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Nutzungsvarianten

Solarmodule liefern in direkter Abhängigkeit von der Einstrahlungsstärke sehr variablen Gleichstrom (je nach Nennleistung maximal z.B. 11 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 mit einem PV-Heizstab – siehe dazu den Abschnitt Stromverbrauch.

Normalerweise wird der PV-Strom daher in Wechselstrom umgewandelt und direkt ins Hausnetz eingespeist, was das Thema des folgenden Abschnitts ist.

Man kann gerade nicht benötigten PV-Strom auch in einer Batterie zwischenspeichern, was ein anderer Abschnitt behandelt, der auch erklärt, dass sich das kaum lohnt.

Direkte Netzeinspeisung (Steckersolargerät SSG, „Balkonkraftwerk“)

Bild: Solaranlage am Balkon Bild: Aufbau Balkonkraftwerk

Typischerweise speisen PV-Anlagen, Balkonkraftwerke u.ä. den erzeugten Strom nach Umwandlung durch einen netzgekoppelten Wechselrichter (Netzwechselrichter, 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.

Hier geht es um Steckersolargeräte (SSG) — das sind kleine Photovoltaikanlagen (mit typischerweise zwei PV-Modulen), die über einen Mikrowechselrichter und eine Steckdose einfach mit dem Hausnetz verbunden werden, z.B. an einer Außensteckdose auf dem Balkon oder der Terrasse. Sie werden auch z.B. Stecker-PV-Anlage, Steckersolaranlage, oder Balkonkraftwerk (BKW) genannt. Im § 3 Nr. 43 EEG-E (Erneuerbare-Energien-Gesetz) werden sie wie folgt definiert:

Steckersolargerät ein Gerät, das aus einer Solaranlage oder aus mehreren Solaranlagen, einem Wechselrichter, einer Anschlussleitung und einem Stecker zur Verbindung mit dem Endstromkreis eines Letztverbrauchers besteht.

Rechtlich bedeutsam ist die Einstufung durch den VDE als Gerät, denn im Gegensatz zu elektrischen Anlagen dürfen elektrische Geräte auch von Laien in Betrieb genommen werden.

Meist werden Steckersolargeräte über einen normalen Schukostecker angeschlossen. Das ist sehr einfach und flexibel. Es ermöglicht auch, ganz simpel und günstig ein Energiemessgerät für die erzeugte Strommenge dazwischenzustecken, wie es unten zur Strommessung dargestellt ist. Der im Abschnitt über Netzwechselrichter beschriebene NA-Schutz macht diese Lösung sicher genug, weil der Wechselrichter die Stromzufuhr sofort unterbricht, wenn man den Stecker aus der Dose zieht und seine blanken Kontakte berühren kann. Anfang 2023 sprach sich der VDE dafür aus, „den Schuko-Stecker für die Einspeisung […] zu dulden“, und das BMWK will „Schukostecker als Energiesteckvorrichtung ebenfalls zulassen“, was vsl. im Laufe des Jahres 2024 offiziell geregelt wird.

Bild: Wieland-Unterputz-Dose Man kann aber auch, wie vom VDE bislang empfohlen, eine spezielle Energiesteckdose verwenden. Diese wird auch Einspeisesteckdose genannt und ist meist 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 oft 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 sind, wenn sie maximal 600 W in die Steckdose einspeisen. Dies gilt bislang für Deutschland und die Schweiz; in Österreich gilt nach einer allgemeineren EU-Regel für die vereinfachte Nutzung eine Obergrenze von 800 W. Seit Anfang 2023 empfiehlt selbst der VDE, sich in Abweichung zur bislang geltenden technischen Norm VDE-AR-N 4105 künftig auch in Deutschland an der „Bagatellgrenze bis 800 W“ zu orientieren.
Anfang März 2023 startete eine Petition für die schnelle Umsetzung des VDE-Positionspapiers, und auch die PV-Strategie 2023 des dt. BMWK will „die Grenze auf 800 VA Wechselstromleistung zu erhöhen“.
Die Erhöhung der Obergrenze in Deutschland, wobei der VDE federführend ist, wird sich noch hinziehen, nach Informationen der DGS noch bis mindestens Sommer 2024, wahrscheinlich eher Herbst 2024.

