REPORT. Nr. 13 / 2012

Nr. 13 / 2012 REPORT Bis zu 75 % netzunabhängige Photovoltaik-Stromversorgung für private und gewerbliche Nutzer mit Hilfe von Speicherakkus auch bei Ost-West-Dächern

Bis zu 75 % netzunabhängige Photovoltaik-Stromversorgung für private und gewerbliche Nutzer mit Hilfe von Speicherakkus auch bei Ost-West-Dächern Inhalt Wettbewerbsfähigkeit durch Ertrags- und Eigenverbrauchsoptimierung 3 Der Ertrag eines Süd-Daches 3 Ertrag eines Ost-plus-West-Daches 8 Ertragsvergleich 10 Wie wirtschaftlich arbeitet eine PV-Anlage ohne Speichergerät? 12 Arbeitet die PV-Anlage mit Speichergerät wirtschaftlicher? 14 Die Eigenverbrauchs-Optimierung ohne Speicher 16 Die Eigenverbrauchs-Optimierung mit Speicher & Inselanlagen für maximaler Netzunabhängigkeit 16 Realistischen Messungen für mehr Netzunabhängigkeit 17 Eigenverbrauchsoptimierung mit elektrochemischen Speichern 21 Unser Fazit zur Ost-West-Dachbelegung und zur Optimierung des Eigenverbrauchs 23 Unsere Empfehlung für größere Netzunabhängigkeit 23 Quellenverzeichnis 23 2 TEC-Report Nr. 13 / 2012

Wettbewerbsfähigkeit durch Ertragsund Eigenverbrauchsoptimierung Für mehr Unabhängigkeit vom Preis-Diktat der großen Stromversorger und von sinkenden Einspeisevergütungen Die Einspeisevergütungen nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) werden kontinuierlich gekürzt. Dabei steigen gleichzeitig die Strompreise. Vor diesem Hintergrund untersuchte das TEC-Institut für technische Innovationen die PV-Eigenverbrauchsoptimierung und die Energiegewinnung bei drei verschiedenen Himmels- Ausrichtungen der Dachbelegung an sonnigen und bewölkten Tagen: Ost-plus-West-Aussrichtung Reine Süd-Ausrichtung Außerdem stellen und beantworten wir die Frage, ob Speichergeräte den Eigenverbrauch optimieren können. Ziel war es, Alternativen zur bisherigen Anwendung von PV-Anlagen aufzuzeigen, um ein Ertragsmaximum mit den heute verwendeten Techniken zu erzielen. Denn es ist nur eine Frage der Zeit, das die Einspeisevergütung nach EEG gestrichen wird. Bereits 2013 wird sie für PV-Anlagen-Besitzer nicht mehr rentabel sein. Der neue TEC-Report beschreibt, welche Wege es bereits heute schon gibt, eine PV-Anlage auch weiterhin wirtschaftlich zu betreiben. Unsere Untersuchungen und Messreihen zeigten, dass neben den bislang bevorzugten PV-Anlagen in Südausrichtung, auch Anlagen in Ost- bzw. Westausrichtung sehr wohl rentabel arbeiten. In Kombination mit unterschiedlichen Speichermedien sogar so effizient, dass bei der Stromerzeugung mittels einer solchen PV-Anlage, kombiniert mit einem Maximum an Eigenverbrauch, eine Netzunabhängigkeit von 75 % in Deutschland möglich sind. Das schafft die Voraussetzung für die längerfristige Wettbewerbsfähigkeit der PV-Branche. Der Ertrag eines Süd-Daches Zuerst untersuchten wir den Ertrag des Süd-Daches um einen Vergleich zur Ost-West-Dach-Auslegung zu erhalten. Die Normierung erfolgt auf 1 kwp. In den nachfolgenden Diagrammen zeigen wir einen sonnigen Tag (Abb. 2) und einen stark bewölkten Tag (Abb. 4). Die Daten wurden zeitgleich mit den Modul-Daten aufgenommen, die nach Osten bzw. Westen ausgerichtet sind. Ein Teil unserer Module ist mit einer Neigung von 30 und einer 0 -Abweichung nach Süden ausgerichtet. Damit ergibt sich laut Tabelle (Abb. 1) ein prozentualer Ertrag von ca. 100 %. Zur Referenz haben wir die Globalstrahlung gemessen. Abb. 1: Prozentanteil vom maximal möglichen Ertrag in Abhängigkeit der Ausrichtung und der Dachneigung [1] TEC-Report Nr. 13 / 2012 3

Bis zu 75 % netzunabhängige Photovoltaik-Stromversorgung für private und gewerbliche Nutzer mit Hilfe von Speicherakkus auch bei Ost-West-Dächern Fallbeispiel bei klarem Himmel Im folgenden Fallbeispiel (installierte Anlagenleistung 1 kwp) soll eine Leistung von 320 W für eine möglichst lange Zeit zur Verfügung stehen. Wir wählten dazu den 26.05.2012 aus. Da an diesem Tag die 1 kwp-anlage eine Spitzenleistung von ca. 800 Wp erreichte, entsprachen 320 W ca. 40 % der erreichten Spitzenleistung. Wie man aus Abb. 2 und Abb. 3 sehen kann ist der 26.05.2012 bis auf einige kleine Wolken in der Mittagszeit ein schöner, sonniger Tag. Man erkennt, dass der Kurvenverlauf der nach Süden ausgerichteten PV-Module (s. Abb. 2) dem der Globalstrahlungsmessung (s. Abb. 3) entspricht. Wenn von einem Leistung Süd-Dach auf 1 kwp normiert Abb. 2: Leistungskurve von Modulen in Südausrichtung normiert auf 1 kwp bei Sonnenschein am 26.05.12 4 TEC-Report Nr. 13 / 2012

