Mit sieben Klicks in die solarelektrische Zukunft

Feldversuch von Transnet BW und Jedlix zu Regelreserve aus Elektroautos

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Einfache Solar- oder Speicherrechner gibt es mittlerweile fast schon wie Sand am Meer. Nach Eingabe der Solaranlagengröße, des Strombedarfs und der Batteriekapazität lässt sich mit ihnen die erzielbare Eigenstromversorgung abschätzen. Zum einen werden solche Tools zur überschlägigen Speicherauslegung genutzt. Zum anderen unterstützen sie, eingebunden in die eigene Webseite, die Akquise von neuen Kunden.

In Zeiten voller Auftragsbücher können anspruchsvollere Online-Tools, die auch die Elektromobilität und Wärmeversorgung berücksichtigen, noch mit anderen Einsatzmöglichkeiten punkten. Solarteure können interessierte Kunden mit einem geeigneten Online-Tool auf das erste Beratungs­gespräch vorbereiten. Auf diese Weise können die Eigenheimbesitzer vorab bereits Ausschau halten, wie sie den gewünschten Autarkiegrad unter Berücksichtigung der Gegebenheiten vor Ort erreichen könnten. Das spart Zeit im Beratungsgespräch und hilft insbesondere Handwerksbetrieben mit begrenzten Beratungskapazitäten.

Was kann der „24 Stunden Sonne Simulator“ und worauf baut er auf?

Ziel des von der HTW Berlin gemeinsam mit Fronius entwickelten „24 Stunden Sonne Simulators“ (https://solarsimulator.fronius.com) ist es, die solarelektrische Eigenversorgung von Einfamilienhäusern mit Batterie, Elektrofahrzeug, Wärmepumpe und Heizstab greifbar zu machen. Hierzu kann der solarelektrische Eigenversorgungsanteil nicht nur für den gesamten Strombedarf, sondern auch für die

einzelnen Bereiche Haushaltsstrom, Wärme und Mobilität ermittelt werden.

Das von Fronius „24 Stunden Sonne Simulator“ getaufte Online-Tool schlüsselt den Eigenverbrauch und die Autarkie auf.

Screenshot: HTW Berlin

Die im Tool hinterlegten Ergebnisse basieren auf Simulations­untersuchungen von knapp 74.000 unterschiedlichen Systemkonfigurationen. Für jede Konfiguration wurden die thermischen und elektrischen Energieflüsse im Haus mit einer Auflösung von einer Minute über ein gesamtes Jahr simuliert. Ein Standardcomputer bräuchte für die 74.000 Jahresdurchläufe etwa 60 Tage. Da die Systemkonfigurationen bereits berechnet sind und der Simulator die Ergebnisse ohne Zeitverzug bereitstellt, kann blitzschnell analysiert werden, ob eine größere Photovoltaik-Anlage oder ein größerer Batteriespeicher den Autarkiegrad merklich steigert.

Zur Simulation des Betriebsverhaltens der untersuchten Systemkonstellationen wurden verschiedene Eingangsdatensätze verwendet. Als Datengrundlage für die Wetterdaten dienen Messwerte des meteorologischen Observatoriums Lindenberg (Brandenburg) des Deutschen Wetterdienstes (DWD). Die elektrischen und thermischen Lastprofile wurden der Richt­linie VDI 4655 entnommen, die Referenzlastprofile von Wohngebäuden für Strom, Heizung und Trinkwarmwasser enthält. Die Leistungsaufnahme des Elektroautos wurde in einem Haushalt mit einer Wandladestation ermittelt. Das Fahrverhalten entspricht dem eines Pendlers, der überwiegend am Abend das Elektroauto zu Hause lädt. Zusätzlich wurde in den Simulationsrechnungen ein solaroptimierter Einsatz der Wärmepumpe und des Heizstabs berücksichtigt. Diese Annahmen sind oft nahe an der Realität. Will man es genau wissen, muss man jedoch mit professionellen Tools den Einzelfall berechnen. Allerdings benötigt man dazu gute Lastprofile und nicht jedes Tool kann die vollständige Sektorenkopplung.

pv magazine Batteriespeicher-Übersicht

Der Artikel stammt aus der pv magazine Märzausgabe. In der nächsten Ausgabe, die am 14. Juni erscheint, berichten wir unter anderem über die Trends auf dem Batteriespeichermarkt und veröffentlichen Details zu unserer dann aktualisierten Marktübersicht Heimspeicher.

