumzellen liegt typischerweise bei nur etwa 18 bis 20%, bei besonders hochwertigen Modulen bis etwa 22%. Außerdem gibt es Verluste, wenn die Solarmodule nicht senkrecht zur Einstrahlung ausgerichtet, (teil-)verschattet, verschmutzt oder zu warm sind. Zu berücksichtigen ist zudem der Wirkungsgrad der übrigen PV-Anlage von etwa 80 bis 95%.

Bild: Globalstrahlung in Deutschland Die von Solarzellen abgegebene Leistung hängt ziemlich linear von der Intensität der Sonnen-Einstrahlung ab. Die maximale Einstrahlung auf die Erde mittags bei klarem Himmel in Bodennähe auf eine Fläche senkrecht zum Sonnenstand liegt bei 1361 W/m² und wird als terrestrische Solarkonstante bezeichnet. Natürlich ist die tatsächliche Sonneneinstrahlung im Durchschnitt viel geringer. Sie hängt stark vom Standort auf der Erde ab und ist je nach Bewölkung, Tages- und Jahreszeit sehr variabel.
Die nebenstehende Karte von Solargis gibt für Deutschland einen Überblick, welche Menge an Sonnenstrahlung pro Quadratmeter horizontaler Fläche durchschnittlich im Jahr zusammenkommt.

Die Nennleistung von Solarmodulen wird in Wp (Watt Peak) angegeben. Zu ihrer Bestimmung verwendet man eine Referenzbestrahlung mit einem normierten Sonnenlichtspektrum einer Stärke von 1000 W/m² bei Zelltemperatur 25°C.
Bei näherer Betrachtung bedeutet die Nennleistung in kWp (also 1000 Wp) die effektive Solarfläche des Moduls, also Fläche (in m²) × Wirkungsgrad.
Daher lässt sich auch der Wirkungsgrad eines Solarmoduls sehr einfach nachrechnen, indem man seine Nennleistung in kWp durch seine Fläche in m² teilt.

Die Wp-Angaben von Herstellern und Händlern für Solarmodule sind mit Vorsicht zu genießen — hauptsächlich weil die tatsächliche Leistung wie oben erwähnt stark von der Situation (Ausrichtung, Sonnenstand, Bewölkung usw.) abhängig und meist deutlich geringer ist. Außerdem weil besonders chinesische Händler von flexiblen Solarmodulen dazu tendieren, bei den Leistungsangaben deutlich zu übertreiben. Daher lohnt sich als Plausibiltäts-Check, den Wirkungsgrad nachzurechnen.

Bild: PV-Potential in Europa In unseren Breitengraden ist je nach Standort bei optimaler statischer Ausrichtung der Solarmodule ein Jahres-Ertrag von 1100 kWh pro kWp installierter PV-Nennleistung möglich. Manche Angaben dazu sind mit etwa 900 bis 1000 kWh eher zu konservativ, andere übertreiben mit bis zu 1200 bis 1300kWh.
Der Jahresertrag lässt sich leicht näherungsweise berechnen, und zwar durch Multiplikation des standortspezifischen PV-Potentials (welches bereits angenommene typische System-Verlustfaktoren beinhaltet und auch spezifischer Ertrag genannt wird) in kWh/kWp mit der PV-Nennleistung in kWp.
Das PV-Potential (PVOUT) erhält man z.B. aus den groben Karten von Solargis, aus dem Global Solar Atlas der Weltbank (auch von Solargis) oder am Genauesten aus der PVGIS-Datenbank der EU bei der Standard-Eingabe von 1 kWp für die installierte max. PV-Leistung.

Bild: PV-Potential nach Ausrichtung von Solarmodulen Bild: Ertragsanteil nach Ausrichtung von Solarmodulen Den besten Jahresertrag bekommt man in süddeutschen Breitengraden bei Orientierung nach Süden und mit ca. 38° Neigung (also Winkel relativ zur Waagerechten). Genaueres kann man z.B. über PVGIS (oder einfacher über Solarserver) standortspezifisch anhand von Geo- und Klimadaten berechnen/simulieren. Allerdings kommt es auf ein paar Grad hin oder her nicht an.

Bild: Jahresertrag nach Ausrichtung von Solarmodulen Diese Grafik zeigt sehr schön die relative Änderung des Jahresertrages einer PV-Anlage mit zunehmender Winkel-Abweichung von Süden (Azimut) abhängig vom Neigungswinkel, wenn der optimale Neigungswinkel 35° beträgt. Sie wurde von bonotos erzeugt, basierend auf Daten von Prof. Konrad Mertens von der FH Münster.

Bei PV-Ertrags-Simulationen ist zu beachten, dass dabei üblicherweise der Jahres-Gesamtertrag betrachtet und optimiert wird. Dieser unterliegt der Annahme, dass man den zur jeweiligen Tageszeit (und Jahreszeit) erzeugten Strom auch voll nutzen kann, sei es durch Eigenverbrauch, Zwischenspeicherung (was allerdings auch Verluste bringt) oder vergütete Einspeisung (die aber leider selten attraktiv ist).
Wenn man — wie mit den meisten Stecker-Solaranlagen — den erzeugten Strom nur direkt im Haushalt verbrauchen kann und der Rest ins externe Netz geht, sollte man das Nutzungsprofil berücksichtigen, welches auch auch Lastprofil genannt wird.

Bild: Ertrags-Nutzungsanteil nach Ausrichtung von Solarmodulen Bei einem durchschnittlichen Haushalts-Tages-Nutzungsprofil zeigt sich, dass — im Vergleich zu den bekannten Einbußen beim Jahres-Gesamtertrag —

  • Abweichungen von der allgemein optimalen Südorientierung nur etwa halb so starke Einbußen bringen und
  • bei senkrechter Anbringung im Verhältnis zur optimalen Neigung die Einbuße etwa 15 Prozentpunkte geringer ausfällt.

Man hat also zur günstigen Ausrichtung seiner Solarmodule meist größere Flexibilität als allgemein angenommen.
Eine Aufteilung in zwei Orientierungen, z.B. nach Südosten und Südwesten, um zu versuchen, auf die Vormittags- und Nachmittagssonne zu optimieren, lohnt sich meist nicht, weil die Stahlungsintensität aus südlicher Richtung einfach viel höher ist. Trotzdem dafür sprechen kann ein Verbrauchsprofil, das stark auf die Morgen- und Abendstunden gespreizt ist. Dagegen spricht aber oft die Tendenz zu stärkerer Verschattung durch den flacheren Sonnenstand. Außerdem ist die geteilte Montage meist aufwendiger, und die beiden Richtungen verlangen zur Optimierung eine getrennte MPPT-Regelung. Bei einer Orientierung von z.B. 60° und -60° abweichend von Süden ist eine Neigung von ca. 30° optimal.
Wer aus irgendeinem Grund (meist wegen der Befestigung) eine möglichst flache Neigung wählt, sollte trotzdem mindestens 12° verwenden, um eine Selbstreinigung der Moduloberflächen durch Niederschlag zu ermöglichen.