Eigenverbrauch (konstante Leistung) von 320 W ausgegangen wird, würde uns diese Energie von ca. 8:00 Uhr bis ca. 17:30 Uhr, also ca. 9 Stunden und 30 Minuten zur Verfügung stehen. Rechnen wir das auf ein Einfamilienhaus mit einer 5 kwp Photovoltaik- Anlage mit Süd-Ausrichtung hoch, könnte in diesem Fall dauerhaft 9 Stunden und 30 Minuten lang eine Leistung von 1600 W abgerufen werden. Um die Energie zu nutzen, müssten die Bewohner allerdings zu Hause sein. Da aber die meisten Menschen berufstätig sind, wird die so gewonnene Energie tagsüber nicht genutzt. Globalstrahlung (W/m²) Abb. 3: Globalstrahlung am 26.05.2012 TEC-Report Nr. 13 / 2012 5

Bis zu 75 % netzunabhängige Photovoltaik-Stromversorgung für private und gewerbliche Nutzer mit Hilfe von Speicherakkus auch bei Ost-West-Dächern Fallbeispiel bei bewölktem Himmel Im zweiten Fall, haben wir uns einen Tag mit starker Bewölkung ausgesucht. Wie man in Abb. 4 sieht, wird die konstante Leistung nicht durchgängig erreicht. Es gibt immer wieder Leistungseinbrüche aufgrund von Verschattungen durch Wolken. Zur Kontrolle haben wir auch hier wieder unsere Globalstrahlungsmessung (s. Abb. 5) mit angegeben. Wenn wie in diesem Fall keine Speichermedien eingesetzt werden, muss die fehlende Energie für den Eigenverbrauch von 320 W Dauerleistung zusätzlich aus dem örtlichen Stromnetz bezogen werden. Leistung Süd-Dach auf 1 kwp normiert Abb. 4: Leistungskurve von Modulen in Südausrichtung normiert auf ein kwp bei starker Bewölkung am 15.05.12 6 TEC-Report Nr. 13 / 2012

Globalstrahlung (W/m²) Abb. 5: Globalstrahlung am 15.05.2012 TEC-Report Nr. 13 / 2012 7

Bis zu 75 % netzunabhängige Photovoltaik-Stromversorgung für private und gewerbliche Nutzer mit Hilfe von Speicherakkus auch bei Ost-West-Dächern Ertrag eines Ost-plus-West-Daches Zeitgleich zu unseren Messungen mit den nach Süden ausgerichteten Modulen, wurden auch die Werte der Ost-West-Module gemessen. Alle Dächer mit den drei verschiedenen Himmelsausrichtungen wurden mit gleichen Modulen bestückt. Getestet wurde sowohl an einem sonnigen, als auch an einem stark bewölkten Tag. Nach der Untersuchung zeigte es sich, dass bei einer Ost-Westausrichtung unserer PV-Anlage nur ca. 20 % mehr PV-Module installiert werden müssten, um auf nahezu den gleichen Energieertrag zu kommen, wie bei einer reinen Süd-Ausrichtung. Die Module wurden mit einer Neigung von 30 und einer 90 Abweichung nach Osten bzw. Westen ausgerichtet. Damit ergab sich laut Tabelle (siehe Abb 1.) ein prozentualer Ertrag von ca. 82 %. Auch hier haben wir zur Referenz die Globalstrahlung gemessen. Leistung Ost-West-Dach auf 1 kwp normiert Abb. 6: Leistungskurve von Modulen in Ost-West-Ausrichtung normiert auf 1 kwp bei Sonnenschein: Der magentafarbene Graph gibt die Leistung die nach Osten ausgerichteten Module wieder, der blaue Graph die nach Westen ausgerichteten. Der orange Graph entspricht der addierten Gesamtleistung. Das Ganze ist normiert auf 1 kwp. Die obere gestrichelte Linie zeigt den ca. 40 %igen Eigenverbrauch der Ost-West-Anlage an. Es stehen 40 % Eigenverbrauch von ca. 560 W bezogen auf die Gesamtleistung des Ost-West-Daches etwa eine Stunde länger zur Verfügung, als es bei einem reinen Süd-Dach der Fall wäre. In unserem Fall steht die Energie von 7:50 Uhr bis 18:45 Uhr zur Verfügung, was einer Zeitspanne von 10 Stunden und 55 Minuten entspricht. Die untere gestrichelte Linie zeigt den 40 %igen Eigenverbrauch des Süd-Daches an. Diese geringere Energie steht uns bei einem Ost-West-Dach deutlich länger zur Verfügung: von 6:45 Uhr bis 20:00 Uhr, also 13 Stunden und 15 Minuten. Das sind 3 Stunden und 45 Minuten mehr als bei einem reinen Süd-Dach. Damit könnten Berufstätige ihren selbst produzierten Strom eher nutzen und zwar ohne den Einsatz von Speichermedien. 8 TEC-Report Nr. 13 / 2012

