Photovoltaik ein Praxisbericht aus dem südlichen Niederösterreich

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1 Photovoltaik ein Praxisbericht aus dem südlichen Niederösterreich Photovoltaik wird seit vielen Jahren vielfältig eingesetzt. Photovoltaik war zu Anfang dort sehr wichtig, wo überhaupt kein Strom vorhanden ist. Zum Beispiel in Wüsten, in den Bergen, weit weg von Siedlungen mit guter Infrastruktur. Oder auf Bojen im Meer. Oder im Weltraum, zur Stromversorgung von Satelliten. In den letzten beiden Jahrzehnten hat die Photovoltaik im urbanen Bereich große Verbreitung gefunden. Man unterscheidet zwei unterschiedliche Anlagentypen: Anlagen im Inselbetrieb Anlagen im Netzparallelbetrieb Wir haben auf unserem privaten Wohnhaus beide Anlagenarten realisiert. Das Bild zeigt einen ersten Überblick (1. Ausbaustufe 2013): 8 Module je 240 Watt = 1920 Watt Inselbetrieb 24 Module je 200 Watt = 4800 Watt Netzparallelbetrieb Im Inselbetrieb wird die Gleichspannung aus den Solarmodulen mit einem MPP-Tracker in einem Batterieladeregler zu einer Batterie geleitet. Sollte mehr elektrische Energie erzeugt werden, als gerade benötigt wird, speichert der Laderegler diese Energie in der Batterie. Ein Wechselrichter kann die in den Batterien gespeicherte Gleichspannung dann 24 Stunden am Tag in haushaltsübliche 230 Volt Wechselspannung umwandeln. Im Inselbetrieb steht daher zu jeder Tageszeit kostenloser Sonnenstrom zur Verfügung, auch dann wenn keine Sonne scheint. Und völlig ohne Netzanbindung. Vorteil: 24 Stunden täglich steht Sonnenstrom zur Verfügung! (Fast) immer kostenloser Sonnenstrom Man benötigt keinen Anschluß an das öffentliche Stromnetz, keine Zählergebühren, keine Anschlußgebühren, usw. Nachteil: wenn die Batterie leer ist, steht gar kein Strom zur Verfügung! Kein Strom wenn die Batterie leer ist Im Netzparallelbetrieb hingegen, wird die Gleichspannung aus den Solarmodulen (auch Generator genannt da er aus dem Sonnenlicht die elektrische Spannung generiert (erzeugt)) direkt über einen MPP-Tracker optimiert und durch einen Wechselrichter in Wechselspannung umgewandelt und in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Beim Netzparallelbetrieb steht daher zu Mittag sehr viel Sonnenenstrom zur Verfügung, während in der Nacht kein Sonnenstrom verfügbar ist. Vorteil: Man ist am öffentlichen Stromnetz angeschlossen und hat immer Strom zur Verfügung Nachteil: Wenn man in der Nacht Strom benötigt, muss man ihn teuer kaufen und wenn man bei Tag gar keinen Strom benötigt (weil man z.b. im Büro ist) muss man den Sonnenstrom billig verschenken größter Nachteil: wenn bei Tag der EVN Strom ausfällt, dann hat man auch KEINEN Sonnenstrom! Seite : 1

2 1) Der Inselbetrieb auf/in unserer Garage: Am Dach der Garage befindet sich der Stromgenerator. Der Generator besteht aus 8 Photovoltaik-Modulen (auch Solarzellen genannt). Der Generator produziert mit seinen 8 Modulen, mit 245 Watt je Modul, eine Gesamtleistung von 1960 Watt. Diese Leistung steht aber nur unter Laborbedingungen zur Verfügung. Unter realen Bedingungen scheint die Sonne nur ganz selten genau im rechten Winkel auf die Module. Die Module sind verschmutzt, der Himmel nicht klar und die Sonne bewegt sich auch noch über den Zenit und strahlt immer unterschiedlich. Auch die Temperatur des Generators hat eine enorme Auswirkung. Je heißer der Generator wird, desto weniger Strom erzeugt er. Daher produziert der Generator über den Tag zwischen 0 Watt und maximal 1960 Watt alle möglichen Leistungen. PV Generator bestehend aus: 8 Modulen je 240 Watt = 1920 Watt in 4 Strängen je 2 Module Nennleistung je Strang 60 Volt x 8 Ampere Die Technik im inneren der Garage sieht zwar kompliziert aus, ist aber für Technik-Freaks einfach zu verstehen und findet in einem kompakten kleinen Schrank Platz: 2200 Watt / 48 Volt DC Wechselrichter (erzeugt 230 Volt Wechselspannung) Strangsicherungen 4x2 Sicher. je 10 A (vom Generator) Blitzschutz Sammelschiene für die Stränge vom Generator zum Laderegler Batterieladeregler mit MPP-Tracker Sammelschiene vom Laderegler zur Batterie und zum Wechselrichter FI und Leitungsschutzschalter Laderegler- u. Wechselrichter Absicherung Seite : 2