In Deutschland sind PV-Anlagen anmeldepflichtig, wenn sie ins externe Netz einspeisen können. Für Steckersolargeräte ist der Aufwand der Online-Registrierung im Marktstammdatenregister (MaStR) der Bundesnetzagentur gering. Eigentlich sollte ab Anfang 2024 die ihre zusätzliche Anmeldung beim Netzbetreiber entfallen, aber das hat sich erst einmal verzögert.

Nach einem Artikel im pv magazine von 2022 wurde geschätzt, dass nur 10 bis 20% der Steckersolargeräte tatsächlich beim Netzbetreiber angemeldet wurden. Eine dort genannte Umfrage hat auch ergeben, dass etwa 77% der Anlagen mit einem Schuko-Stecker angeschlossen wurden. Bei etwa 1/3 der Anlagen befinden sich die PV-Module auf oder an einem Balkon; bei etwa der Hälfte werden die Module z.B. auf einem Flachdach oder im Garten aufgeständert.

Hintergrund der Beschränkung auf 600 bzw. 800 W

Gründe für die Leistungsbegrenzung bei der Einspeisung von PV-Strom sind nicht nur Sicherheitsbedenken bzgl. der Stromleitungen im Haushalt. Weitere technische und wirtschaftliche Gründe sind mögliche und nicht immer gut kalkulierbare Rückwirkungen auf das allgemeine Stromnetz.

Bei massenhafter Einspeisung von Solarstrom und kräftigem Sonnenschein kann der Strom im Verteilnetz z.B. durch ziehende Wolken sehr stark schwanken, was seine Stabilität beeinträchtigen könnte.
Außerdem kann es passieren, dass der Netzbetreiber bei großen Schwankungen teils besonders teuren Strom nachkaufen muss bzw. für überschüssigen Strom einen sehr geringen oder gar negativen Preis bekommt, sprich „Strafe zahlen“ muss.
Auch könnten sich Freileitungen, durch die ungewöhnlich viel Strom fließt, stärker als üblich ausdehnen und eventuell gefährlich durchhängen.

Wenn jedoch durch sog. Nulleinspeisung sichergestellt ist, dass kein lokal erzeugter Strom ins externe Netz fließt, können PV-Anlagen auch z.B. mit 1800 W Leistung aus Sicht der Netzbetreiber problemlos und normgerecht betrieben werden.
Für die Nulleinspeisung gibt es inzwischen eine spezielle Lösung zu kaufen, nämlich den indielux ready2plugin Stromwächter, der allerdings etwa 400€ kostet. Er wird auch Einspeisewächter genannt, weil er für Steckersolargeräte eine Nulleinspeisung realisiert und damit nebenbei dafür sorgt, dass nicht mehr als 600 bzw. 800 VA eingespeist werden. Der Stromwächter ist inzwischen mit vielen steuerbaren Wechselrichtern kompatibel und setzt eine per RS485 mit Modbus oder WLAN angebundene Messung des aktuellen Netz-Strombezugs z.B. mit einem Shelly 3EM voraus.
Wesentlich günstiger wäre ein Eigenbau mit OpenDTU-OnBattery, das eine Nulleinspeisung auch ohne Batterie realisieren kann.
Allerdings ist eine Nulleinspeisung für reinen PV-Strom (also ohne Batterie) energetisch sehr ungeschickt.

Man kann durchaus annehmen, dass Beschränkungen auch dadurch motiviert sind, dass die Energieversorgungsunternehmen möglichst wenig Konkurrenz haben wollen.

