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Solarstrom: Netzunabhängige Photovoltaikanlagen

Vom öffentlichen Stromnetz unabhängige Solarstromanlagen (auch Photovoltaik-Inselanlagen genannt) bieten sich überall dort an, wo elektrische Energie benötigt wird, der Anschluss an das Stromnetz jedoch zu aufwändig oder teuer wäre. Typische Einsatzorte für autarke Solarstrom-Systeme sind Wochenend- und Ferienhäuser, Berghütten oder abseits gelegene Infrastruktureinrichtungen wie beispielsweise Pumpsysteme zur Trinkwasserförderung und Bewässerung, Notrufsäulen oder mobile Systeme für Wohnwagen oder Boote.

Foto: Photovoltaik-Inselanlage zur autarken Vollstrom-Versorgung eines Garten- oder Wochenendhauses mit 220Wp-Solargenerator und wartungsfreiem 100Ah/24V Batteriesatz sowie 50A Laderegler. Der eingebaute Wechselrichter liefert 1.200 W Dauerleistung und 3.300W kurzzeitige Spitzenleistung.
Sonne statt Öl: Solarstrom-Inselanlage in den Vereinigten arabischen Emiraten. Die Elektrifizierung entlegener Gebiete in Schwellen- und Entwicklungsländern ist ein klassisches und wirtschaftliches Einsatzgebiet für autarke Solarstromanlagen.

Da die Photovoltaik-Anlage nur tagsüber Strom produziert, ist ein System zur Energiespeicherung unverzichtbar. Meist werden dafür Bleiakkumulatoren verwendet, die mit hohem Wirkungsgrad große und kleine Ladeströme verarbeiten können. Ein Laderegler schützt den Akku vor Überladung, eine Lastabwurfschaltung vor Tiefentladung. Wenn eine ganzjährige Vollversorgung gewünscht ist, kann auf Hybrid-Systeme zurückgegriffen werden, bei denen die PV-Anlage durch einen zweiten Stromgenerator ergänzt wird (z. B. Windrad, Diesel- oder Biogasgenerator) - auch bei diesen kann aber auf eine zusätzliche Pufferung über Akkus in der Regel nicht ganz verzichtet werden. Da die Anlage Gleichstrom mit 12 oder 24 Volt (Akku-Ausgangsspannung) bereitstellt, wird meist ein Wechselrichter vorgesehen, um auch Geräte betreiben zu können, die nur für das übliche Wechselstromnetz verfügbar sind.

Die Photovoltaik Anlage der Rabenkopf-Berghütte in den bayerischen Alpen macht das bisherige Dieselaggregat zur Stromerzeugung nahezu überflüssig.

Wichtigste Aufgabe bei der Planung einer Inselanlage ist die Abstimmung zwischen dem voraussichtlichen täglichen Energieverbrauch und dem Energieangebot (örtliche Einstrahlung) sowie der erforderlichen Batteriekapazität.

Die Akkus werden meist so ausgelegt, dass sie in etwa den Verbrauch von zwei bis drei Tagen voll decken können (bei Winterbetrieb fünf Tage).

Ein Beispiel: Ein nur im Sommer genutztes Ferienhaus in der Region Brandenburg soll durch eine PV-Anlage mit Strom versorgt werden. Als Verbraucher werden mehrere Energiespar- oder Niedervolt-Halogenlampen, ein TV-Gerät, eine Wasserpumpe und ein Kühlschrank identifiziert. Multipliziert mit der jeweiligen Betriebszeit ergibt sich ein Tagesbedarf von rund 680 Wattstunden (Wh). Dieser lässt sich mit einer PV-Anlage decken, die eine Spitzenleistung von etwa 0,25 Kilowatt (kWp) aufweist, und aus einem oder mehreren Modulen mit einer Gesamtleistung von 250 Watt besteht. Die erforderliche Akku-Kapazität liegt für ein 12-Volt-Netz bei 280 Amperestunden (Ah).

Faustregeln zur Auslegung autarker Solarstromanlagen

Grundsätzlich sollten in Photovoltaik-gespeisten autarken Stromversorgungssystemen möglichst energiesparende Verbrauchsgeräte eingesetzt werden. Um Umwandlungsverluste zu reduzieren, sind zudem Geräte vorzuziehen, die mit 12 V oder 24 V Gleichstrom betrieben werden können.