3 Die im vorigen Bild gezeigte Technik, bestehend aus dem Wechselrichter (links) der Verteilung und Absicherung (im Schrank in der Mitte) und dem Batterieladeregler (rechts), wurde an der Wand, direkt unterhalb der Garagendecke montiert, so dass sie nicht im normalen Betrieb der Garage stört und doch gut zugänglich ist und vorallem so dass die Leitungslängen vom Stromgenerator am Dach, den 8 Stück Photovoltaik Modulen, so kurz wie möglich sind. Direkt unterhalb, unter der im vorigen Bild gezeigten Technik, steht am Garagenboden die Speicherbatterie. Diese Batterie ist im Grund sehr ähnlich einer Autobatterie. Mit dem Unterschied das Autobatterien üblicherweise ca. 60 bis 70 Ah speichern können und diese hier verbauten Batterien eine Kapazität von 150 Ah besitzen und bei der im gezeigten Projekt vorliegenden Anwendung, mit 200 Ah benutzt werden können, da die Kapazität abhängt vom Entladestrom. Ein weiterer Unterschied zur Autobatterie ist, das hier vier Batterien hintereinander geschaltet wurden, so daß eine Systemspannung von 48 Volt zur Verfügung steht. Die Abbildung zeigt die vier Bären Batterien (herzlichen Dank an Herrn Dobrisek von Bären-Industries für die geduldige Unterstützung bei der Planung) und darüber in einem kleinen Gehäuse direkt über der Batterie, der 63 A Leitungsschutzschalter, der so versetzt wurde das die Batteriekabel theoretisch nie kurzgeschlossen werden können. 48 Volt / 200 Ah Batterieblock mit 63 A Leitungsschutzschalter oberhalb der Batterie Technische Details der Inselanlage (Stand 2013): Batterie: 4 Stück Fiamm 12PMF150 von Bären Industries, Systemspannung 4 x 12 = 48 Volt Batteriekapazität: 48 Volt * 200 Ah (real; nominal 150 Ah) = ca. 10 kwh theor. = ca. 5 kwh prakt. Laderegler: Studer 65 A Laderegler Generator: 8 Module Kyocera KD240GH-2PB in 4 Strängen je 2 Modulen, ergibt: Strang Leerlaufspannung: 2 x 36,9 = ca. 74 Volt Strang Spannung bei Nennleistung = 2 x 29,8 Volt = ca. 60 Volt Strang Nennstrom: 8,06 Ampere Wechselrichter: Struder XP-Compact XPC , für 48 Volt Gleichspannung und einer Nennleistung von 2200 Watt für 30 Minuten und 1600 Watt unbegrenzter Dauerleistung Strangabsicherung: je Strang 2x10A Überspannungsableiter (gegen Fundamenterder der Garage) Gleichspannungsabsicherung: je ein 63 A Leitsungsschutzschalter von der Sammelschiene zum Laderegler, zur Batterie und zum Wechselrichter (wobei der LS der Batterie direkt bei der Batterie situiert ist) 230 Volt Wechselspannung: erdfrei mit Leitungsschutzschalter und FI-Schutzschalter abgesichert. Inbetriebnahme: Herbst 2012 von EXD Heimo Schön angeschlossene Verbraucher: Garagenbeleuchtung, Torantrieb, Außenbeleuchtung, Regenwasserpumpe für Gemüsegarten, Kärcher, Druckluftkompressor, diverse Werkzeuge und Gartengeräte, Poolpumpe den ganzen Sommer, Anlage ganzjährig in Betrieb wobei im Winter nur Beleuchtung und Torantrieb anfällt. Seite : 3