Wenn man Solarmodule (z.B. auf dem Dach eines Wohnmobils) in waagerechter Lage anbringt, ist man zwar von der Orientierung (Himmelsrichtung) unabhängig, aber kommt nach meiner Erfahrung mit billigen flexiblen Modulen selbst mittags an sehr sonnigen Tagen kaum über die Hälfte der angegebenen Spitzenleistung hinaus.

Nutzungsmöglichkeiten

Solarmodule liefern in direkter Abhängigkeit von der Einstrahlungsstärke sehr variablen Gleichstrom (je nach Nennleistung maximal z.B. 10 A) mit einer Spannung je nach Modultyp von üblicherweise 22 bis 44 V. Dieser 'rohe' Strom ist direkt erst mal kaum verwendbar (außer z.B. zum Aufheizen eines Warmwasserspeichers).

Direkte Netzeinspeisung (Stecker-Solaranlage, “Balkonkraftwerk”)

Bild: Solaranlage am Balkon Bild: Aufbau Balkonkraftwerk

Typischerweise speisen Solaranlagen den erzeugten Strom nach Umwandlung durch einen netzgekoppelten Wechselrichter (Solarwechselrichter, engl. grid-tie inverter) direkt ins Hausnetz oder öffentliche Stromnetz ein, wo er sofort in irgendeiner Form verbraucht wird (bzw. der Rest verlorengeht).

Wichtig zu beachten ist, dass diese Nutzungsart abseits eines bestehenden Wechselstrom-Netzes und während eines Stromausfalls nicht funktioniert, weil sich der verwendete Wechselrichter mit dem Stromnetz synchronisieren muss.

Bild: Wieland-Unterputz-Dose Wie schon der Name Stecker-Solaranlage ausdrückt, werden solche kleinen Anlagen meist einfach über einen (Schuko-)Stecker mit dem Hausnetz verbunden, z.B. an einer Außensteckdose auf dem Balkon oder der Terrasse. Das ist sehr flexibel und ermöglicht, sehr einfach ein Energiemessgerät dazwischenzustecken, wie es unten zur [Verbrauchsmessung]{#Verbrauchsmessung} gezeigt ist. Diese Lösung ist m.E. schon sicher genug, weil der Wechselrichter die Stromzufuhr sofort unterbricht, wenn man den Stecker aus der Dose zieht und seine blanken Kontakte berühren kann.
Man kann, wie vom VDE empfohlen, aber auch eine spezielle Energiesteckdose verwenden. Diese wird auch Einspeisesteckdose genannt und ist üblicherweise von der Firma Wieland. Sie gilt als besonders sicher, ist aber auch recht teuer und muss von einem Elektriker installiert werden. Hier ein ausführlicher Vergleich. Eine weitere Möglichkeit ist, den Wechselrichter direkt fest mit dem Hausnetz zu verdrahten, was den Betrieb sogar noch sicherer macht.

Die auch Balkonkraftwerk genannten Anlagen haben meist eine recht geringe PV-Nennleistung von etwa 600 bis 800 Wp. Das hat neben der geringen Größe und sehr überschaubaren Kosten auch damit zu tun, dass sie selbst installiert werden dürfen und genehmigungsfrei (jedoch anmeldepflichtig) sind, wenn sie maximal 600 W in die Steckdose einspeisen. Dies gilt für Deutschland und die Schweiz; in Österreich gilt nach einer EU-Richtlinie eine Obergrenze von 800 W.

Beschränkung auf 600 W und ihre Gründe

Bild: Mögliche Überlastung einer Wohnungs-Stromleitung durch lokale
Solarstrom-Einspeisung Hintergrund dieser Beschränkung sind vornehmlich Sicherheitsbedenken: Falls über die Wohnungs-Stromleitung, an der die Einspeisung stattfindet, gleichzeitig sehr kräftig Strom verbraucht wird, kann es unter sehr ungünstigen Umständen passieren, dass auf Teilen der Leitung mehr Strom fließt als die Sicherung eigentlich erlauben würde, was dann zu einer mehr oder weniger starken Erwärmung der Leitung führen kann. Und zwar müsste bei einer 16 A-Sicherung mehr als 3500 W, aber weniger als 3500 W + die gerade eingespeiste Leistung (z.B. 1300 W) verbraucht werden, was allerdings insgesamt in der Praxis höchst unwahrscheinlich ist. Von der ESTI (Schweiz) wird aus diesem Grund die Leitungsüberlastung durch Stecker-Solaranlagen nicht normativ betrachtet.

Ein wichtigerer Grund für die Beschränkung sind mögliche Rückwirkungen massenhafter Einspeisung auf die Stabilität des allgemeinen Stromnetzes.
Wenn aber durch sog. Nulleinspeisung sichergestellt ist, dass kein überflüssiger Strom ins externe Netz fließt, können Steckdosen-Anlagen auch z.B. mit 1800 W Leistung normgerecht betrieben werden.

Kappungsverlust durch Beschränkung auf 600 W

Die nominelle Leistung der verwendeten Solarmodule kann und sollte aber durchaus größer sein (z.B. 800 - 1000 Wp), denn in der Praxis werden die 600 W Ausgangsleistung kaum erreicht, vor Allem in sonnenarmen Zeiten, zumal es Verluste nicht nur an den Modulen, sondern auch im Wechselrichter gibt. Man hat durch einen gewisse “Überdimensionierung” auch zu ungünstigen Tages- und Jahreszeiten entsprechend mehr Ausbeute (eigentlich sogar überproportional mehr, weil die Schwellspannung schneller erreicht wird), allerdings auf recht niedrigem absoluten Niveau. Wenn der Solar-Wechselrichter die Ausgangsleistung auf 600 W begrenzt, wird der Gesamtertrag durch diese Abregelung zwar verringert, aber der Effekt ist nicht so groß, wie man meinen könnte.

Bei einem Systemverlust (v.A durch den Wechselrichter) von 12% und optimal statisch ausgerichteten 1000 Wp Modulen, die z.B. im Raum München eigentlich zu einem Ertrag von etwa 1070 kWh pro Jahr führen würden, macht der Verlust durch Begrenzung auf 600 W Ausgangsleistung nur etwa 15 kWh aus. Das erklärt sich durch zwei Effekte:

  • Die Abregelung findet zwar während etwa 800 Sonnenstunden im Jahr statt, aber die Differenz auf den sonst möglichen Ertrag ist moderat: etwa 110 kWh.
  • Nur während (in Summe) ca. 120 Stunden wird während der Abregelung typischerweise so viel Strom verbraucht, dass sich die Kappung bemerkbar macht.

Hingegen bieten 1000 statt 600 Wp eine Leistungsreserve für schwächere Sonnenstunden, wodurch im Jahr der Netto-Ertrag (trotz Kappung) am Ausgang des Wechselrichters um etwa 315 kWh steigt, und der Eigenverbrauch um etwa 130 kWh. Die Amortisationszeit der Gesamt-Anlage bleibt ziemlich gleich, und auf lange Sicht ergibt sich eine entsprechend höhere Kostenersparnis als mit 600 Wp.

