Samstag, 10. Februar 2018

Wieviel darfs denn werden? Oder: Wenn Physiker eine Photovoltaik-Anlage planen

Nachdem wir im letzten Post erklärt haben, wie wir uns für eine ausschließlich nach Süden ausgerichtete Anlage entschieden haben, möchten wir heute überlegen wie groß die Anlage denn nun eigentlich überhaupt sein muss.


Wir gehen von einem jährlichen Stromverbrauch für unseren Haushalt von ca. 4000 kWh aus, dazu werden nochmal etwa 4000 kWh für den Betrieb der Wärmepumpe kommen - insgesamt also etwa 8000 kWh. Dieser Gesamtstromverbrauch fällt im Laufe eines Jahres an. Doch zu welchem Zeitpunkt wird nun genau wieviel Strom verbraucht? Dafür gibt es sogenannte Standardlastprofile, die den typischen Verlauf des Stromverbrauchs darstellen. Energieversorgungsunternehmen verwenden diese Profile, um den Verlauf ihrer Netzauslastung abzuschätzen. Dabei wird zwischen Werktag und Wochenende, sowie Sommer und Winter unterschieden. Das Standardlastprofil H0 ist eine Beschreibung des Stromverbrauchs von Haushalten (es gibt noch eine ganze Menge an anderen Verbrauchsprofilen, die sind für uns aber nicht relevant). Die aktuellen Lastprofile wurden vor ca. 20 Jahren erstellt, und weisen durch die Veränderungen des Tagesablaufes in unserer Geschellschaft zum Teil mittlerweile deutliche Abweichungen zum tatsächlichen Verbrauch auf, für unsere Abschätzung sollten die Daten aber reichen.


Standardlastprofil H0
Quelle: Wikipedia

Die 8000 kWh Jahresstromverbrauch haben wir entsprechend dem Standardlastprofil aufgeteilt und erhalten damit eine Darstellung, zu welcher Tageszeit welche Leistung benötigt wird.






Mit diesen Verbrauchskurven haben wir dann die Ertragskurve einer PV-Anlage überlagert, wieder basierend auf den Bestrahlungsstärke-Daten von PVGIS. In den Diagrammen ist eine Anlage mit einer Spitzenleistung von 5kW dargestellt. Man erkennt deutlich, dass im Sommer tagsüber mehr Strom als benötigt produziert wird, während im Winter der Bedarf nicht gedeckt ist.




Wo also soll man die goldene Mitte finden? Ist es zielführend, eine Anlage so zu dimensionieren dass im Winter zumindest tagsüber der Strombedarf gedeckt ist? Aus unserer Abschätzung würde das eine Anlage mit 8-10kWp bedeuten. Wohin dann aber mit dem Überschussstrom im Sommer? Und: rechnet sich diese Investition überhaupt jemals?

Glücklicherweise haben sich über dieses Thema schon viele vor uns Gedanken gemacht, und bei der Recherche sind wir auf zwei sinnvolle Kenngrößen zu diesem Thema gestoßen. Einerseits ist das die Eigenverbrauchsquote, die angibt wieviel des erzeugten Stroms selbst verbraucht wird. Andererseits liefert der Autarkiegrad eine Aussage darüber, wieviel des benötigten Stroms selbst produziert warden kann (und zwar zu dem Zeitpunkt an dem er benötigt wird).
Diese beiden Größen verhalten sich bei Variation der Anlagengröße jeweils gegensätzlich - je größer eine Anlage dimensioniert wird, umso höher wird der Autarkiegrad. Die Eigenverbrauchsquote reduziert sich jedoch.

In den folgenden Diagrammen ist illustriert, welche Anteile des benötigten Stroms selbst produziert werden können, wieviel zugekauft werden muss und welcher Anteil ins Netz geliefert werden kann. Gegenübergestellt ist hier der Bedarf an einem Werktag in der jeweiligen Jahreszeit mit der Produktion einer 5kWp-Anlage.




Für ins Netz gelieferten Strom erhält man vom Energielieferanten etwa 25% des Preises zu dem man als Verbraucher selbst den Strom bezieht. Aus diesem Grund haben wir uns dafür entschieden, unsere Anlage so zu dimensionieren, dass der Eigenverbrauch im Vordergrund steht. Dadurch ist der Autarkiegrad natürlich deutlich reduziert. In den folgenden Tabellen sind die erzielbaren Kenngrößen bei unterschiedlich dimensionierten Anlagen bei unterschiedlichen Jahresstromverbräuchen dargestellt.