Wir haben in den Graphiken bei allen Dächern in den unterschiedlichen Himmelausrichtungen den Eigenverbrauch von 40% bezogen auf die Gesamtleistung eingezeichnet. Am 26.09.2012 erreichte weder das Ost-Dach, noch das West-Dach ganz die Spitzenleistung von 800 Wp, trotzdem kann man annäherungsweise annehmen, dass die 560 W unseres Fallbeispiels in etwa 40 % der Spitzenleistung unseres Ost-West-Daches entsprechen. Leistung Ost-West-Dach auf 1 kwp normiert Abb. 7: Leistungskurve von Modulen in Ost-West-Ausrichtung normiert auf 1 kwp bei starker Bewölkung: Wie man sieht, wird eine konstante Leistung nicht dauerhaft erreicht. Aber im Vergleich zum Süd-Dach sind die Ausfälle nicht ganz so groß. Trotzdem muß zusätzliche Energie aus dem Netz bezogen werden, da die geforderte Dauerleistung nicht permanent zur Verfügung steht. Auch hier könnten Speicher die Bedarfslücken füllen und bei Verschattungen von Wolken z.b. die benötigte Restenergie bereit stellen. TEC-Report Nr. 13 / 2012 9

Bis zu 75 % netzunabhängige Photovoltaik-Stromversorgung für private und gewerbliche Nutzer mit Hilfe von Speicherakkus auch bei Ost-West-Dächern Der Ertragsvergleich Bei dem Vergleich dieser beiden Dachausrichtungen stellten wir fest, dass wir im Jahresschnitt bei Ost-West-Anlagen einen höheren Ertrag gemessen haben als bei einer reinen Süd-Anlage. Jedoch sind die Investitionskosten auch etwa doppelt so hoch. Unsere Untersuchungen ergaben sogar, dass die doppelte Modulanzahl der Ost-West-Anlage am 26.05.2012 annähernd doppelt soviel Ertrag erbrachte als die nach Süden ausgerichtete PV-Anlage mit der Hälfte der Module! Das niedrigere Ergebnis der Süd-Anlage könnte darauf zurückzuführen sein, dass es zur Mittagszeit mit Sonnenhöchststand leicht bewölkt war und so das Süd-Dach zur besten Sonnen-Phase nicht optimal produzieren konnte. Im Vergleich mit der Süd-Anlage gehen wir bei der Ost-West-Anlage im langjährigen Mittel bei doppelt installierter Leistung von einem Ertrag von etwa 164 % aus. Ertragsvergleich Süd Ost-West am 26.05.2012 bei Sonnenschein Abb. 8: Ertragsvergleich Süd Ost-West am 26.05.2012 bei Sonnenschein 10 TEC-Report Nr. 13 / 2012

Bei dem Ertragsvergleich am stark bewölkten Himmel am 15.05.2012 ergab sich ein ähnliches Verhältnis wie am 26.05.2012: von ca. 10 Uhr bis 13 Uhr war der Ertragsunterschied geringfügig über 100 % (s. Abb. 9). Die Spitzenleistung der Ost-West-Anlage war auch hier im Vergleich zu dem Süd-Dach annähernd doppelt so hoch. Ertragsvergleich Süd Ost West am 15.05.2012 bei stark bewölkten Himmel Abb. 9: Ertragsvergleich Süd Ost West am 15.05.2012 bei stark bewölkten Himmel TEC-Report Nr. 13 / 2012 11

Bis zu 75 % netzunabhängige Photovoltaik-Stromversorgung für private und gewerbliche Nutzer mit Hilfe von Speicherakkus auch bei Ost-West-Dächern Wie wirtschaftlich arbeitet eine PV-Anlage ohne Speichergerät? Um das Ganze nicht nur aus energetischer Sicht zu betrachten, haben wir die Wirtschaftlichkeit des Systems untersucht. Beginnend bei der Beispielsrechnung von einem Süd-Dach mit einer 5 kwp-anlage und einem Eigenverbrauch von 40 %, legen wir unserer Wirtschaftlichkeits-Betrachtung folgende Werte zu Grunde: Durchschnittlicher Jahresertrag [kwh / kwp] 950 5 kwp-anlage [kwh] 4750 40 % Eigenverbrauch [kwh] 1900 Tabelle 1: Grundwerte für unsere Süd-Anlage Die Strompreise werden in den nächsten Jahren mit Sicherheit ansteigen. Daher haben wir zwei Kalkulationen über den Zeitraum von 20 Jahren durchgeführt bei denen wir einmal eine Strompreissteigerung von +3 % und einmal von +6 % jährlich angenommen haben. Die Anschaffungskosten einer PV-Anlage liegen derzeit (Stand: Juni 2012) bei ca. 1.500,- pro kwp, incl. Projektierung, Montage und Inbetriebnahme. Wie man sieht, ist schon bei einem reinen Süd-Dach die Kostenersparnis beachtlich. Allerdings ist es schwierig, die 40% Eigenverbrauch zu erreichen, da die Energie nur über einen vergleichsweise kurzen Tageszeitraum zur Verfügung steht. Im Vergleich dazu betrachten wir nun das Ost-West-Dach. Auch hier nehmen wir pro Dachfläche eine Anlage von 3 und von 5 kwp an, was eine Gesamtanlagengröße von 6 bzw. 10 kwp ausmacht und einen Eigenverbrauch von 40 % der gesamten Dachleistung. Eine Ost-West-Anlage hat im Vergleich zu einer Süd-Anlage einen Ertrag von etwa 82 % pro Dachseite. Zusammen genommen sind das 164 % des Jahresertrags eines Süd-Daches. Daraus ergaben sich folgende Erträge: netto brutto (incl. Mwst) Anschaffungskosten 5 kwp-anlage, Süd -7.500,00-8.925,00 40 % Eigenverbrauch (Kosten jährl. +3%) 11.231,82 13.365,86 Gewinn 3.731,82 4.440,86 Anschaffungskosten 5 kwp-anlage, Süd -7.500,00-8.925,00 40 % Eigenverbrauch (Kosten jährl. +6%) 15.376,38 18.297,89 Gewinn 7.876,38 9.372,89 Tabelle 2: Bilanz mit Strompreiserhöhungen für eine Süd-Anlage 12 TEC-Report Nr. 13 / 2012

