PV-Anlage mit Batterie und Energiemanager

in 64295 Darmstadt
Engin Bagda und Günter Gerlach

Einleitung

Das Ziel von neuen PV-Anlagen im privaten Bereich ist es, möglichst viel selbst erzeugten Strom selbst zu nutzen. Hier wird an einem Beispiel gezeigt, wie man sich unabhängiger vom Strombezug aus dem öffentlichen Netz macht, dabei Stromkosten spart und die Energiewende aktiv mitgestaltet.

Die als Beispiel untersuchte  Aufdach-Photovoltaik-Anlage (PV-Anlage) hat eine Leistung von 7,36 kWh_Peak  und wird von einem „intelligenten" Energiemanager gesteuert. Der Energiemanager sorgt dafür, dass der selbst erzeugte Strom aus der PV-Anlage optimal selbst genutzt wird. Um dieses Ziel zu erreichen ist eine Lithium-Eisenphosphat-Batterie mit einer Kapazität von 8,96 kWh Bestandteil dieser PV-Anlage. Die Anlage ist im Anhang beschrieben.

Stromerträge, Stromverbrauch, Stromnutzung

Der monatliche Stromertrag, Stromverbrauch sowie der in das Netz eingespeiste Strom in diesem Haushalt der Jahre 2020 bis Mai 2022 sind in Abbildung 1 grafisch dargestellt.

Abbildung 1: Stromertrag, ins Netz eingespeister Strom  und Stromverbrauch

Aus Abbildung 1 ist zu sehen, dass der monatliche Stromertrag in den Monaten Oktober bis März nicht ausreicht, um den Stromverbrauch zu kompensieren. Bei einem durchschnittlichen Stromverbrauch in diesem Haushalt von 8±2 kWh/Tag kann die Batteriekapazität von 8,96 kWh nur den Strombedarf eines Tages kompensieren, aber nicht den Strom vom Sommer im Winter zur Verfügung stellen.

Warum Batterien ?

Mit einer Batterie, angeschlossen über den Energiemanager an die PV-Anlage, kann über den Tag, auch wenn die Sonne nicht scheint, selbst erzeugter Strom im Haushalt genutzt werden.

Wenn von der PV-Anlage Strom zur Verfügung steht sorgt der Energiemanager dafür, dass dieser bevorzugt im Haushalt verbraucht wird. Überschüssiger Strom wird zur Speicherung zur Batterie geleitet.

Sind die Batterien vollgeladen und es wird kein Strom im Haushalt gebraucht, wird der Strom ins Netz eingespeist.

Wird im Haushalt mehr Strom gebraucht als von den PV-Modulen erzeugt, wird von der Batterie – solange diese geladen ist - Strom bezogen.

Damit ist die Batterie, mit dem Energiemanager zusammen, ein wichtiger Bestandteil der PV-Anlage für die effektive Nutzung des selbsterzeugten Stroms.

Die in die Batterie eingespeiste und von der Batterie entzogene Strommenge ist in Abbildung 2 aufgezeichnet. Die Differenz zwischen der roten Linie für die Ladung und der blauen Linie für die Entladung der Batterie sind die Verluste, die beim Laden/Speichern/Entladen entstehen. Diese Verluste betragen im Durchschnitt etwa 30%. Zur Minimierung der Verluste ist es wichtig, dass der Energiemanager möglichst gleichmäßig Strom direkt von der PV-Anlage in den Haushalt steuert und die Zyklen für die Ladung/Entladung der Batterie möglichst gering sind. Hinzu kommt, dass viele Laden/Entladen-Zyklen die Leistung und Lebensdauer der Batterie reduzieren.

Abbildung 2: In die Batterie eingespeiste und entnommene Strom in kWh/Tag

In Abbildung 3 ist der selbst genutzte Strom, aufgeteilt in den Strom der von der PV-Anlage direkt und von der Batterie bezogen wird, dargestellt. Von dem selbst genutzten PV-Strom sind 47% direkt von der PV-Anlage und 53% über die Batterie. Ohne Energiemanager und Batterie wäre der in Abbildung 3 in Rot dargestellte Teil vom Strom zu den Konditionen der Einspeisevergütung ins Netz eingespeist worden. Im Gegenzug wäre genau dieser Teil für den Verbrauch im Haushalt vom Netz für einen vielfach teureren Preis bezogen worden. Deswegen ist die Batterie ein wichtiger Teil der PV-Anlage zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit.

Abbildung 3: Selbst genutzter Strom im Haushalt von der PV-Anlage
Blau:  direkt von der PV-Anlage, Rot: über die Batterie

Durch die Batterie wird der Anteil an selbst genutztem Strom aus der PV-Anlage größer, was die Autarkie des Haushaltes vom Strom aus dem Netz erhöht.