1. Voraussichtlichen Tagesverbrauch ermitteln:
Die Leistungsaufnahme jedes zum Anschluss vorgesehenen Geräts (Watt) mit der wahrscheinlichen Betriebszeit (Stunden) multiplizieren. Die Ergebnisse (Wattstunden) für alle Geräte zusammenzählen, bei Unsicherheiten etwa 10 % Reserve hinzurechnen.

Aufgrund der Nutzungsunterschiede ist dabei bei Ganzjahresbetrieb wenigstens zwischen Sommer- und Winterbetrieb zu unterscheiden.

2. Richtige Anlagengröße ermitteln


Die Größe der autarken Solarstromanlage wird so gewählt, dass der durchschnittliche Tagesertrag in jeder Betriebssaison (z. B. Sommer/Winter) zur Deckung des Tagesverbrauchs ausreicht.

Der Tagesertrag einer Anlage ergibt sich aus der mittleren täglichen Globalstrahlung (in kWh/m2/Tag) mal der Nennleistung der eingesetzten PV-Module, modifiziert durch Korrekturfaktoren für die Abweichung von der Idealausrichtung und zur Berücksichtigung der Zelltemperatur (da die Effizienz der Module mit steigender Temperatur abnimmt).

Tabellen zur Globalstrahlung sind für die meisten Orte verfügbar. Alternativ können die Ergebnisse der beschriebenen Berechnung auch auf der Internetseite des Institute for Environment and Sustainability der Europäischen Kommission direkt als Ertragswerte abgerufen werden: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/

Dieses Ergebnis ist noch um die von der Kabeldimensionierung abhängigen Kabelverluste (hier mit 6 % angenommen) und die bei der Akkuspeicherung anfallenden Umwandlungs- und Anpassungsverluste (je ca. 10%) zu reduzieren (also mit einem Verlustfaktor V=0,94*0,9*0,9=0,76 zu multiplizieren).

Beispiel: Eine Anlage mit 1 kW Nennleistung im Raum Frankfurt könnte aufgrund dieser Rechnung im Juli einen Verbrauch von 3,9 kWh/Tag * 0,76 = 2,96 kWh pro Tag abdecken. Für die Auslegung wird aber der strahlungsärmste Monat der Saison zugrunde gelegt. In Frankfurt wäre dies der September für den Sommer (2,8*0,76 = 2,1 kWh/Tag) und der Dezember für den Winter (0,7*0,76 = 0,53 kWh/Tag). Die anzustrebende Nennleistung der Anlage ergibt sich aus der Division des saisonalen Tagesbedarfs durch den saisonalen Tagesertrag; wurde der winterliche (durchschnittliche) Tagesbedarf etwa mit 500 Wh/Tag veranschlagt, wäre für die autarke PV-Versorgung im Winter eine Anlage mit einer Nennleistung von 0,5/0,53 = 0,94 kWp erforderlich.

Diese Anlage würde im Sommer allerdings rund das Vierfache des Winterertrags erzielen und wäre damit (bei gleichem Verbrauch) für diese Jahreszeit deutlich überdimensioniert. Ein Hybrid-System, bei dem im Winter ein zusätzlicher Energiegenerator zugeschaltet wird, würde eine stärker an den Sommer angepasste Dimensionierung erlauben.

3. Auslegung der Solarbatterien


Akkukapazitäten werden in Amperestunden (Ah) angegeben, der Verbrauch in Wattstunden (Wh). Eine Umrechnung erfolgt durch die Division des voraussichtlichen Tagesbedarfs in Wh durch die Systemspannung, d. h. die Ausgangsspannung des Akku-Systems – je nach Verschaltung sind das meist 12 oder 24 V (Gleichstrom). Daraus würde sich bei einem angenommenen Tagesbedarf von 500 Wh und 12 V Systemspannung eine benötigte Kapazität von 500 Wh/12 V = 41,7 Ah errechnen. Um eine ausreichende Lebensdauer der Akkus zu gewährleisten, müssen diese allerdings gut doppelt so groß ausgelegt werden, hier also mit 84 Ah je zu überbrückendem Tag. Daraus ergibt sich für den Sommerbetrieb eine benötigte Nennkapazität der Akkus von etwa 210 Ah (ausreichend für 2,5 Tage), für den Winterbetrieb (bei gleichem angenommenem Tagesbedarf, aber 5 Tagen Reserve) von 420 Ah.

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