Durchschnittlicher Jahresertrag [kwh / kwp] 807,5 6 kwp-anlage [kwh] 4845 10 kwp-anlage [kwh] 8075 40 % Eigenverbrauch bei 6 kwp[kwh] 1938 40 % Eigenverbrauch bei 10 kwp[kwh] 3230 Tabelle 3: Anlagenwerte bei einer Ost-West-Belegung Auch bei der Bilanzrechnung haben wir die Kalkulationen mit +3 % und +6 % Strompreiserhöhung pro Jahr durchgeführt. Wie man hier erkennt ist der Gewinn bei einer 10 kwp-ost-west- Dachanlage trotz höherem Investitionsaufwand noch höher. Jedoch wird es relativ schwer auf einen Eigenverbrauch von 40 % oder mehr zu kommen, wenn niemand Zuhause ist, der die Elektro-Geräte dann einschaltet, wenn Energie zur Verfügung steht. netto brutto (incl. Mwst) Anschaffungskosten 6 kwp-anlage, Ost-West -9.000,00-10.710,00 40 % Eigenverbrauch (Kosten jährl. + 3%) 11.052,11 13.152,01 Gewinn 2.052,11 2.442,01 Anschaffungskosten 6 kwp-anlage, Ost-West -9.000,00-10.710,00 40 % Eigenverbrauch (Kosten jährl. + 6%) 15.130,36 18.005,12 Gewinn 6.130,36 7.295,12 Tabelle 4: Bilanz für eine 6 kwp Ost-West-Anlage netto brutto (incl. Mwst) Anschaffungskosten 10 kwp-anlage, Ost-West -15.000,00-17.850,00 40 % Eigenverbrauch (Kosten jährl. + 3%) 18.420,18 21.920,01 Gewinn 3.420,18 4.070,01 Anschaffungskosten 10 kwp-anlage, Ost-West -15.000,00-17.850,00 40 % Eigenverbrauch (Kosten jährl. + 6%) 25.217,26 30.008,54 Gewinn 10.217,26 12.158,54 Tabelle 5: Bilanz für eine 10 kwp Ost-West-Anlage TEC-Report Nr. 13 / 2012 13

Bis zu 75 % netzunabhängige Photovoltaik-Stromversorgung für private und gewerbliche Nutzer mit Hilfe von Speicherakkus auch bei Ost-West-Dächern Arbeitet die PV-Anlage mit Speichergerät wirtschaftlicher? Wir wiederholten die Wirtschaftlichkeitsberechnung exemplarisch bei PV-Anlagen mit Speichermöglichkeiten, d.h. Akkus. Beginnen wir wieder mit dem Süd-Dach und gehen wir von einer 5 kwp-anlage mit Batteriespeichersystem aus und nehmen den zu erreichenden Eigenverbrauch von 70 % an. Hier legen wir unserer Wirtschaftlichkeits-Betrachtung folgende Werte zu Grunde: Durchschnittlicher Jahresertrag [kwh / kwp] 950 5 kwp-anlage [kwh] 4750 70 % Eigenverbrauch [kwh] 3320 Tabelle 6: Grundwerte bei einer Anlage mit Speicher in Süd-Ausrichtung Auch hier haben wir zwei Kalkulationen über 20 Jahre durchgeführt, einmal mit einer jährlichen Strompreissteigerung von angenommenen +3 % und einmal von +6 %. Die Anschaffung einer PV-Anlage mit Speicher liegt (Stand: Juni 2012) bei 3.000,- pro kwp, incl. Projektierung, Montage und Inbetriebnahme. Es ist deutlich zu erkennen, dass eine handfeste Ersparnis zu erwirtschaften ist. Dank der Speicher, sind die 70% Eigenverbrauch wesentlich leichter zu erreichen. netto brutto (incl. Mwst) Anschaffungskosten 5 kwp-anlage, Süd -15.000,00-17.850,00 70 % Eigenverbrauch (Kosten jährl. + 3%) 19.655,68 23.390,26 Gewinn 4.655,68 5.540,26 Anschaffungskosten 5 kwp-anlage, Süd -15.000,00-17.850,00 70 % Eigenverbrauch (Kosten jährl. + 6%) 26.908,66 32.021,31 Gewinn 11.908,66 14.171,31 Tabelle 7: Bilanz bei steigenden Strombezugspreisen bei einer Süd-Anlage mit deutlicher Kostenersparnis 14 TEC-Report Nr. 13 / 2012