Autarkie

Ein Aspekt der PV-Technologie ist möglichst autark vom öffentlichen Stromnetz zu sein. Die Autarkie ist das Verhältnis vom selbst genutzten PV-Strom zum Stromverbrauch (Autarkie = Selbst genutzter PV-Strom / Stromverbrauch).  In Abbildung 4 ist die Autarkie des hier analysierten Hauses graphisch dargestellt. Von Mitte März bis Mitte Oktober ist der Haushalt fast autark. In den Wintermonaten, in denen der Strom von der PV-Anlage geringer ist als der Stromverbrauch, ist der Haushalt nicht autark. Hier hilft die Batterie nicht weiter, da diese bei einer Autarkie von 50% in 2 Tagen entladen wäre (rote gestrichelte Linie in Abbildung 4).

Abbildung 4: Autarkie des untersuchten Haushaltes mit PV-Anlage, Strom Manager und Batterie

Die Autarkie war Januar 2020 höher (50%) als in den Jahren 2021 und 2022  (20% - 30%). Der Grund ist, dass Januar und Februar 2020 die Bewohner außer Haus arbeiteten. Nachdem März 2020 der Corona-bedingte Lock down ausgerufen wurde, arbeiteten die Bewohner im Home Office. Mit dem damit verbundenem höherem Stromverbrauch ist die Autarkie Januar 2021 und 2022 geringer ausgefallen. Das zeigt, wie die Nutzung des Gebäudes auf die Autarkie einen Einfluss hat (Stromverbrauch siehe Abbildung 1).

Warum nicht 100% Autarkie?

Die Autarkie ist in den Monaten April bis September über 98% (siehe Abbildung 4), obwohl der Stromertrag der PV-Anlage größer ist als der Stromverbrauch (siehe Abbildung 1). Der Grund ist, dass beim Einschalten von Geräten mit einem hohen Stromverbrauch, zum Beispiel eines Backofens oder einer Waschmaschine eine relativ große Strommenge sofort gebraucht wird. Für den schonenden Betrieb der Batterie ist es sinnvoll solche Stromspitzen mit Strom aus dem Netz abzufedern und langsam durch Entladung der Batterie zu ersetzen. Deswegen wird in den Sommermonaten gringe Mengen an Strom (<0,5 kWh/Tag) vom Netz bezogen, um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern.

Zur Wirtschaftlichkeit einer PV Anlage

Eine PV-Anlage im privaten Bereich ist nur dann wirtschaftlich, wenn möglichst viel selbst erzeugter PV-Strom selbst genutzt wird. Der Solarrechner geht davon aus, dass eine PV-Anlage mit einer Batterie mit einer Kapazität von einem Tagesverbrauch an Strom, gesteuert von einem intelligenten Wechseltrichter, vorhanden ist. Derzeit (Stand August 2022) amortisiert sich so eine PV-Anlage in 13 bis 15 Jahren.

Wird auf eine Batterie verzichtet, halbiert sich die Menge an selbst genutztem Strom, was die Amortisation in Abhängigkeit der Investitionskosten beeinflusst.

Netztrenneinrichtung

Eine Netztrenneinrichtung trennt bei Stromausfall des öffentlichen Netzes den Stromkreislauf des Hauses vom Netz. indem die PV-Anlage weiter läuft, aber kein Strom in das öffentliche Netz abgegeben wird, entsteht eine „Insel-Anlage“ mit eigenem Strom aus PV-Modulen und Batterie. Damit wird die Batterie zur „Versicherung“ gegen Stromausfall.

Mit der Netztrenneinrichtung verlängert sich die Amortisation um circa 1 Jahr, gibt aber dafür eine Sicherheit bei möglichem Stromausfall (siehe „Blackout – Morgen ist es zu spät” von Marc Elsberg).

Daten der PV Anlage

Koordinaten
Breitengrad: 49,5 ° (Dezimalgrad)
Längengrad: 8,6° (Dezimalgrad)

PV-Anlage Osten
Orientierung: 77°
Neigung:  35°
Anzahl der Module: 11
Fläche der PV-Anlage Ost: 17,9 m²

PV-Anlage Westen
Orientierung: 257°
Neigung: 35°
Anzahl der PV-Module: 12
Fläche der PV-Anlage West: 19,6 m²

PV-Module 
IBC MonoSol 320VL-HC,  Monokristallin
Nennleistung: 320 W_Peak
Wirkungsgrad der PV-Module: 19,5 %
Abmessungen der PV-Module: L 1640 mm x B 992 mm ~ 1,63m²

Wechselrichter
SunnyBoy 3.0 1AV-41 und 3.6 1AV-41

Der "intelligente" Energiemanager
Sunny Home Manager 2.0

Netztrenneinrichtung
Back up Box

Batterie
BYD Battery-Box HV 9.0, Kapazität: 8,96 kWh

Batteriewechselrichter
SunnyBoy Storage 5.0

Planung und Montage
Photovoltaik & Elektrotechnik | Energiesysteme Schimpf