Stromzähler und Rücklaufsperre

Für den selbst erzeugten und gleichzeitig verbrauchten Strom spart man sich die Verbrauchskosten, weil der Stromzähler nur die Differenz berücksichtigt und entsprechend langsamer läuft. Es wird also nur der vom Stromanbieter bezogene Anteil des Verbrauchs berechnet.

Übrigens ist es normalerweise egal, auf welcher Drehstrom-Phase (L1, L2 oder L3) die Stecker-Solaranlage angeschlossen wird und auf welcher Phase die gleichzeitig verwendeten Verbraucher angeschlossen sind — die Stromzähler arbeiten phasensaldierend, d.h. sie bilden die Gesamtsumme von Verbrauch und Erzeugung, welche dabei negatives Vorzeichen hat.

Bild: Ferrariszähler Bild: Symbol für Rücklaufsperre im Stromzähler Von gewonnenen Strom fließt der Anteil, der nicht aktuell im Haushalt verbraucht (oder gespeichert) wird, automatisch ins allgemeine Stromnetz. Moderne Stromzähler haben eine Rücklaufsperre, was man an dem entsprechenden Symbol auf dem Gehäuse erkennen kann. Das führt dazu, dass der überflüssige Strom praktisch ins externe Netz verschenkt wird. Die klassischen Ferrariszähler mit mechanischer Drehscheibe laufen dagegen rückwärts, wenn mehr Strom erzeugt als verbraucht wird. Damit kann man 'unter der Hand Strom verkaufen', was aber nicht erlaubt ist.

Ein Zweirichtungszähler kann die Menge des eingespeisten Stroms unabhängig vom Verbrauch messen, was die Möglichkeit der Vergütung eröffnet. Eine offiziell angemeldete und vergütete Einspeisung ist mit einiger Bürokratie verbunden und bringt wenig — die Vergütung sank in Deutschland gemäß eEG bis 2022 auf ca. 6 ct/kWh und steigt ab 2023 auf etwa 8 ct/kWh, — immer noch sehr mager, besonders im Vergleich zum Verbrauchspreis.

Stromverbrauch im Haushalt

Eigentlich ist es im Vergleich zum Betrieb einer (möglicherweise recht groß dimensionierten) Solaranlage immer noch günstiger und umweltfreundlicher, von vornherein den Stromverbrauch zu senken. Stromfressende Geräte sollte man möglichst meiden und Geräte, die einen hohen Standby-Verbrauch haben, bei längerem Nichtgebrauch ausschalten. Man kann damit in einem 3-Personen-Haushalt auf unter 1500 kWh im Jahr kommen.

Je stromhungriger ein Haushalt tagsüber ist, desto größer der zu erwartende Einsparungseffekt durch eine Steckdosen-Anlage ohne Stromspeicher. Denn diese Nutzungsart lohnt sich also nur insoweit, wie man während der Sonnenscheindauer den erzeugten Strom direkt sinnvoll verbrauchen kann. Am einfachsten und am besten planbar geschieht das über die sog. Grundlast, also ständig und mehr oder weniger gleichmäßig laufende Verbraucher wie Kühlschränke, Internetanschluss, Computerserver und Geräte, die im Bereitschaftsmodus (engl. standby) sind. Darüber hinaus kann man gezielt diverse Haushaltsgeräte und Ladegeräte vorzugsweise dann betreiben, wenn hohe Sonneneinstrahlung vorhanden ist. Dazu bieten sich insbesondere Waschmaschinen und das Laden von Batterien an, wobei die Akkus von E-Bikes oder E-Rollern von der Größenordnung und ihrem zeitlichen Nutzungsprofil besonders geeignet sind.

Eine ziemlich clevere Nutzung von überschüssigem Strom finde ich die verstärkte Nutzung einer Wärmepumpe oder das zusätzliche Aufheizen des Warmwasserboilers über einen Heizstab, so dass man weniger fossile Brennstoffe verbraucht.

Verbrauchsmessung

Bild: Energiekosten-Messgerät in Steckdosenform Den Stromverbrauch von Elektrogeräten im Haushalt kann man recht einfach mit Energiekosten-Messgeräten in Steckdosenform bestimmen. Diese messen nicht nur den momentanen Stromverbrauch in Watt, sondern bei längerer Verwendung auch die über die Zeit verbrauchte Strommenge in kWh.

Die Grundlast eines Haushalts kann man über den Haushalts-Stromzähler noch einfacher bestimmen, indem man die Differenz der Zählerstände über einen Zeitraum von mehreren Stunden, zu dem sonst keine Verbraucher eingeschaltet sind (z.B. nachts), durch die Zahl der Stunden teilt.

Eine schöne Übersicht von Geräten zur Messung auch der eingespeisten Strommenge z.B. hier.

Ertragsberechnung

Wie eingangs geschrieben kann man bei optimaler Platzierung von Solarmodulen pro Jahr etwa 1,1 kWh Strommenge pro Wp installierter Solarleistung gewinnen. Rechnet man beispielsweise mit einer Investition von 1,10€/Wp (inklusive anteiliger Kosten für Wechselrichter, Installation etc.), ergeben sich Kosten von 1€/kWh erzeugtem Solarstrom pro Jahr.

  • Falls der damit erzeugte Strom komplett selbst verbraucht wird, was aber praktisch kaum der Fall ist, und man einen dadurch eingesparten Arbeitspreis von 40 ct/kWh ansetzt, ergibt sich eine Amortisation der Anschaffungskosten in nur 2,5 Jahren.
  • Eine typische Balkonanlage mit 600 Wp Nennleistung erreicht einen Jahres-Bruttoertrag von etwa 730 kWh, was bei 88% System-Wirkungsgrad ca. 640 kWh hinter dem Wechselrichter an der Steckdose bedeutet. Bei einem durchschnittlichen Haushalts-Tages-Nutzungsprofil und einem typischen Jahresverbrauch von 3000 kWh liegt der selbst genutzte Ertrag bei etwa 450 kWh. Bei einer Investition von 660€ und 40 Ct/kWh ergibt sich (ohne Berücksichtigung von Kapitalkosten u.ä.) eine Amortisationszeit von 3,7 Jahren.
    Bei 1500 kWh Jahresverbrauch können immerhin etwa 320 kWh selbst genutzt werden, was eine Amortisation in gut 5 Jahren ergibt.

Für die Amortisation des energetischen Aufwands zur Herstellung einer Mini-PV-Anlage muss man nach Angaben des DKE allerdings noch 2-3 Jahre länger rechnen. In die Gesamt-Ökobilanz einer PV-Anlage und ihrer Nutzung gehen natürlich noch weitere Effekte ein, die sich aber kaum quantifizieren lassen.