Eine Ost-West-Anlage von 10 kwp hat einen Ertrag, im Vergleich zu einer Süd-Anlage von 5 kwp, von etwa 82% pro Dachseite, was zusammen im langjährigen Mittel 164% des Jahresertrags eines Süd-Daches macht. Daraus ergeben sich folgende Erträge: Durchschnittlicher Jahresertrag [kwh / kwp] 779 6 kwp-anlage [kwh] 4674 10 kwp-anlage [kwh] 7790 70 % Eigenverbrauch bei 6 kwp [kwh] 3271,8 70 % Eigenverbrauch bei 10 kwp [kwh] 5453 Tabelle 8: Anlagenwerte für eine Ost-West-Anlage mit Speicher netto brutto (incl. Mwst) Anschaffungskosten 6 kwp-anlage, Ost-West -18.000,00-21.420,00 70 % Eigenverbrauch (Kosten jährl. + 3%) 19.341,19 23.016,01 Gewinn 1.341,19 1.596,01 Anschaffungskosten 6 kwp-anlage, Ost-West -18.000,00-21.420,00 70 % Eigenverbrauch (Kosten jährl. + 6%) 26.478,12 31.508,96 Gewinn 8.478,12 10.088,96 Tabelle 9: Bilanz einer 6 kwp Ost-West-Anlage über 20 Jahre mit einer Strompreiserhöhung von jährlich + 3% und + 6% netto brutto (incl. Mwst) Anschaffungskosten 10 kwp-anlage, Ost-West -30.000,00-35.700,00 70 % Eigenverbrauch (Kosten jährl. + 3%) 32.235,31 38.360,02 Gewinn 2.235,31 2.660,02 Anschaffungskosten 10 kwp-anlage, Ost-West -30.000,00-35.700,00 70 % Eigenverbrauch (Kosten jährl. + 6 %) 44.130,20 52.514,94 Gewinn 14.130,20 16.814,94 Tabelle 10: Bilanz einer 10 kwp Ost-West-Anlage. Trotz höherem Investitionsaufwand ist hier der Gewinn noch größer als bei einer Süd-Anlage: Das Erreichen eines höheren Eigenverbrauchs mit Speichermöglichkeit ist deutlich einfacher. Außerdem kann man in Zukunft davon ausgehen, dass die elektrochemischen Speicher, wie z.b. die Li-Ionen Batterien preislich deutlich günstiger werden. TEC-Report Nr. 13 / 2012 15