Eine Rolle spielt jedenfalls auch die Versicherungswirtschaft, die sich Schadensfälle so weit irgend möglich vom Hals halten will.

Die sog. Bagatellgrenze bei 600 bzw. 800 Watt dient in erster Linie der erleichterten Anmeldung von Steckersolargeräten. Die Beschränkung leistet aber auch einen aus Sicht des VDE wichtigen Beitrag zum Schutz der Stromleitungen im Haus in folgendem sehr selten auftretenden Fall:
Wenn über die Wohnungs-Stromleitung, an der die Einspeisung stattfindet, gleichzeitig sehr kräftig Strom verbraucht wird, kann es unter ungünstigen Umständen passieren, dass über längere Zeit auf Teilen der Leitung mehr Strom fließt als die Sicherung eigentlich erlauben würde, was dann zu einer mehr oder weniger übermäßigen Erwärmung der Leitung führt.
Wenn L der momentane Gesamt-Verbrauch auf der Leitung ist und P die momentane Erzeugung auf derselben Leitung, kommt bei der Sicherung die Leistung L - P an. Wenn die Sicherung auf 16 A ausgelegt ist und die dort ankommende Leistung vom Betrag her, also |L - P|, kleiner als 3680 W (= 230 V × 16 A) ist, löst die Sicherung nicht aus. (Ein 16 A Leitungsschutzschalter wird genau genommen sogar erst dann auslösen, wenn über ihn dauerhaft mindestens 18 A fließen oder länger als eine Stunde mehr als ca. 23 A. Daher will der VDE Stand März 2024 die PV-Leistung von SSGs auf 960 Wp beschränken.) Wen L oder P größer als 3680 W ist, fließen auf einem Teilabschnitt der Leitung mehr als 16 A Strom.
Das kann beispielsweise passieren, wenn gerade die Erzeugung 6 A Strom liefert und der Stromverbrauch zwischen 16 A und 22 A liegt.
Das ist allerdings insgesamt in der Praxis höchst unwahrscheinlich, denn fast niemand betreibt an derselben Leitung gleichzeitig Geräte, die in Summe einen Verbrauch L von über 3680 W haben, und dass z.B. durch einen Kurzschluss extrem viel Strom fließt, ist möglich, aber kommt selten vor. Und selbst wenn das der Fall ist und die Balkonanlage währenddessen für eine gewisse Zeit weniger Leistung als L - 3680 W (bzw. bei einem 16 A Leitungsschutzschalter erhöht um Faktor 1,13 bzw. 1,45) liefert, löst die Sicherung wie üblich aus und die Überlast ist beendet.

Von der ESTI (Schweiz) wird aus diesem Grund die Leitungsüberlastung durch Steckersolargeräte nicht normativ betrachtet. In Irland macht man sich da auch keine Sorgen und erlaubt sogar 6 kW für einphasige bzw. 11 kW für dreiphasige Einspeisung zu einfachen Anschluss- und Abrechnungsregeln.
In Deutschland schreibt VDE V 0100-551-1 vor, dass die Strombelastbarkeit des Leiters größer sein muss als der Nennstrom der Sicherung und der Ausgangsstrom des Netzwechselrichters zusammen. Dann ist man auf jeden Fall auf der sicheren Seite, aber von dieser Regel hat man als Nichtelektriker wenig, weil man die Belastbarkeit der Leitung kaum wissen wird und man auch nicht einfach den Sicherungsautomaten wechseln kann.

Was relativ einfach zu machen ist, um das das Risiko einer eventuellen Leitungsüberlastung zu verringern, ist die Sicherung bzw. den Schutzschalter von 16 A auf z.B. 10 oder 13 A zu reduzieren.
Eine (allerdings relativ aufwendige) Möglichkeit, das potentielle Überlastungsproblem ganz auszuschalten, wäre für die kleine PV-Anlage eine Extra-Leitung zum Unterverteiler zu legen, auf der sicher keine (starken) Verbraucher angeschlossen werden.