4 Diese Inselanlage hat uns ca. 1 Jahr lang zur Versorgung von Garagentorantrieb, Garagenlicht, Poolpumpe, Hauswasserwerk, usw. gedient. Der Stromverbrauch war aber so niedrig, das die Batterien immer voll waren und damit die überwiegende Zeit die mögliche Sonnenenergie ungenutzt blieb. Dieser Umstand störte die Familie und führte zu einem Nachdenkprozess. Wir wollten mehr machen als den Garten mit Regenwasser gießen und die Poolpumpe betreiben. Schon lange waren wir auf der Suche nach einem Elektro Auto. Ende 2013 wurde der BMW i3 angekündigt. Nach einer Probefahrt im November 2013 wurde der i3 praktisch am nächsten Tag bestellt. Mit der Bestellung des i3 und dem bekannt werden der technischen und betrieblichen Daten: Verbrauch ca. 12 kwh / 100 km Generatorleistung der PV-Anlage: 2000 kwh / Jahr (ca 5,5 kwh / Tag) Fahrleistung der Familie (nur regional) ca. 40 km / Tag Aufnahme des BMW i3 Ladegeräts: 2,7 kw wurde schnell klar: das wird knapp. Eigentlich begann die Kette der notwendigen Umbauten beim Wechselrichter. Der konnte mit 2,2 kw den i3 nicht laden. Daher musste ein 4kW Wechselrichter her um keine Engpässe zu bekommen, wenn z.b. Poolpumpe und Hauswasserwerk zusätzlich zum i3 in Betrieb sind. Aus dem stärkeren Wechselrichter resultierte der Bedarf die Batterien mindestens zu verdoppeln. Wir entschlossen uns sie gleich zu verdreifachen. Zu guter Letzt wurde die maximal mögliche Dachfläche ausgenutzt und eine zweite Reihe PV-Module installiert. Nach dem Umbau sah die Anlage so aus: 16 Module je 245 Watt = 3920 Watt Seite : 4

5 Aus dem Umbau des Generators resultierte eine Vergrößerung der Batteriebank um den Wumms vom Dach auch sauber los zu werden. Nach Verstärkung des Generators wurden die 16 mm² Drähte glühend heiß und mussten auf 35 mm² getauscht werden. Um die neuen Module, die neuen Batteriekabel anschließen zu können, musste der Verteiler vergrößert werden. Links davon ist der neue 4kW Wechselrichter zu sehen. Nur der PV-Laderegler ganz rechts ist gleich geblieben. Ein 500 A Shunt misst den Strom der von /zur Batterie fließt und ein Meßgerät zeigt uns den Ladezustand der Batterie an. Seite : 5

6 Anlagenübersicht (Platzbedarf) oben; mit voll geladenem i3 (Tankluke leuchtet grün) unten Erfahrungsbericht Stand September 2014: Der i3 wurde am letzten Schultag abgeholt und in den Ferien und der ersten Schulwoche 2000 km gefahren. Auch die Woche ohne Sonne (Ende August) haben wir problemlos überstanden, jedoch war der i3 am Schluß schon auf eine Restreichweite von 40 km entladen, die Batteriebank zeigte eine Ladung von 16%. Der Wechselrichter hatte noch keinen Unterspannungsalarm. Das lag daran das wir die Poolpumpe irgendwann abgeschaltet haben um Strom zu sparen ;-) Seite : 6

7 Technische Details der Inselanlage (Stand 2014): Batterie: 12 Stück Fiamm 12PMF150 von Bären Industries, Systemspannung 4 x 12 = 48 Volt Batteriekapazität: 48 Volt * 200 Ah (real; nominal 150 Ah) = ca. 30 kwh theor. = ca. 21 kwh prakt. Laderegler: Studer 65 A Laderegler Generator: 16 Module Kyocera KD240GH-2PB in 8 Strängen je 2 Modulen, ergibt: Strang Leerlaufspannung: 2 x 36,9 = ca. 74 Volt Strang Spannung bei Nennleistung = 2 x 29,8 Volt = ca. 60 Volt Strang Nennstrom: 8,06 Ampere Wechselrichter: Struder XP-Compact XPW , für 48 Volt Gleichspannung und einer Nennleistung von 4000 Watt für 30 Minuten und 3500 Watt unbegrenzter Dauerleistung Strangabsicherung: je Strang 2x10A Überspannungsableiter (gegen Fundamenterder der Garage) Gleichspannungsabsicherung: je ein 63 A Leitsungsschutzschalter von der Sammelschiene zum Laderegler, zur Batterie und zum Wechselrichter (wobei der LS der Batterie direkt bei der Batterie situiert ist) 230 Volt Wechselspannung: erdfrei mit Leitungsschutzschalter und FI-Schutzschalter abgesichert. Inbetriebnahme: Frühjahr 2014 von EXD Heimo Schön angeschlossene Verbraucher: BMW i3, Garagenbeleuchtung, Torantrieb, Außenbeleuchtung, Regenwasserpumpe für Gemüsegarten, Kärcher, Druckluftkompressor, diverse Werkzeuge und Gartengeräte, Poolpumpe den ganzen Sommer, Anlage ganzjährig in Betrieb wobei im Winter nur Beleuchtung und Torantrieb anfällt. Seite : 7