Eigenverbrauchsquote
4 kWp5 kWp6 kWP
Autarkiegrad
4 kWp5 kWp6 kWp
7000 kWh/a
74% 64% 55%
7000 kWh/a
40% 43% 45%
8000 kWh/a
81% 70% 61%
8000 kWh/a
38% 41% 44%
9000 kWh/a
87% 76% 67%
9000 kWh/a
36% 39% 42%

Wir werden voraussichtlich eine Anlage in der Größenordnung von etwa 5 kWp installieren, da dies bei unserem erwarteten Jahresstromverbrauch einen in unseren Augen sinnvollen Kompromiss zwischen Autarkie und Eigenverbrauch darstellt.

Um Autarkie und Eigenverbrauch gleichermaßen zu erhöhen, muss das Verbrauchsprofil der Ertragskurve der Photovoltaikanlage angenähert werden, d.h. Stromverbrauch in die Tageszeiten verschoben werden, in denen Solarstrom zur Verfügung steht. Möglich ist dies beispielsweise durch intelligente Steuerung von Warmwasserbereitung, Waschmaschine, Geschirrspüler, usw.

Eine weitere Möglichkeit beide Kennzahlen gleichzeitig zu verbessern ist die Installation eines Stromspeichers. Hier tut sich momentan sehr viel am Markt (Tesla Power Wall, Fronius Solar Battery, Kreissl Mavero Heimspeicher, ...), unserer Einschätzung nach sind die Preise durch die Neuartigkeit noch zu hoch. Wir werden den Einsatz eines solchen Systems zwar vorsehen, aber nicht sofort umsetzen.

Das wars erstmal mit der Haustechnik-Serie - bis zum nächsten Mal!
Bettina



Mittwoch, 7. Februar 2018

Im Osten geht die Sonne auf, im Westen geht sie unter - oder wie die Photovoltaik am Dach sitzen sollte

Im letzten Post haben wir darüber berichtet, wie die Planung unserer Heizung vor sich geht. Mittlerweile ist die Entscheidung getroffen, dass es definitiv eine Luftwärmepumpe wird.


Um möglichst ressourcenschonened zu bauen, leben und wohnen möchten wir auch eine Photovoltaikanlage am Dach installieren. Bei Sonnenschein kann unser Ybbshäuschen dann Strom produzieren - Jan als gelernten Kraftwerksinstandhalter freut das natürlich um so mehr!


Der große Nachteil einer Photovoltaikanlage ist, dass sie natürlich nur dann Strom produziert wenn ausreichend Sonnenenergie zur Verfügung steht. Wie effizient das Sonnenlicht in Strom umgewandelt wird hängt (unter anderem) davon ab wie das Sonnenlicht auf die Paneele fällt. Optimal ist es, wenn die Sonnenstrahlen möglichst im rechten Winkel auf die Oberfläche der Solarzelle fallen. Nicht nur während eines Tages ändert sich das, sondern auch im Jahresverlauf - die Sonne steht im Sommer schließlich viel höher am Himmel.


      
Sonnenhöhe im Winter (links) und im Sommer (rechts)


       
Sonnenstand am frühen morgen (links) und am späten Abend (rechts)

Unsere erste Idee war es, nicht alle Paneele nach Süden auszurichten. Damit könnte am frühen morgen und am späten Abend länger Strom produziert werden. Die Produktionseffizienz in der Mittagszeit wäre dafür reduziert.
Um hier eine zuverlässige Einschätzung treffen zu können haben wir uns die Strahlungsintensitäten (und damit den produzierten Solarstrom) im Osten, Süden und Westen im Jahresverlauf angesehen und gegenübergestellt. Die Daten dafür kommen übrigens von PVGIS.





Die rote Kurve in den Diagrammen zeigt den im Tagesverlauf produzierten Solarstrom für eine nach Süden ausgerichtete Photovoltaik-Anlage mit einer Spitzenleistung von 5kWp. Die schwarze Linie stellt im Vergleich dazu die Stromproduktion einer Anlage, bei der jeweils 1kWp im Osten und Westen angeordnet ist, und 3kWp mit südlicher Ausrichtung.
Man erkennt deutlich, dass bei einer gemischt ausgerichteten Anlage im Sommer das Verlaufsprofil etwas breiter wird, d.h. früh am morgen bereits etwas mehr Strom erzeugt wird als bei einer reinen Südorientierung. Dabei kommt es aber zu deutlichen Verlusten in der Produktion zur Tagesmitte. Im Sommer ist das nicht so relevant, im Winter reduziert das die ohnehin schon geringe Produktion noch weiter.


Für uns ist somit klar, dass wir unser Anlage vollständig auf der südlichen Dachfläche anbringen werden.


Für die insgesamte Dimensionierung unser Anlage, d.h. welche Spitzenleistung wir installieren wollen haben wir noch weitere Abschätzung durchgeführt - aber dazu ein anderes Mal!


Liebe Grüße,
Bettina