Wieso steigt der Autarkiegrad, wenn ein Heizstab zur solarelektrischen Trinkwassererwärmung verwendet wird?

Der Simulator zeigt auch auf, wie sich der Einsatz eines Heizstabs zur Trinkwassererwärmung auf die jährliche Energie­bilanz auswirkt. Ohne Batteriesystem kann eine Zehn-Kilowatt-Photovoltaik-Anlage zeitgleich etwa 36 Prozent des Haushaltsstrombedarfs eines Dreipersonenhaushalts, der ohne Heizstab mit 4.000 Kilowattstunden pro Jahr angenommen wurde, decken. Das sind immerhin 1.451 Kilowattstunden pro Jahr.

Grafik 1: Die mit dem Simulator ermittelten Autarkiegrade für einen Dreipersonenhaushalt in einem Einfamilien-Passivhaus-Neubau zeigen, dass selbst Häuser mit Wärmepumpe und Elektroauto sich mit einem Photovoltaik-Batteriesystem zu zwei Drittel selbst mit Strom versorgen können. Dabei wurde ein Haushaltsstrombedarf von 4.000 Kilowattstunden pro Jahr betrachtet. Die Leistung der Photovoltaik-Anlage beträgt zehn Kilowatt und der Batteriespeicher hat eine nutzbare Speicherkapazität von zehn Kilowattstunden. Das Passivhaus benötigt zur Raumheizung 3.000 Kilowattstunden pro Jahr und zur Trinkwassererwärmung 1.500 Kilowattstunden pro Jahr. Die Bewohner legen mit dem Elektroauto 10.000 Kilometer pro Jahr zurück. In den Szenarien mit Wärmepumpe ist die Bezugsgröße für den Autarkiegrad der Haushaltsstromverbrauch plus dem Wärmepumpenstromverbrauch. In den Szenarien mit Elektroauto ist die Bezugsgröße der Haushaltsstromverbrauch plus Stromverbrauch des Autos mit der angegebenen Fahrleistung.

Grafiken: pv magazine/Harald Schütt

Werden die verbleibenden Solarstromüberschüsse mithilfe eines regelbaren Neun-Kilowatt-Heizstabs vorrangig zur Erwärmung des 300-Liter-Trinkwarmwasserspeichers genutzt, steigt die zeitgleich direkt verbrauchte Photovoltaik-Energie um 1.761 Kilowattstunden pro Jahr. Da der Heizstab ausschließlich Solarstrom verheizt, steigt der Strombedarf um den gleichen Betrag an. In der Folge erhöht der Heizstab den Autarkiegrad, der häufig auch als solarelektrischer Eigenversorgungsanteil oder solarer Deckungsanteil bezeichnet wird, von 36 Prozent auf 56 Prozent.

Die um 20 Prozentpunkte gestiegene Eigenversorgung hat allerdings keinen Einfluss auf die jährlich aus dem Netz zur Versorgung der elektrischen Haushaltsgeräte bezogenen Kilowattstunden. Unverändert werden 2.549 Kilowattstunden pro Jahr aus dem Stromnetz benötigt.

Wie dieses Beispiel zeigt, sollten relative Bewertungsgrößen wie der Autarkiegrad bei der Nutzung regelbarer Verbraucher kritisch hinterfragt werden. So kann etwa auch durch eine schlecht eingestellte Systemregelung das Verheizen von überschüssigem Solarstrom unnötige Wärmeverluste im Pufferspeicher verursachen, die den elektrischen Autarkiegrad ebenfalls erhöhen.