8 2) Der Netzparallelbetrieb auf/in unserem Wohnhaus Am Dach des Wohnhauses befindet sich der Stromgenerator für den Netzparallelbetrieb. Der Generator besteht aus 24 Modulen je 200 Watt Nennleistung. Daraus ergibt sich eine Gesamt Nennleistung der Anlage von 4800 Watt. Wie schon beim Inselbetrieb beschrieben, ist auch hier diese Leistungsangabe eine theoretische Maximalleistung unter Laborbedingungen (ideale Einstrahlung, bei idealem Wetter, 20 Grad Generator-Temperatur, idealer Winkel, usw.) Die Technik beim Netzparallelbetrieb sieht deutlich einfacher aus. Die 24 Solarmodule werden untereinander von Modul zu Modul verbunden, jeweils 12 Module in einem Strang. Damit führen nur noch 4 Kabel vom Dach zum Generator-Anschlusskasten und weiter zum Wechselrichter. Wechselrichter SMA5000TL-20 erzeugt aus der Gleichspannung der Solarmodule einen Haushaltsstrom mit 230 Volt ABER: arbeitet nur dann wenn auch EVN Strom liefert! Schaltet ab wenn kein Strom von EVN! Der Wechselrichter besitzt nur zwei Anschlüsse. Den Gleichspannungseingang vom Generator und den Wechselspannungsausgang in das Netz unseres Wohnhauses. Seitens unseres EVUs (in unserem Fall die EVN) wurde im Zuge der Errichtung der PV-Anlage der Zähler getauscht. Der alte mechanische Zähler wurde ausgebaut und ein neuer elektronischer Zähler wurde eingebaut. Stromzähler: zählt Strom der von EVN bezogen wird und Strom den man EVN liefert, in getrennten Zählern Seite : 8

9 Technische Details des Netzparallelbetriebs: Batterie: keine Laderegler: keiner Generator: 24 Module Kioto 200 Watt in 2 Strängen je 12 Modulen, ergibt: Strang Leerlaufspannung: ca. 380 Volt Strang Nennstrom: ca 8 Ampere Wechselrichter: SMA5000TL-20, Nennleistung 5000 Watt, 2 Stränge, ein MPP- Tracker Strangabsicherung: keine Gleichspannungsabsicherung: keine 230 Volt Wechselspannung: EVN Netz Inbetriebnahme: , Fa. Solavolta, GU EVN angeschlossene Verbraucher: privater Haushalt Kosten: Insel-anlage 2013: Wechselrichter 1000,- Batterien 2000,- Laderegler 500,- Sicherungen, Schutzschalter, Kabel, Tragschinen, usw. 1000,- Solarmodule ca. 2000,Kein Ertrag (kein Zähler) Insel-anlage 2014: Wechselrichter 2000,- Batterien 3 x 2000,- Laderegler 500,- Sicherungen, Schutzschalter, Kabel, Tragschinen, usw. 2000,- Solarmodule ca. 2 x 2000,Kein Ertrag (kein Zähler) Netzparallelbetrieb: ca ,- für die Errichtung inklusive Zählerkosten abzüglich (Stand 2011) 5.000,- Euro Förderung Einspeisevergütung: 8 ct / kwh; pro Jahr ca kwh Einspeisung = 2000 x 0,08 = 160 Euro Ertrag pro Jahr ca kwh selbst verwertet= 3000 x 22 ct gespart = 660 Euro Stromeinsparung Ertrag pro Jahr = = 820,- ; Amortisation der ca ,- Investiton: frühestens n. 16 Jahren Seite : 9