Monatsbasierte Berechnung von Ertrag und Amortisation

Bild: Ertragsrechnung Balkonanlage Beispielsweise mit dem PV-Rechner (der eigentlich für “große” PV-Anlagen auf Hausdächern konzipiert ist) kann man die Rechnung deutlich genauer machen. Er berücksichtigt u.A. die Ausrichtung der Solarmodule, die jährliche Abschreibung, Reparatur- und Kapitalkosten, den Anteil des während der Sonnenscheindauer im Haushalt nutzbaren Ertrages, sowie optional Effekte durch das Laden eines E-Fahrzeugs (was normalerweise öfter zu Sonnenscheinzeiten erfolgen kann), den Betrieb einer Wärmepumpe und die Nutzung eines Stromspeichers. Dabei werden die Energieflüsse der Einfachheit halber nur auf Monatsbasis gerechnet, so dass selbst tageszeitliche Effekte nur näherungsweise berücksichtigt werden können.

Bei der o.g. typischen Balkonanlage für 660€ mit 600 Wp und 660 kWh Jahresertrag ergibt sich mit dem PV-Rechner für einen Haushalt mit 3000 kWh Jahresverbrauch, der zu 28% während der Haupt-Sonnenscheinzeiten erfolgt, ein etwas zu optimistischer Solarstrom-Eigenverbrauch von etwa 530 kWh pro Jahr. Damit könnte man bei 40 Ct/kWh jährlich ca. 205€ Stromkosten einsparen, was eine Amortisationszeit von 3,2 Jahren und eine satte (Anfangs-)Rendite von 26% ergäbe.

Hinweis: Der PV-Rechner stammt von Falko (bonotos) Der originale beinhaltet auch seiner letzten Version 22-06 einen groben Fehler in der Rendite-Formel, der zu (fast) doppelt überhöhten Rendite-Zahlen führt. Ich habe mich mit Falko zu diesen und anderen Punkten ausgetauscht. Er möchte an dem Tool nichts mehr machen. So stelle ich hier eine verbesserte und etwas erweiterte Version zur Verfügung.

Speichersimulation

Bild: Speichersimulation InGe16 1.-6. April, 1000kWh, PV 660 kWh, 2,4 kWh
Speicher Eine genauere Simulation des Eigenverbrauchs für einen gegebenen PV-Nettoertrag, ohne oder mit Stromspeicher (mit Angabe von genutzter Kapazität und Wirkungsgrad), gibt es von brodsoft. Diese basiert auf realen Profildaten für PV-Erzeugung und Stromverbrauch, mit denen die Berechnung immerhin auf Stundenbasis erfolgt. Man kann sich in der Ausgabe auch für jeden Monat Grafiken ausgeben lassen, auf denen man sich sehr schön den Verlauf der elektrischen Größen ansehen kann. Außerdem gibt es gute Info-Seite mit guten Erklärungen zu Eigenverbrauchsanteil und Eigendeckungsanteil zu Strategien zu ihrer Optimierung. Diese Simulation berechnet für die o.g. 600 Wp Beispiel-Anlage je nach Auswahl des Profils einen Eigenverbrauch von teils 601 kWh (Profil “allgemein 13/14”) und mehr, aber typischerweise eher 514 kWh (Profil “InGe 16”) pro Jahr.

Simulation auf Minutenbasis

Eine eigene Simulation auf Minutenbasis basierend auf den PV-Profildaten für ein typisches meteorologisches Jahr von PVGIS und auf einem Mix der 74 minütlichen Haushaltsverbrauchs-Profile, die von der Forschungsgruppe Solarspeichersysteme HTW Berlin veröffentlicht wurden, kommt auf realistischere Ergebnisse. Mit einem Lastprofil-Skript können aus den genannten Rohdaten Lastprofil-Dateien wie diese synthetisiert werden. So eine Datei wird dann zusammen mit von PVGIS heruntergeladenen Solardaten wie diesen als Eingabe für ein Solarertrag-Skript verwendet. Weitere Parameter sind die Nennleistung und der Wirkungsgrad der Anlage sowie der Jahresverbrauch und optional eine Limitierung des PV-Eingangs durch den Wechselrichter.

Mit dieser Simulation ergibt sich bei der o.g. Beispiel-Anlage für den Raum München einen PV-Nettoertrag (nach Wechselrichter-Verlusten) von etwa 640 kWh und eine Eigennutzung von etwa 450 kWh. Damit kann man bei 40 Ct/kWh jährlich ca. 180€ Stromkosten einsparen, was eine Amortisationszeit von 3,7 Jahren ergibt.

Das Ergebnis fällt nicht ganz so günstig wie bei den anderen beiden Simulationen aus, v.A. weil hier die in der Praxis relativ häufigen Lastspitzen im Minutenbereich berücksichtigt werden, die von einer Mini-Solaranlage natürlich nicht abgefangen werden können, so dass der Eigenverbrauchsanteil geringer ist als bei einer über Stunden oder gar Monate gemittelten Betrachtung.

Stecker-Solaranlage mit Batteriepuffer

Bild: Balkonkraftwerk mit Speicher - Solaranlage Statt die Solarenergie direkt einzuspeisen, kann man sie auch über einen Solar-Laderegler in einer aufladbaren Batterie zwischenspeichern und von dort nach Bedarf zeitlich versetzt über einen netzgekoppelten Wechselrichter ins Hausnetz einspeisen. Diese Betriebsart wird auch Strompufferung oder Nachteinspeisung genannt. Sie maximiert den Nutzen der PV-Anlage für den eigenen Stromverbrauch, lohnt sich finanziell aber nur, wenn man die Batterie schon aus anderen Gründen hat, z.B. für eine Notstromversorgung oder als Fahrzeugbatterie. Außerdem ist es für die ökologische Gesamtbilanz eigentlich besser, den überschüssigen Strom an die Allgemeinheit (auch ohne Vergütung) abzugeben.

Zu berücksichtigen ist jedenfalls, dass die Zwischenspeicherung des Stroms Verluste von etwa 15 bis 20% mit sich bringt. Als Faustformel für die Dimensionierung empfiehlt die Verbraucherzentrale NRW etwa 1 kWh pro 1000 kWh Jahresstromverbrauch. Wer mit der Speicherbatterie zusätzlich eine Notstromversorgung über eine Inselanlage realisieren möchte, sollte die Kapazität allerdings größer wählen.

Für die Einspeisung aus der Batterie bietet sich ein regelbarer Netzwechselrichter an wie in diesem genialen Video von Dimitri. Wenn man aber schon einen Solar-Wechselrichter hat und diesen verwenden möchte, könnte es im einfachsten Fall genügen, ihn direkt mit der Batterie zu verbinden und über einen Schalter manuell zu steuern — allerdings nur, wenn die Batteriespannung (z.B. 24 V) höher ist als die minimale Eingangsspannung des Wechselrichters und dieser mit seiner vollen Leistung betrieben werden kann (z.B. mit einem auf 300 W begrenzten PV-Modul-Eingang).
Um die Stromstärke regelbar zu drosseln, kann man ein Labornetzteil verwenden, evtl. mit DC-DC-Wandler wie das Joy-IT DPM8624 aus dem Video von Andreas Schmitz oder einen günstigen Gleichspannungswandler mit regelbarer Strombegrenzung.