Bis zu 75 % netzunabhängige Photovoltaik-Stromversorgung für private und gewerbliche Nutzer mit Hilfe von Speicherakkus auch bei Ost-West-Dächern Die Eigenverbrauchs-Optimierung ohne Speicher Die Eigenverbrauchs-Optimierung mit Speicher & Inselanlagen für maximale Netzunabhängigkeit Im Vergleich zu einem reinen Süd-Dach ist es durch die Ost-West- Dachbelegung möglich, sehr viel unabhängiger von den großen Energieanbietern zu sein. Um einen hohen Eigenverbrauch zu erzielen, ist es wichtig, das Konsum-Verhalten des PV-Nutzers zu kennen. Denn davon hängt auch die mögliche Eigenverbrauchsrate ab. Hier spielen zwei Hauptfaktoren eine Rolle: Ist tagsüber jemand zu Hause? Wann wird die elektrische Energie verbraucht? Es gibt verschiedene Möglichkeiten den Eigenverbrauch zu optimieren auch ohne Speicher: Eigeninitiative ist die wahrscheinlich kostengünstigste Variante, um den Eigenverbrauch zu optimieren: man schaltet Haushaltgeräte wie z. B. die Waschmaschine dann an, wenn der Solargenerator elektrische Energie liefert. Dies ist jedoch meist nur möglich wenn jemand zu Hause ist. In der Regel können viele Anlagenbesitzer die Tageszeit mit der höchsten Sonneneinstrahlung aber nicht nutzen, da sie berufstätig sind. Smart Metering sind intelligente Stromzähler. Diese digitalen Meßgeräte ersetzen in Zukunft die bisher verwendeten herkömmlichen Ferraris-Zähler. Mit diesen Zählern kann der Kunde exakt sein Verbrauchsverhalten nachvollziehen und so sein Konsumverhalten ändern, um den Eigenverbrauch der PV-Energie zu erhöhen. Außerdem verfügen diese Zähler über eine Datenschnittstelle womit sie in der Lage sind, mit Haushaltsgeräten wie Waschmaschine, Trockner, etc. zu kommunizieren und diese Geräte dann einzuschalten, wenn genügend solarer Strom zu Verfügung steht. Um ein System zu realisieren, das vollkommen netzunabhängig operiert, gibt es einiges zu beachten: von der Auslegung der Energiequellen, die genutzt werden bis hin zu den Speichern die genügend Kapazität besitzen müssen, um die Zeit zu überbrücken, in der keine Stromquellen zur Verfügung stehen. Die erste Überlegung gilt den Energiequellen, die man nutzen möchte. Wenn es ein reines PV-System sein soll, muss man die Anlage so auslegen, dass sie in den Wintermonaten genug Energie zur Verfügung bereit stellt. Dies bedeutet jedoch auch, dass die Anlage im Sommer vollkommen überdimensioniert ist. Im schlimmsten Fall werden produzierte Überschüsse sinnlos verschwendet, kostbare Energie, die im Winter eventuell fehlt. Die logische Konsequenz ist das Speichern von Energie, um eine hundertprozentige Netzunabhängigkeit zu erreichen. Wie schon erwähnt, kann man mit den Speichermedien die Überschüsse ansammeln und sie dann nutzen, wenn die Sonne nicht scheint. Die Auslegung der Speicher hängt ganz davon ab, wie hoch der Energiebedarf ist. Die Erschließung weiterer regenerativer Energiequellen, wie z.b. Windenergie ist ebenfalls sinnvoll. So wäre man nicht einseitig nur von Sonnenenergie abhängig. Um eine garantierte hundertprozentige Netzunabhängigkeit zu realisieren, wird man momentan (Stand: Juni 2012) noch auf fossile Brennstoffe wie Diesel oder Gas zurückgreifen müssen. Diese können dann genutzt werden, wenn keine Energie aus den regenerativen Medien zu Verfügung steht und die Speicher bereits erschöpft sind. Dann könnte man einen Generator mit Verbrennungsmotor nutzen, um die benötigte Energie bereitzustellen. In erster Linie hat das Konsumverhalten des Nutzers den größten Einfluss auf die Autonomie des Verbrauchers. Wenn Energie direkt dann genutzt wird, wenn sie zur Verfügung steht, kann der Speicher kleiner ausgelegt werden, um die Zeiten der fehlenden Energiegewinnung zu überbrücken. Ein eventuell vorhandener Generator, der mit fossilen Brennstoffen betrieben wird, muss nicht so häufig anspringen, was sich sowohl positiv auf die Lebensdauer des Generators, als auch auf die Umwelt auswirkt. Anlagen mit 100% Netzunabhängigkeit sind aufgrund des benötigten Gas- und Dieselgenerators, bei weitem nicht so wirtschaftlich wie z.b. Anlagen mit nur 70% Netzunabhängigkeit (Stand: Juni 2012) 16 TEC-Report Nr. 13 / 2012

Realistische Messungen für mehr Netzunabhängigkeit Da wir bereits 2010 und 2011 Messreihen von Modulen, die nach Osten bzw. Westen ausgerichtet waren, durchgeführt haben, konnten wir eine Übersicht erstellen, die einen Ausblick über ein ganzes Jahr vermittelt. (siehe auch Bachelorarbeit von A. Höfling, Weiterentwicklung und Optimierung einer Photovoltaik-Inselanlage). Beispielhaft nahmen wir dazu wieder unser Süd-Dach. Für den dargestellten Energiebedarf haben wir über 12 Monate (Zeitraum: 01.04.2010 bis 31.03.2011) den Verbrauch eines realen, 4-Personenhaushalt zugrunde gelegt. Auf diese Weise konnte der monatliche Verbrauch, der Jahresverbrauch von 4305,60 kwh, sowie die jahreszeitliche Verteilung des Verbrauchs ermittelt werden (Abb. 10). Im ersten Diagramm (Abb. 10) haben wir eine 5 kwp Süd-Anlage einer 6 kwp Ost-West-Anlage gegenübergestellt. Auf dem Ost-Dach, als auch auf dem West-Dach sind jeweils 3 kwp installiert, zusammen also 6 kwp. Wie man sieht, liefert die Ost-West-Anlage in den ertragsstarken Monaten mehr Energie als die Süd-Anlage. In den Wintermonaten hat die Süd-Anlage die Nase knapp vorn. Außerdem war bei der Süd-, als auch der Ost-West-Anlage von März bis September ein Mehr an PV-Ertrag zu beobachten, als an elektrischer Energie benötigt wurde. In den kalten Monaten von November bis Februar kann der Energiebedarf nicht allein mit Sonnenenergie gedeckt werden. Im Oktober kann der 4-Personen-Haushalt gerade noch so mit PV-Energie autark versorgt werden. Vergleich: Erträge Süd-Dach (5 kwp) mit Ost- (3 kwp) plus West-Dach (3 kwp), hinsichtlich eines Tagesbedarfs von 12 kwh (4-Personen-Haushalt), gemittelt über 1 Jahr Abb. 10: Ertrag eines Süd-Daches (5 kwp) und eines Ost- (3 kwp) plus West-Daches (3 kwp) im Vergleich zum Tagesbedarf TEC-Report Nr. 13 / 2012 17