Kappungsverlust durch Drosselung auf 600 bzw. 800 W

Die Nennleistung der verwendeten Solarmodule kann und sollte in Summe durchaus größer sein als die maximale Ausgangsleistung des Wechselrichters — also bei einem 600 W Wechselrichter statt 600 Wp eher 800 bis 1000 Wp. Denn in der Praxis wird auch mit solchen Modul-Nennleistungen eine Wechselrichter-Ausgangsleistung von 600 W ohnehin kaum erreicht, und wenn, dann auch nicht oft, besonders nicht in sonnenarmen Zeiten. Der Unterschied beim nutzbaren Jahres-Gesamtertrag ohne/mit Drosselung des Wechselrichters auf 600 W ist sehr gering: etwa 10 kWh, also knapp 3€ im Jahr.

Diese Erkenntnis ist schon recht alt und wurde wohl erst für größere Anlagen diskutiert, aber wird auch immer wieder für kleine Anlagen neu entdeckt.
Nochmal geringer ist der Unterschied beim Eigenverbrauch für ein Steckersolargerät, wie die u.g. Ergebnisse genauer Simulationen zeigen.

Man hat durch eine gewisse Überdimensionierung der PV-Module (auch Überbelegung oder Unterdimensionierung des Wechselrichters genannt, engl. overpaneling) auch zu ungünstigen Tages- und Jahreszeiten entsprechend mehr Ausbeute (eigentlich sogar überproportional mehr, weil die Anlaufspannung der Regelung schneller erreicht wird), allerdings auf eher niedrigem absoluten Niveau.

Die Drosselung der Wechselrichter wird aus energetischen Gründen durch eine Leistungsbegrenzung bereits auf Eingangsseite umgesetzt. Leider verwenden einige Modelle (zumindest die von Bosswerk/revolt/Deye G2 und G3, aber nicht die von Hoymiles), wie man in Diagrammen sehen kann, dabei direkt den Ziel-Grenzwert, statt zu berücksichtigen, dass aufgrund des Wirkungsgrades auf der Ausgangsseite 5-10% weniger ankommen — pro genutztem Eingang sind es z.B. beim Deye Sun 600 maximal etwa 270 W. So können bei real 90% Wirkungsgrad höchstens 540 W geliefert werden. Obwohl der Netto-Ertrag durch diese ungeschickte Form der Abregelung also oft sogar unnötig stark verringert wird, ist der Effekt auf den nutzbaren Ertrag längst nicht so groß wie man meinen könnte.

Nehmen wir beispielsweise eine PV-Anlage mit 1000 Wp, die je nach Standort und Ausrichtung zu einem Ertrag von 1272 kWh brutto pro Jahr führen kann, also bei einem PV-System-Wirkungsgrad von 92% und einem typischen Wechselrichter-Wirkungsgrad von 94% etwa 1100 kWh Netto-Ertrag. Bei 3000 kWh Jahresverbrauch mit einem durchschnittlichen Lastprofil macht der effektive Verlust durch Drosselung auf 600 W Eingangsleistung des Wechselrichters (also 564 W Ausgangsleistung bei den 94% Wirkungsgrad) nur ungefähr 10 kWh aus. Dies erklärt sich durch zwei Effekte:

Die Abregelung findet zwar während etwa 650 Sonnenstunden im Jahr statt, aber die Differenz auf den sonst möglichen Netto-Ertrag ist moderat: etwa 80 kWh. Dieser Verlust ist schon nicht groß, und er wird durch Folgendes nochmal deutlich kleiner:
Nur während in Summe etwa 90 Stunden wird zeitgleich zu dieser Abregelung bei einem durchschnittlichen Lastprofil überhaupt so viel Strom verbraucht, dass sich die Drosselung beim Eigenverbrauch bemerkbar macht. Und die Menge dieses Verbrauchs, bei dem also mehr als 528 W Leistung beansprucht werden, ist ziemlich gering, so dass der Verlust effektiv nur 10 kWh ausmacht.