Wie hoch ist die Eigenversorgung in Eigenheimen mit Wärmepumpe und Elektroauto?

Zur Beantwortung der Frage werden im Folgenden die im Simulator hinterlegten Ergebnisse für eine Zehn-Kilowatt-Photovoltaik-Anlage zusammen mit einem Batteriespeicher mit einer nutzbaren Batteriekapazität von zehn Kilowattstunden betrachtet. Ohne Wärmepumpe und Elektroauto kann das Photovoltaik-Batteriesystem den Netzstrombezug des betrachteten Dreipersonenhaushalts von 4.000 Kilowattstunden pro Jahr auf 612 Kilowattstunden pro Jahr senken. Der Autarkie­grad beträgt somit 85 Prozent (siehe Grafik 1).

Kommt zusätzlich eine leistungsgeregelte Luft-Wasser-Wärmepumpe zur Trinkwassererwärmung und Raumheizung des betrachteten Passivhauses zum Einsatz, steigt der Stromverbrauch durch die Wärmepumpe um 1.853 Kilowattstunden pro Jahr an. Trotz der häufig postulierten saisonalen Unterschiede zwischen dem Wärmepumpenstromverbrauch und der Solarstromerzeugung werden davon fast zwei Drittel durch das Photovoltaik-Batteriesystem bereitgestellt. Insbesondere in den Sommermonaten kann die Wärmepumpe zur Deckung des Trinkwarmwasserbedarfs überwiegend mit direkt genutztem Solarstrom betrieben werden. In der Bilanz versorgt sich der Neubau auch mit Wärmepumpe zu 74 Prozent selbst mit Strom aus dem Photovoltaik-Batteriesystem.

Wenn statt der Wärmepumpe ein Elektroauto mit einer jährlich zurückgelegten Strecke von 10.000 Kilometer hinzukommt, ändert sich das Stromverbrauchsprofil. Das betrachtete Pendlerfahrzeug wird überwiegend im Zeitraum zwischen 18:00 Uhr und 22:00 Uhr mit einer elektrischen Leistung von 3,5 kW geladen. Trotz des wenig solaraffinen Ladeverhaltens des Elektroautos kann mehr als jede zweite vom Elektroauto aufgenommene Kilowattstunde durch das Photovoltaik-Batterie­system bereitgestellt werden. Bei unverändert großem Batterie­speicher geht das allerdings zulasten der solarelektrischen Versorgung der anderen Haushaltsverbraucher, da der Batteriespeicher nachts nun häufiger komplett entladen wird. Folglich sinkt auch der Eigenversorgungsanteil des gesamten Neubaus auf 71 Prozent. Hat der Dreipersonenhaushalt sowohl eine Wärmepumpe als auch ein Elektroauto, kann er sich dennoch zu 65 Prozent selbst mit Solarstrom versorgen.

Grafik 2: Abhängigkeit des Autarkiegrads von der Größe der Photovoltaikanlage für die zuvor betrachteten Rahmenbedingungen und Szenarien. Je größer die Photovoltaik-Anlage ist, desto höher ist auch die solarelektrische Eigenversorgung. In dem betrachteten Beispiel steigt der Eigenversorgungsanteil des Neubaus mit Elektroauto im Vergleich zum Neubau mit Wärmepumpe weniger stark an. Dies liegt daran, dass das Elektroauto vorrangig in den Abendstunden geladen wird. Dagegen kann der Wärmepumpenbetrieb im Tagesverlauf in Zeiten hoher Photovoltaik- Leistungsüberschüsse verlagert werden.

Grafiken: pv magazine/Harald Schütt

Das Beispiel widerlegt gleich zwei Behauptungen, die immer wieder zu hören sind: Elektroautos, die tagsüber nicht am Haus geparkt sind, ließen sich kaum mit eigenem Solarstrom betreiben und Batteriespeicher seien im Vergleich zur Elektroautobatterie zu klein, um einen relevanten Beitrag zur Autostromdeckung zu leisten. Man kann sich mithilfe des Simulators ein Bild davon machen, wie der Batteriespeicher den Anteil des eigenen Solarstroms an der Beladung des Elektroautos steigert. Im beschriebenen Fall steigt dieser durch den Speicher von 15 auf 58 Prozent.