Wenn man zudem bereits eine Powerstation hat, kann man zwischen ihren Wechselstrom-Ausgang und den Netzwechselrichter ein regelbares Netzteil hängen, siehe sein Nachfolge-Video, was allerdings zu unnötigen Verlusten durch Hin- und Her-Wandlung des Stroms führt.

Vor Allem im Sinne der Stromkosten-Optimierung wäre es schön, wenn die Einspeisung der gespeicherten Energie automatisch so stark erfolgt, wie sie auch benötigt wird, aber das wäre eine regelungstechnische Herausforderung. Viel einfachster und für die meisten Anwendungsfälle ausreichend ist aber, die (gedrosselte) Ausgangsleistung des Wechselrichters und die Batteriekapazität so abzustimmen, dass lediglich ein Großteil der Grundlast des Haushalts, z.B. 50 bis 100 W, für eine Dauer von 1-2 Tagen abgedeckt wird. Das kann man bei Bedarf auch mit einer Zeitschaltuhr kombinieren.

Bild: Balkonkraftwerk mit Speicher - PV&E Auf jeden Fall muss für die Situation, dass die Batterieladung zur Neige geht (bei LiFePO4 spätestens bei 90% Entladung) eine automatische Abschaltung vorhanden sein, damit die Batterie nicht durch Tiefentladung geschädigt wird. Falls man für den Notfall stets eine gewisse Strommenge zur Verfügung halten möchte, sollte die Abschaltung schon entsprechend früher erfolgen.
Wenn der Solar-Laderegler einen Lastausgang mit einstellbarer Schutzabschaltung hat, wie z.B. beim Victron BlueSolar, kann man diesen so verwenden, wie in diesem schönen Video von PV&E gezeigt. Zudem kann dessen Straßenlichtfunktion für die zeitliche Steuerung genutzt werden.
Ansonsten kann man zur Regelung einen recht simplen programmierbaren Batteriespannungswächter verwenden, wie im Video von Dimitri vorgeführt. Er wird so eingestellt, dass bei es beim Erreichen einer Batteriespannung, die z.B. annähernd einer Vollladung entspricht, den Wechselrichter einschaltet und z.B. in der Nähe der Batterie-Entladeschlussspannung diesen wieder ausschaltet. Damit wird die über die sonnenreiche Tageszeit gesammelte Solarenergie auch über sonnenarme Zeiten (solange die Ladung reicht, typischerweise bis zum nächsten Vormittag) gleichmäßig abgegeben, mehr oder weniger ohne Strom nach extern zu verschenken.

Bild: Wasserspeicher als Analogie Hier als Analogie eine Skizze eines automatischen Wasserspeichers, der z.B. über die Dachrinne eines Hauses gespeist wird. Wenn er voll genug ist, läuft das Wasser über die rechte innere Begrenzung und lässt die Kugel aufschwimmen, die bis dahin den Auslass blockiert hat. Dann fließt das Wasser aus dem Speicher langsam und gleichmäßig nach unten aus. Wenn der Speicher fast leer ist, verschließt die Kugel den Auslass wieder. Der Speicher füllt sich (auch schon zwischendurch) bei Wasserzufuhr wieder auf. Zusätzlich ist der Speicher am Einlass mit einem Überlaufschutz ausgestattet, der die Wasserzufuhr stoppt, wenn der Speicher sehr voll ist und das Wasser durch den kleinen Auslass nicht schnell genug abfließt.

Inselanlage (mit Batteriespeicherung)

Bild: Aufbau Inselanlage Alternativ zur Einspeisung ins Hausnetz kann man den von den Solarmodulen gelieferten Strom auch in einer Batterie speichern und bei Bedarf darüber Geräte unabhängig vom Hausnetz mit Strom versorgen. Diese Betriebsart wird als Inselanlage (engl. off-grid) bezeichnet und ist für die Nutzung ohne externes Stromnetz (also z.B. bei Stromausfall, beim Campen mit dem Wohnmobil oder Wohnwagen, auf Booten und für abseits gelegene Häuser oder Hütten) die einzig mögliche. Als Notstromversorgung bei Stromausfall sind Batterien allerdings nur bedingt geeignet, weil sie bei einem längeren Stromausfall (engl. blackout) zu wenig Kapazität haben (es seid denn, es scheint dann genug Sonne zum Nachladen), aber bei kürzeren Stromausfällen (engl. brownout) können sie sehr hilfreich sein.

Neben der Speicherbatterie wird hier zumindest ein Solar-Laderegler benötigt, und sofern die Verbraucher nicht direkt mit der Batteriespannung (z.B. 12 V oder 24 V Gleichstrom) betrieben werden können, zusätzlich ein ausreichend leistungsstarker Inselwechselrichter zur Umwandlung in den üblichen 'Steckdosenstrom' (also Wechselstrom mit 230 V).
An diesen Wechselrichter muss man bei Stromausfall alle dann zu verwendenden Geräte (meist über eine Mehrfachsteckdose) anschließen. Man kann dann also nicht einfach ins stromlose Hausnetz einspeisen, weil dazu die von außen kommende Stromleitung umgeschaltet werden müsste, was nur ein Elektriker machen darf.

Ähnlich wie die zuvor genannte Variante ist diese Nutzungsart flexibler, aber wegen der nötigen zusätzlichen Komponenten (v.A. Batterie) auch deutlich teurer und auch etwas anfälliger und wartungsintensiver. Wirtschaftlich rentabel für die Nutzung zu Hause kann das bei den derzeitigen Preisen nur sein, wenn man eine geeignete Batterie schon aus anderen Gründen (z.B. für den mobilen Einsatz in einem Fahrzeug) hat und die zusätzliche Nutzungsart auch zeitlich alternativ dazu möglich ist.

Kombination aus Stecker-Solaranlage und Inselanlage

Wenn man Zugang zum Stromnetz hat und die für die betreffenden Varianten nötigen Funktionen gleichzeitig installiert sind, kann man zwischen Netz-, Puffer- und Inselbetrieb auch bedarfsweise wechseln. Dabei wird der Ausgang der Solarmodule zwischen dem netzgekoppelten Wechselrichter und dem Solar-Laderegler umgeschaltet (oder ohne Schalter einfach umgestöpselt) bzw. am Ausgang der Batterie zwischen Netz- und Insel-Wechselrichter umgeschaltet.

Generelle Hinweise für die Auswahl und Nutzung von Komponenten

Solarmodule

Solarmodule (engl. solar panels) werden intern aus vielen in Reihe geschalteten Solarzellen zusammengesetzt, die Sonnenlicht in Gleichstrom umwandeln.