Selbst wenn man es schafft, die Last innerhalb des Tages so zu verschieben, dass täglich zwischen 8 und 16 Uhr doppelt so viel verbraucht wird wie normal und morgens und abends entsprechend weniger, ist der effektive Kappungsverlust im Jahr immer noch nur 20 kWh (während in Summe effektiv 190 Stunden).
Und wenn man täglich zwischen 8 und 16 Uhr keine Lastspitzen hat, die über die Kappungsgrenze gehen (sondern z.B. nur eine konstante Grundlast von 100 W), dann verschwindet der effektive Kappungsverlust natürlich völlig.

Bei Abweichung von der optimalen Südausrichtung verschwinden, zumindest wenn Module mit unterschiedlicher Ausrichtung parallel geschaltet werden (also für sie nur ein gemeinsamer MPPT-Eingang verwendet wird), die ohnehin äußerst geringen Eigenverbrauchs-Einbußen durch Kappung von z.B. 1000 Wp auf 600 W zusehends und sind bei Ost-West-Aufteilung (Azimut +/-90°) gar nicht mehr vorhanden.

Aus den genannten Gründen lohnt es sich (jedenfalls bei PV-Nennleistungen bis um die 1000 Wp) nicht, statt eines auf 600 W gedrosselten Wechselrichters einen teureren mit 800 W Maximalleistung zu nehmen oder darauf zu warten, bis diese in Deutschland offiziell unter die Bagatellgrenze fallen.

Hingegen bieten 800 bis 1000 Wp statt 600 Wp PV-Nennleistung bei relativ geringen Zusatzkosten eine sinnvolle Reserve für schwächere Sonnenstunden, wodurch der Netto-Ertrag trotz Kappung etwa 200 bis 350 kWh höher liegt, und der Eigenverbrauch immerhin 80 bis 140 kWh höher im Jahr. Die Amortisationszeit der Gesamt-Anlage bleibt dabei ziemlich gleich, und auf lange Sicht ergibt sich eine entsprechend höhere Kostenersparnis als mit 600 Wp.

Wenn PV-Module in zwei Ausrichtungen aufgeteilt sind, sollten jeweils Module mit unterschiedlicher Ausrichtung (z.B. Südost und Südwest) parallel geschaltet werden, weil sich dann sowohl die Last für den Wechselrichter als auch der Nutzen für den Haushalt besser über den Tagesverlauf verteilen. Dies ist besonders ratsam, wenn der Wechselrichter stark gedrosselt wird, weil der Limit-Wert leider meist einfach gleichmäßig auf die Eingänge aufgeteilt wird und somit erhebliche unnötige Verluste entstehen können. Etwa ist es bei 4 PV-Modulen mit je 400 Wp nicht sehr sinnvoll, einen Wechselrichter mit z.B. 1600 W Leistung und 4 MPPT zu verwenden, besonders wenn man diesen auf 600 bzw. 800 W Ausgangsleistung drosselt. Denn dann sind durch die gleichmäßige Aufteilung der Drosselung auf alle MPPT-Eingänge nur noch 150 bzw. 200 W je Eingang möglich.
Stattdessen kann man auch einen günstigeren 600 bzw. 800 W Wechselrichter nutzen und an jedem seiner zwei Eingänge dabei jeweils zwei Module parallel anschließen. Dass die Eingänge dabei dann teilweise an die Grenze ihres Eingangsstroms kommen, ist typischerweise unproblematisch. Wer das trotzdem vermeiden will, kann auch z.B. einen HM-1500 verwenden, der nur 2 MPPT hat.

Anders sieht es bei den seit Frühjahr 2024 verfügbaren Deye G4 Wechselrichtern aus, denn bei diesen wird die Höhe der Limitierung wirklich auf die Ausgangsleistung bezogen und nicht dumm gleichmäßig auf alle MPPT-Eingänge verteilt.