Bis zu 75 % netzunabhängige Photovoltaik-Stromversorgung für private und gewerbliche Nutzer mit Hilfe von Speicherakkus auch bei Ost-West-Dächern Die gleiche Verfahrensweise verwendeten wir bei einer Ost-West- Anlage mit 10 kwp (siehe Abb. 18). Wie man erkennt, ist die autarke Energieversorgung von März bis einschließlich Oktober gedeckt. Aber auch hier reicht die Leistung nicht aus, um auch in den kalten Monaten eine völlige Netzunabhängigkeit zu gewährleisten. In diesem Fall kann der 4-Personen-Haushalt bereits im Februar gerade so mit PV-Energie netzunabhängig versorgt werden. In den nachfolgenden Diagrammen wird der monatliche Überschuss bzw. Zukauf elektrischer Energie für jeden Anlagentyp dargestellt. Wir sehen, was an solarer Energie in das Netz eingespeist bzw. was vom Netzbetreiber bezogen werden muss. Wie schon in den Diagrammen zuvor ist zu erkennen, dass der Bedarf an Energie in den Wintermonaten deutlich geringer ist, als der im Sommer produzierte Überschuss. In den Abb. 10 bis Abb. 14 ist die mögliche Netzunabhängigkeit bei PV-Anlagen mit Speicher-Akku (nutzbares Speichervermögen 12 kwh) zu erkennen (s. Tabelle 11). Vergleich: Erträge Süd-Dach (5kWp) mit Ost- (5kWp) plus West-Dach (5 kwp), hinsichtlich eines Tagesbedarfs von 12 kwh (4-Personen-Haushalt), gemittelt über 1 Jahr Abb. 11: Ertrag eines Süd-Daches (5 kwp) und eines Ost- (5 kwp) plus West-Daches (5 kwp) im Vergleich zum Tagesbedarf 18 TEC-Report Nr. 13 / 2012

Fazit: Je nach Anlagengröße sind Unabhängigkeitsgrade von 72%, 68% und sogar 75% erreichbar. Wie bereits erwähnt, ist es schwer, allein durch reine Solarenergie eine hundertprozentige Netzunabhängigkeit (Stand: Juni 2012) zu erreichen, da in den Wintermonaten in unseren Breitengraden einfach nicht genug Sonne scheint. Daher sind wir der Meinung, dass die völlige Netzunabhängigkeit nur durch einen Mix der regenerativen Energien möglich ist. Natürlich spielt dabei der Standort eine wichtige Rolle: so sollte in windarmen Regionen nicht unbedingt nur auf Windenergie gesetzt werden... PV-Anlagen- PV-Anlage Monate völliger Monate mit ca. Zukauf in den Erreichter Ausrichtung Größe (gesamt) Unabhängigkeit 90% Unabhängig- restlichen Unabhängigkeit Monaten in keitsgrad Prozent vom Jahresverbrauch Süd 5 kwp 8-28 % 72 % Ost-West 6 kwp 7 1 32 % 68 % Ost-West 10 kwp 8 1 25 % 75 % Tabelle 11: Übersicht verschiedener Anlagen Überschuss / Zukauf: Süd-Dach (5 kwp), hinsichtlich eines Tagesbedarfs von 12 kwh (4-Personen-Haushalt), gemittelt über 1 Jahr Abb. 12: Überschuss und Zukauf von Energie bei einem Süd-Dach mit 5 kwp TEC-Report Nr. 13 / 2012 19

Bis zu 75 % netzunabhängige Photovoltaik-Stromversorgung für private und gewerbliche Nutzer mit Hilfe von Speicherakkus auch bei Ost-West-Dächern Überschuss/Zukauf: Ost (3 kwp)- plus West (3 kwp)- Dach, hinsichtlich eines Tagesbedarfs von 12 kwh (4-Personen-Haushalt), gemittelt über 1 Jahr Abb. 13: Überschuss und Zukauf von Energie bei einem Ost- (3 kwp) plus West-Dach (3 kwp) Überschuss/ Zukauf: Ost (5 kwp)- plus West (5 kwp)- Dach, hinsichtlich eines Tagesbedarfs von 12 kwh (4-Personen-Haushalt), gemittelt über 1 Jahr Abb. 14 : Überschuss und Zukauf von Energie bei einem Ost- (5 kwp) plus West-Dach (5 kwp) 20 TEC-Report Nr. 13 / 2012

Eigenverbrauchsoptimierung mit elektrochemischen Speichern Bleiakkumulatoren Bleibatterien zählen zu den ältesten elektro-chemischen Speichern. 1854 entwickelte der deutsche Mediziner und Physiker Wilhelm Josef Sinsteden den ersten Bleiakkumulator. Aufgrund der langen Geschichte der Bleibatterie, gibt es bereits eine Menge Erfahrungen im stationären Einsatz (z.b. Batteriespeicheranlage im Heizkraftwerk Steglitz). Vorteile: Niedriger Preis Verschlossene Batterien (sog. Trockenbatterien) erweitern das Spektrum wegen Wartungsfreiheit und besserer Lebensdauer Hoher, wirtschaftlicher Recyclinganteil Bleibatterien sollten vorzugsweise im voll geladenen Zustand betrieben werden, um eine möglichst hohe Lebenserwartung zu erreichen. Dies ist allerdings in der Praxis nicht realisierbar. Bei Solaranlagen haben wir in den sonnigen Monaten Teilzyklen mit einem kleinen DOD (Depth Of Discharge), während wir in den kälteren und weniger sonnenreichen Tagen einen größeren DOD bis hin zu einem Vollzyklus haben. Diese unregelmäßige Belastung verringert die Lebensdauer der Batterien. Bei der Auslegung der jeweiligen Systemleistung sollte beachtet werden, dass man die halbe Nennkapazität als nutzbare Leistung zur Verfügung hat, um so die Lebensdauer zu erhöhen. Nachteile: Niedrige Energiedichte Im entladenen Zustand nicht lagerfähig; es tritt Sulfatbildung an beiden Elektroden auf Hohes Gewicht Geringere Lebensdauer z. B. gegenüber Li-Ionen-Akkus Wartung erforderlich (Blei-Säure) Ab bestimmter Leistungsklasse, separater, belüfteter Raum nötig. Abb. 15: Schema einer Bleibatterie [2] TEC-Report Nr. 13 / 2012 21