Bild: Spannung und Strom abhängig von der Bestrahlungsstärke Bei den üblichen Silizium-Solarzellen steigt der entnehmbare Strom (Kurzschlussstrom) linear mit der Bestrahlungsstärke. Ihre Leerlaufspannung hingegen steigt schon bei geringer Helligkeit stark an und nähert sich dann nur noch langsam steigend dem Wert 0,63 V.

Generell sind monokristalline Zellen zu bevorzugen, auch wenn sie ein wenig teurer sind als polykristalline oder amorphe, weil sie einen höheren Wirkungsgrad haben.

Bild: Bypass-Dioden bei der Arbeit Leider bricht die Leistung von in Reihe geschalteten Zellen ein, sobald auch nur eine davon verschattet ist. Daher werden in den üblichen größeren Modulen sog. Bypass-Dioden eingesetzt, die bei Teilverschattung immerhin einen Teil der Leistung fließen lassen.

Bild: Starre Solarpanels Bild: Flexible Solarpanels Klassische Solarmodule haben einen Aluminiumrahmen und eine Größe von typischerweise ca. 1,7 m × 1 m × 3 cm, was eine Nennleistung von etwa 350 Wp ergibt, und eine Masse von ca. 20 kg. (Semi-)Flexible Module sind teurer als starre und weniger langlebig, dafür aber viel leichter und nur wenige Millimeter dick. Sie sind meist auch deutlich kleiner — typischerweise 1,2 m × 0,5 m bei einer Nennleistung von 100 Wp und einer Masse von 1 bis 2 kg. Hier ein Vergleich verschiedener Solarmodul-Typen in Hinblick auf die Verwendung für Wohnmobile.

Bild: starres Schindel-Solarmodul Bild:
flexibles Schindel-Solarmodul Technisch besonders interessant finde ich die überlappende Anordnung und direkte Verschaltung von Solarzellen ohne Stromschienen (engl. busbars) in Schindel-Modulen (engl. SSP = shingle solar panel). Dadurch steigt der Wirkungsgrad, weil die Fläche besser genutzt wird und bei Teilverschattung und Wärme die Verluste verringert werden. Allerdings ist diese Bauart selten zu finden und verhältnismäßig teuer, so dass sie nur dann sinnvoll ist, wenn man Platz sparen will/muss.

Solarmodule haben als Stromanschluss meist die praktischen MC4-Steckverbinder. Generell sollten die Solarkabel, also die Verbindungen der Module (untereinander und zum Solar-Regler), möglichst kurz sein, weil da relativ hohe Ströme fließen, was proportional zur Länge zu spürbaren Verlusten führt. Aus dem selben Grund sollte der Querschnitt nicht zu klein sein — mind. 4mm², bei längeren Kabeln und höheren Strömen mind. 6mm² (was allerdings teurer ist).

Solarmodule — aber bitte nur gleichartige — kann man wie Batteriezellen seriell und/oder parallel verbinden, um mehr Leistung zu erhalten, ohne für jedes Modul einen eigenen Regler (bzw. Regler-Eingang) verwenden zu müssen. Wenige große Solarmodule sind technisch und wirtschaftlich etwas günstiger als entsprechend viele kleine, besonders wenn man einen Regler pro Modul verwendet.

  • Bei Reihenschaltung (oft auch Serienschaltung genannt) hängt man die Module einfach hintereinander. Dabei addieren sich die Spannungen der einzelnen Module, wobei man unbedingt darauf achten muss, dass die maximale Eingangsspannung, die der genutzte Regler-Eingang verkraftet, nicht überschritten wird. Der wesentliche Vorteil gegenüber der Parallelschaltung ist, dass der Strom in den Kabeln und der damit verbundene Verlust nicht steigt. Ein Nachteil der Reihenschaltung ist, dass es dabei viel leichter zu Verlusten durch Teilverschattung kommt, weil die Gesamtleistung einbricht, sobald auch nur eines der Module verschattet wird. Man sollte aus diesem Grund nur Module in Reihe schalten, die die gleiche Ausrichtung haben und relativ gleich(zeitig) verschattet werden.

  • Bei Parallelschaltung addieren sich die Ströme der einzelnen Module. Dabei sollte der je nach Einstrahlung mögliche Maximalstrom unter dem Maximalstrom des genutzten Regler-Eingangs liegen, weil sonst Leistung verschenkt wird (aber der Regler wird dadurch nicht geschädigt — er nimmt nur so viel Strom, wie er kann). Der elektrische Verlust ist größer als bei Reihenschaltung, andererseits hat man weniger Verluste bei Teilverschattung. Für die parallele Verschaltung bieten sich Y-Kabel mit MC4-Anschlüssen an. Die Kabellänge auf parallelen Zweigen sollten ungefähr gleich sein.

Bild: Strom-Spannungs-Kennlinien abhängig von der Bestrahlungsstärke Zu beachten ist noch, dass die Regler-Eingangsspannung je nach Modell bis zu 5 V über der gewünschten Ausgangsspannung des Reglers (z.B. der Speicherbatterie) liegen muss, damit der Regler effektiv Strom liefern kann. Wenn man z.B. kleine Solarmodule mit 100 Wp und 22,6 V Leerlaufspannung hat, wird es ohne Reihenschaltung bei einer Ladeschlussspannung von ca. 14,5 V einer LiFePO4-Batterie bei wolkigem Wetter (mit vielleicht nur 100 - 200 W/m²) ziemlich eng.

Bild: Garten-Solaranlage an Hauswand Bild: Solaranlage auf Pergola

Zur Montage bzw. Aufständerung von Solarmodulen auf einem Hausdach oder an einem Balkon hier ein Überblick-Video. Hier ein Artikel mit speziellen Tipps zur Installation an einer Balkonbrüstung. Es gibt aber auch andere Möglichkeiten, wie z.B. auf einer Garage, einem Gartenhaus, einer Gartenfläche, an der Hauswand oder als Teil einer Pergola.

Solar-Regler und Wechselrichter

Bild: Strom-/Leistungs-Spannungskennlinien einer Solarzelle Für die Umwandlung des recht volatilen 'rohen' Solarstroms auf die gewünschte (nahezu) konstante Zielspannung benötigt man regelbare Gleichspannungswandler, kurz Regler genannt. Sehr einfache und billige Regler verwenden dazu Pulsweitenmodulation (PWM). Wesentlich besser sind aber Regler mit Leistungsoptimierung durch MPPT (Maximal-Leistungspunkt-Suche, engl. maximum power point tracking), weil sie auch unter stark schwankenden Bedingungen optimale Energieausbeute bringen.