Dies zeigt, welchen wichtigen Beitrag Photovoltaik-Batteriesysteme zur Deckung des Energiebedarfs für Strom, Wärme und Mobilität im Wohngebäudebereich leisten können.

Welchen Einfluss hat die Größe der Photovoltaik-Anlage auf den Autarkiegrad?

Grafik 2 zeigt auf, wie die Vergrößerung der Photovoltaik­-Anlage den resultierenden Autarkiegrad beeinflusst. Wie bereits Grafik 1 veranschaulichte, können mit einer Zehn-Kilowatt-Photovoltaik-Anlage und einem Zehn-Kilowattstunden-Batteriespeicher je nach technischer Ausstattung 65 bis 85 Prozent des gesamten Strombedarfs des Neubaus im Jahresdurchschnitt versorgt werden. Wird stattdessen eine Photovoltaik-Anlage mit 15 Kilowatt errichtet, steigt der Autarkiegrad sogar auf 70 bis 89 Prozent. Wie die Ergebnisse ausfallen, wenn ein größerer Batteriespeicher eingesetzt wird, lässt sich mit dem Simulator ganz einfach selber herausfinden.

Grafik 3: Die Umfrage im pv magazine Webinar zeigt, dass bei mehr als der Hälfte der Photovoltaik-Kunden Elektromobilität eine Rolle spielt.

Grafiken: pv magazine/Harald Schütt

Sofern es die vor Ort verfügbaren Dachflächen zulassen, lohnt es sich daher, eine möglichst große Photovoltaik-Anlage zu errichten. Dazu trägt auch die Abschaffung der EEG-Umlage auf den selbst genutzten Solarstrom für Photovoltaik-Anlagen bis 30 Kilowatt bei. Zudem können größere Photovoltaik-Anlagen zu einem günstigeren Systempreis pro Kilowatt Leistung errichtet werden. Je größer die Photovoltaik-Anlage ist, desto größer sind auch die durch die Solarstromerzeugung vermiedenen CO2-Emissionen, die vom Umweltbundesamt mit 0,6 Tonnen pro 1.000 Kilowattstunden Solarstromertrag angegeben werden. Es spricht also ziemlich viel dafür, dass die mittlere Photovoltaik-Anlagengröße im Privatbereich in nächster Zeit weiter steigen wird.

 

— Die Autoren Johannes Weniger , Nico Orth und Volker Quaschning  forschen zur simulationsbasierten Bewertung von Photovoltaik-Batteriesystemen, Wärmepumpen und Elektrofahrzeugen an der Hochschule für Technik und Wirtschaft HTW Berlin. Mehr Infos zu den bisher entwickelten Online-Tools unter: https://pvspeicher.htw-berlin.de/onlinetools 

Link zum Simulator: Der „24 Stunden Sonne Simulator“ steht unter folgendem Link kostenfrei zur Verfügung: https://solarsimulator.fronius.com

Danksagung: Der „24 Stunden Sonne Simulator“ wurde von der Forschungsgruppe Solarspeichersysteme der HTW Berlin in Kooperation mit Fronius im Projekt „Digitale Werkzeuge für solarstrombasierte Energieversorgungskonzepte (PVplusX)“ entwickelt. Die Autoren danken der Dobeneck-Technologie-Stiftung für die finanzielle Unterstützung des Projekts.

pv magazine Webinar mit Fronius und HTW zum Nachsehen: Am 20. Januar haben Johannes Weniger und Maximilian Neuhaus vom Initiativpartner Fronius den Simulator vorgestellt. Sie können das Webinar mit Antworten auf viele Teilnehmerfragen nachsehen: www.pv-magazine.de/webinare

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