Bis zu 75 % netzunabhängige Photovoltaik-Stromversorgung für private und gewerbliche Nutzer mit Hilfe von Speicherakkus auch Ertragsmaximierung bei Ost-West-Dächern bei Schnee Li-Ionen Technologie Li-Ionen-Akkus zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte aus. Sie sind thermisch stabil und haben keinen Memory-Effekt. Während Bleiakkus immer im vollgeladenen Zustand betrieben werden wollen, verhält es sich bei der Li-Ionen Technologie etwas anders. Sie altern langsamer, auch wenn sie im teilentladenen Zustand betrieben werden. Hier jedoch kommt es ganz stark auf die chemische Zusammensetzung an. Daher sollten stationäre Anlagen überdimensioniert werden, um in einem niedrigen SOC(State Of Charge)-Bereich zu operieren Vorteile: Hohe Energie- und Leistungsdichte Hohe Zellspannung (3,6V 3,7V/Zelle) Gute Energiewirkungsgrade (> 90%) Großes Entwicklungspotential Keine Wartung erforderlich Nachteil: Elektronische Überwachung beim Betrieb erforderlich Abb. 16: Schema einer Li-Ionen Batterie [3] 22 TEC-Report Nr. 13 / 2012

Unser Fazit zur Ost-West-Dachbelegung und zur Optimierung des Eigenverbrauchs Aus den Abb. 10, 12 und 13 ist deutlich zu erkennen, dass ein Ost-plus-West-Dach mit je 3 kwp PV-Leistung (in Summe 6 kwp) eine ähnlich hohe Netzunabhängigkeit über das Jahr hin erreicht, wie ein reines Süd-Dach mit 5 kwp. Die höheren Investitionskosten für die Belegung von Ost- und West-Dach halten sich dabei in Grenzen. Die Ost-plus-West-Dachbelegung sorgt für eine noch höhere Unabhängigkeit vom Stromanbieter. In Haushalten, in denen beispielsweise Mütter, Kinder und Jugendliche tagsüber oft zuhause sind, ist ein sehr hoher Eigenverbrauch sehr leicht zu erreichen. Für Hausbesitzer, die bisher auf die Anschaffung einer PV-Anlage verzichteten, weil sie kein nach Süden ausgerichtetes Dach haben, ist diese Art der Ost-West-Dachbelegung eine gute Alternative. Außerdem sind die Anschaffungskosten für eine PV-Anlage inzwischen drastisch gesunken. So rentiert es sich und in Zukunft aufgrund ständig steigender Strompreise noch viel mehr möglichst viel von selbst erzeugtem PV-Strom zu speichern und selbst zu verbrauchen. Dazu kommt zurzeit noch eine Einspeisevergütung, die im Dezember 2012 bei ca. 15 Cent liegen wird. All unsere Betrachtungen und Rechenbeispiele beziehen sich auf eine zurzeit üblicherweise garantierten Lebensdauer von 20 Jahre. Diese wird in Zukunft deutlich höher ausfallen man geht heute daher von 30 bis 40 Jahren aus. Mit anderen Worten: Die positive Bilanz, die sich auf Grundlage von 20 Jahre Lebenserwartung bei PV-Anlagen errechnet, wäre bei längerer Lebensdauer noch um einiges positiver. Unsere Empfehlung für größere Netzunabhängigkeit Süd-Dach mit ca. 5 kwp Oder Ost- plus West-Dach mit ca. 6 kwp, vorzugsweise sogar 10 kwp Einsatz eines Akkuspeichers Anschluss nur durch einen Fachbetrieb Verwenden von stromverbrauchsoptimierten Geräten Einkalkulieren, dass eine PV-Anlage länger als 20 Jahre hält Quellenverzeichnis Bilder: [1] http://www.photovoltaik-web.de/images/stories/pv_suche/ prozentanteil_vom_maximalen_ertrag_in_abhaengigkeit_der_ ausrichtung_und_der_dachneigung.jpg [2] http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=datei:schema_ eines_bleiakkus_2009-02-09.svg&filetimesta mp=20090209222323 [3] http://www.windkraft-journal. de/2012/04/21update-to-the-rpland-berger-study-on-automotive-li-ion-batteries Internetquellen: [10] http://batteryuniversity.com/index-german.htm [11] http://www.eurosolar.de/de/images/storie/pdf/sauer_option_speicher_regenerativ_okt06.pdf [12] http://www.smart-metering.info/ [13] http://de.wikipedia.org/wiki/smart_metering TEC-Report Nr. 13 / 2012 23

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