Bild: Solar-Microinverter Für die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom (bei uns meist mit 230 V) benötigt man einen Wechselrichter (manchmal auch Spannungswandler genannt, engl. inverter). Bei jedem Wechselrichter sollte man darauf achten, dass er ordentlichen Wechselstrom liefert (sog. reine Sinuswelle, engl. pure sine wave) und einen hohen Wirkungsgrad (engl. efficiency) hat. Außerdem ist empfehlenswert, ihn mit etwas Leistungsreserve zu dimensionieren, weil seine Lebensdauer sonst leiden und er je nach Bauart unangenehm lautes Lüftergeräusch verbreiten kann. Der kritischste Punkt ist, das seine maximale Eingangsspannung nicht überschritten werden darf, weil er sonst zerstört wird.

Netzwechselrichter

Für die Einspeisung ins Stromnetz wird ein netzgekoppelter Wechselrichter verwendet. Dieser wird auch Netzwechselrichter, Einspeisewechselrichter oder fremd geführter Wechselrichter genannt, weil er sich automatisch an die Frequenz und Phase des anliegenden Wechselstroms anpasst und bei fehlendem Stromanschluss den Ausgang abschaltet — auch aus Sicherheitsgründen für den Fall, dass ein blanker Stecker berührt werden kann. Bei Stecker-Solaranlagen wird meist ein Solar-Mikrowechselrichter verwendet, der einen Spannungsregler mit einem Netzwechselrichter integriert. Im Zusammenhang von Solaranlagen wird meist vereinfacht nur von einem ‘Wechselrichter’ (WR) gesprochen. Zur Dimensionierung von Solar-Wechselrichtern gibt es z.B. hier und auf den Folgeseiten ausführliche Hinweise.

Im Gegensatz zu Solarkabeln (s.o.) können 230 V-Kabel zwischen Netzwechselrichter und Steckdose durchaus länger sein (z.B. 5 - 10 m). Allerdings kann es dort je nach Kabellänge und -Querschnitt bei größeren Strömen zu einem höheren Spannungsabfall kommen, der die Netzkoppelung des WR stört.

Gleichspannungswandler

Bild: Gleichspannungswandler mit regelbarer Strombegrenzung Für die Nutzung zur regelbaren Einspeisung aus einem Strompuffer ins Hausnetz braucht man eine einstellbaren Strombegrenzer, wie er in manchen Gleichspannungswandler (engl. DC-to-DC-converter) enthalten ist. Er sollte möglichst wenig Verluste haben. Wenn er einen Aufwärtswandler (engl. boost converter oder step-up converter) enthält, kann er zudem dazu benutzt werden, die Spannung der Pufferbatterie (z.B. 12 V) auf eine für den Eingang des Netzwechselrichters passende Spannung (z.B. mindestens 20 V) zu bringen.

Inselwechselrichter

Bild: Wechselrichter Inselwechselrichter, auch selbst geführte Wechselrichter genannt, werden vom Stromnetz unabhängig betrieben. Mit ihnen kann man die üblichen Haushaltsgeräte auch im Falle eines Stromausfalls mit einer Batterie versorgen, natürlich nur im Rahmen der Belastbarkeit und Kapazität der Batterie. Auch bei dieser Art von Wechselrichter ist darauf zu achten, dass er eine reine Sinusspannung liefert und sein Wirkungsgrad hoch ist. Hinzukommt, dass sein Leerlauf-/Ruhestromverbrauch (engl. standby power consumption) gering sein sollte, seine Dauerleistung groß genug für die daran betriebenen Geräte sein muss und dass seine Spitzenleistung auch deren Anlaufstrom abdecken muss. Die benötigte Anlaufleistung eines Kühl- oder Gefrierschrankes kann das Fünffache der Scheinleistung (angegeben in Volt × Ampere = VA, nicht nur Wirkleistung, angegeben in Watt) im laufenden Betrieb betragen. Da können schon mal 1000 VA zusammenkommen (wenn auch nur für 1-2 Sekunden).

Solar-Laderegler

Bild: Solar-Laderegler Wenn man über Solarmodule eine Batterie laden möchte, benötigt man einen Solar-Laderegler, der einen Spannungsregler mit einem Batterieladegerät verbindet. Mit billigen chinesischen (angeblich) MPPT-Reglern habe ich keine guten Erfahrungen gemacht, wohl aber mit den europäischen Marken Victron und Votronic.

Hybridgeräte: Solar-Laderegler mit Wechselrichter

Bild: Hybrides Solar-Ladegerät mit Wechselrichter Es gibt auch Kombigeräte, welche die Funktionen Solar-Laderegler, Batterie-Netzladegerät und Inselwechselrichter in sich vereinen. Damit können Elektrogeräte vorzugsweise direkt mit Solarstrom versorgt werden, wobei die überschüssige Energie in einer Batterie gespeichert wird. Bei unzureichender Stromversorgung aus den Solarmodulen ergänzt das Gerät die benötigte Energie automatisch aus der Batterie und schaltet bei leerer Batterie (oder je nach konfigurierter Präferenz auch schon bei fehlendem Solarstrom) auf eine externe Stromquelle (Stromnetz oder Generator) um, worüber auch die Batterie geladen wird. Solch ein Kombigerät ist in seiner Funktionsweise sehr praktisch, braucht weniger Platz, ist im Einkauf günstiger und zudem einfacher zu installieren und zu verwenden als entsprechende Einzelkomponenten. Es hat aber auch Nachteile wie geringe Flexibilität bei der Komponentenwahl und größere Wahrscheinlichkeit für einen Ausfall und dann höhere Kosten.

Offenbar gibt es auf dem Markt kein Gerät, das neben der Nutzungsart für eine Inselanlage (also netzunabhängige Stromversorgung) auch die einer Stecker-Solaranlage (also Netzeinspeisung des Solarstroms, idealerweise mit Nachteinspeisung aus der Batterie) ermöglicht.

Speicherbatterien

Bild: LiFePO4-Batterie mit 4 prismatischen Zellen Für die Stromspeicherung bieten sich heutzutage Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LiFePO4) an. Diese sind zwar erheblich teurer als Blei-Säure-Batterien (inkl. der AGM-Variante), wie man sie vom Auto kennt, aber sind nicht so groß und schwer, viel spannungsstabiler und vertragen ein Mehrfaches an Lade-/Entladezyklen. Im Vergleich zu Li-Ionen- und Li-Polymer-Akkus, welche eine noch höhere Energiedichte haben, sind sie recht robust und sicher.
Lithium-basierte Batterien benötigen für die Reihenschaltung der internen Akkuzellen ein sog. Batteriemanagementsystem (BMS), das für eine gleichmäßige Spannungsverteilung der Zellen sorgt.
Eine typische 100 Ah Autobatterie wiegt etwa 26 kg und kostet nur etwa 100€. Aus ihrer Nennkapazität von 12 V × 100 Ah = 1200 Wh sollte man aber höchstens 50% entnehmen, damit die Batterie nicht durch Tiefentladung Schaden nimmt, also maximal 600 Wh. Selbst dann hält ein Bleiakku meist weniger als 1000 Lade-/Entladezyklen.
Die Zahl der Lade-/Entladezyklen eines Lithium-Eisenphosphat-Akkus liegt angeblich bei etwa 5000. Eine 12,8 V 100 Ah LiFePO4-Batterie wiegt etwa 11 kg und kann zu 90% entladen werden, ohne dass sie Schaden nimmt, so dass sich eine effektive Kapazität von 1150 Wh ergibt. Unter Berücksichtigung der Speicherungsverluste und der Wandlungsverluste eines Wechselrichters lässt sich damit ein Gerät mit 1000 W Verbrauch (z.B. Staubsauger, Kaffeemaschine oder Fön) gut eine Stunde lang betreiben.

Batterie-Dimensionierung

Um den Wandlungsverlust von ca. 10% eines Wechselrichters zu vermeiden, sollte man bei einer Inselanlage die Verbraucher möglichst direkt an der Batterie anschließen, was z.B. bei LED-Lampen, Radios und USB-Ladebuchsen gut machbar ist — aber auch bei Laptops, wenn man für sie ein Netzteil mit 12 V (statt 230 V) Eingang verwendet. Bei mittlerer Last von 25 W ergeben sich mit einer voll geladenen 12,8 V 100 Ah LiFePO4-Batterie gut 50 Stunden Betriebszeit. Ein durchschnittlicher 3,6 V Smartphone-Akku mit 2500 mAh hat 9 Wh Kapazität. Wenn er jeweils zu 80% entladen ist, lässt er sich damit etwa 160 mal aufladen.
Zum Vergleich: Eine Powerbank mit nominell 20.000 mAh Kapazität hat (aufgrund oft stark überzogener Hersteller-Angaben und Verlusten bei der Wandlung von 3,6 V auf die 5 V eines USB-Anschlusses) effektiv eher die Hälfte dieser Kapazität. Ein durchschnittlicher Smartphone-Akku lässt sich über die Powerbank in der Praxis nur etwa 10 mal aufladen.

Der Preis einer Batterie pro kWh sinkt mit steigender Größe/Gesamtkapazität.

Bild: Spannung Wenn man die Wahl hat zwischen höherer Spannung (d.h. mehr Akkuzellen in Reihe) oder größere bzw. mehr Zellen parallel, dann besser die höhere Spannung nehmen. Also ist z.B. eine 24 V 100 Ah Batterie einer mit 12 V und 200 Ah vorzuziehen, aus folgenden Gründen:

  • Hohe Ströme belasten elektronische Bauteile besonders stark, bringen mehr Verluste und verlangen größere Kabelquerschnitte, die schnell unhandlich werden.

  • Ein Solar-Laderegler ist vor Allem durch seinen Ausgangsstrom begrenzt. So verkraftet ein Victron BlueSolar MPPT 100/30 eine PV-Leerspannung von max. 100 V (was die Reihenschaltung von mindestens 2 Solarmodulen erlaubt). Er liefert einen max. Ladestrom von 30 A, woraus sich bei Betrieb an einer 12 V Batterie eine maximale Leistung von 360 W ergibt, bzw. unter Berücksichtigung von PV-Verlusten eine sinnvolle maximale Leistung der Solarmodule von 440 Wp. Bei 24 V Batteriespannung ist hingegen die doppelte Leistung (880 Wp) möglich. Wenn man anders herum für die doppele PV-Leistung bei 12 V Batteriespannung bleiben will bzw. muss, braucht man einen Laderegler mit doppelter Strom-Belastbarkeit, und der kostet ca. 50 bis 80% mehr.

  • Vermutlich arbeiten Wechselrichter mit 24 V Eingangsspannung etwas effizienter als solche mit 12 V, zumal Strom und Spannungsspreizung geringer sind.

Man kann auch mehrere Batterien in Reihe (also hintereinander) schalten, um z.B. auf 2 * 12 V = 24 V zu kommen, muss dann aber für eine dauerhafte Balancierung (gleichmäßige Spannungslage) der Einzelbatterien sorgen, wie es auch das BMS innerhalb einer Batterie für die Einzelzellen tut. Dafür gibt es spezielle Batterie-Balancierer (engl. balancer oder equalizer), wie im Video von Dimitri schön vorgeführt.

Tiefsetzsteller

Bild: Tiefsetzsteller Ein Problem bei einer Batteriespannung von 24 V (oder 48 V) ist, dass Niederspannungs-Geräte typischerweise eher mit 12 V zu betreiben sind. Aber dafür gibt es für Geräte mit mäßigem Verbrauch (bis etwa 5 A, also 60 W) eine recht effiziente und kostengünstige Lösung, nämlich sog. Tiefsetzsteller (auch Abwärtswandler, engl. DC-DC buck converter oder _step-down converter).

Spannungswächter

Bild: Programmierbarer Batteriespannungswächter Für die Nutzung als automatischen Strompuffer zur zeitversetzten Einspeisung ins Hausnetz braucht man einen Spannungswächter, der die Einspeisung bei nahezu voller Batterie einschaltet und bei nahezu leerer Batterie wieder ausschaltet. Dazu gibt es einfache fertige Module, die man nur noch geeignet anschließen und einstellen muss.

Beispiel-Konfigurationen

Mobile Inselanlage

Für unser Wohnmobil verwende ich seit Sommer 2019 folgende relativ günstige Komponenten zu meiner vollen Zufriedenheit:

  • 2 × 100 Wp flexible Solarpanels Dokio DFSP-100M, ca. 180€
    Diese habe ich einfach auf das Blechdach unseres Wohnmobils geklebt. Etwas lästig war die Kabelführung ins Innere.

  • 15 A Solar-Laderegler Victron BlueSolar MPPT 75/15, ca. 90€
    Dieser Regler unterstützt Batterien mit 12 oder 24 V und Ladeströme bis 15 A (wobei für die o.g. Solarzellen bei Dachmontage in der Praxis auch 10 A genügt hätten).
    Sehr praktisch finde ich bei den BlueSolar-Modellen die Status-Abfrage auf dem Smartphone.
    Leider unterbinden die Victron-Regler ohne Zusatzgerät nicht das Laden bei unter 0°C, was bei LiFePO4-Akkus zu Schäden führen kann, wenn man sie im Winter nicht abklemmt.

  • 12,8 V 100 Ah 4S1P LiFePO4-Batterie inkl. 100 A BMS Delong DL-12100, inkl. DDP-Versand direkt aus China ca. 400€
    In Deutschland werden solche Batterien hingegen für ungefähr 1000€ verkauft. Siehe auch meinen myDealz-Beitrag dazu mit interessanter Diskussion.

  • 2000 Wp Wechselrichter, ebenfalls direkt aus China, ca. 70€

Stecker-Solaranlage

Für eine sehr einfache, aber effiziente Anlage zur Netzeinspeisung finde ich folgende Komponenten besonders interessant:

Kombi-Anlage

Als Balkonanlage mit wahlweise direkter oder gepufferter Netzeinspeisung, aber auch für eine Notstromversorgung daheim und für einen längeren autarken Aufenthalt mit dem Wohnmobil habe ich seit Sommer 2022 folgende Komponenten: