Rendimento solare rispetto alla capacità della batteria

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Wieviel Solarertrag benötigt man bei welcher Batteriekapazität zur Deckung seines Bedarfs? Diese Frage stellt sich Manchem, der entweder schlicht im Wohnmobil eine diesbezügliche Autarkie anstrebt, oder aber eine Inselanlage aufbauen möchte, um in abgelegenen Gegenden unabhängig von vom, ggf. nicht existenten, öffentlichen Stromnetz zu sein.

Nun kann man natürlich massig Batteriekapazität einplanen, allerdings ist, gerade im mobilen Einsatzszenario Platz Mangelware und die mögliche PV-Modul-Leistung auf etwa 1.200 .. 1.725 Wp beschränkt, geht man von 2 .. 3 Modulen mit 575 Wp aus. Und das Gewicht hinsichtlich der Anzahl Batterien ist – leider – auch nicht zu vernachlässigen, es sei denn, man verfügt über ein Fahrzeug mit einem zul. Gesamtgewicht von über 7,5 to, sowie den nötigen Führerschein.

Insoweit gilt es also den Verbrauch zu minimieren, will man wirklich autark agieren können. Doch, wie lange scheint die Sonne zu den jeweiligen Tages- und Monatszeiten, dies an den diversen geografischen Lokalitäten, und, welche Erträge ergeben sich aus der, statistisch durchschnittlichen, Sonnenscheindauer? Bekommt man die Batterien auch jederzeit wieder voll?

Hochvolt- vs. Niedervolt-Technologie

Bekannt sind allgemein 12 V Batterien. 24 V werden bei LKW verbaut. 48 V sind in Wohnmobilen, auf Booten und Yachten anzutreffen. Dies alles sind Niedervolt-Technologien.

Hochvolt-Anlagen arbeiten mit Spannungen über 60 V DC, meist aber zwischen 100 und 200 V DC(!).

Warum diese Unterschiede? Das wird schnell erklärlich, wenn man die fließenden Ströme betrachtet: Bei Wechselrichterbetrieb und 5.000 VA nomineller Leistung AC, würden bei 12 V Batterien stolze 400 A, was 62 mm² dicke, damit auch schweres Kabel erfordert, bei Verwendung von 48 V Batterien und 104 A nur noch 4 mm², bei 200 V resultieren noch 25 A bei einem Kabelquerschnitt von lediglich 0,25 mm².

Allerdings sollen die vergleichsweise dünnen Kabel nicht zu Leichtsinnigkeit im Umgang mit hohen DC-Spannungen führen: alle Anlagen, die DC-Spannungen größer 60 V führen dürfen – AUSSCHLIESSLICH – von ausgebildetem Fachpersonal installiert und gewartet werden!

Die Daten des zu verwendenden Wechselrichters eingangsseitig bestimmt also die Batteriekonfiguration. Je höher die Eingangsspannung, z.B. 48 V statt 12 V, desto geringer der Preis.

Ein 24 V DC Wechselrichter mit 5 kVA schlägt mit 1.500 Euro zu Buche, die 48 V Ausführung mit rund 700 Euro.

In Hochvolt-Ausführung liegt ein dreiphasiger 5 kW Wechselrichter mit 150 V DC Eingang um 1.200 Euro, ein 8 kW mit 180 V DC bei etwa 1.400 Euro.

Wirtschaftlicher ist für den stationären Einsatz damit definitiv die Hochvolt-Variante.

Lade-Relativität im mobilen Einsatz

Nun wird ein Wohnmobil nicht nur stehen, sondern auch fahren. Bedeutet, die Batterien werden über den Ladebooster mit Strom von der Lichtmaschine geladen. Dies ist freilich schwer in eine Berechnung zu integrieren, da Fahrzeiten statistisch kaum erfassbar und damit zur Kalkulation hinzugezogen werden können. Aber, gut zu wissen, dass …

Ebenso wird man hin und wieder die Möglichkeit haben, sich eines Landstrom-Anschlusses zu bedienen und darüber die Batterien zu laden.

Kalkulierbare Konstanz im stationären Feld

Kalkulierbar insoweit, als mittlerweile ausreichend statistische Daten weltweit erfasst sind, die, unter Berücksichtigung aller relevanten Faktoren, Aufschluss über zu erwartende solare Erträge geben.

Theorie und Praxis differieren erfahrungsgemäß trotz aller Statistik, doch ist es hilfreich eine Idee zu bekommen, woran man in seiner Planung ist, wenn man über Platz x und Batteriekapazität y am Standort z verfügt.

Hier hilft das international aufgesetzte Online-Tool PVGIS ( PhotoVoltaic Geographical IOnformation System), das von der European Commission, Joint Research Centre, Energy Efficiency and Renewables Unit, via E. Fermi 2749, TP 450, I-21027 Ispra (VA) unterhalten wird.

IL documentazione des, auch intuitiv zu bedienenden, Online-Tools ist sehr umfangreich und deckt alle Fragestellungen, auch auf Verständnis- und Nomenklatur-Ebenen, ab.

Hersteller-Annahmen

Hersteller von Batterien oder Batterie-Systemen möchten ihre Systeme vorteilhaft präsentieren und geben dem Interessenten daher näherungsweise Vergleichsdaten an die Hand, die ihm eine etwaige Vorstellung der Speicherkapazität geben. So etwa die sinngemäße Aussage: Unser 10 kW Speichermodul eignet sich für einen Vier-Personen-Haushalt, inklusive Betrieb einer Wärmepumpe und eines E-Fahrzeugs.

Die Aussage als solche ist sogar tief gestapelt, denn der Jahresverbrauch eines solchen Haushalts wird seitens der Stromversorger im Mittel mit etwa 5 .. 7 kW im Jahr angegeben.

Einzig den Umstand, dass die gespeicherte und so verfügbare Energie auch wieder aufgefüllt werden muss, macht dieser positiven Annahme u.U. einen Strich durch die Rechnung: Die Sonne scheint naturgemäß zur Winterzeit nur einen Bruchteil der Sommerszeit, mithin ist der Ertrag bei Weitem nicht dem Verbrauch entsprechend.

Etwas mehr Klarheit schafft Experimentieren mit unterschiedlichen Parametern im o.g. PVGIS-Tool, das nachfolgend exemplarisch den Einfluss der Änderung unterschiedlicher Parameter für einen angenommenen Standort aufzeigt.

Beispielkonfigurationen und deren Resultate

Als Geo-Standort für alle folgenden Beispiele sei Düsseldorf-Volmerswerth mit den Koordinaten (WGS84) 51.188 (N), 6.749 (O) angenommen.

Mobiler Einsatz

Auf Grund der begrenzt verfügbaren Fläche für PV-Module wird von der Verwendung von zwei 575 Wp-Modulen ausgegangen. Als Variable dient die Batteriekapazität, die entsprechend mit zunehmender Größe größere Zeitspannen geringerer Sonneneinstrahlung erlaubt, andererseits aber auch längere Sonnenperioden erfordert, um einen vollen Ladezyklus zu absolvieren.

Der – permanent – mindestens mögliche Verbrauch wird als stete Größe als zwingend gegeben erachtet. Hintergrund: jeder Verbraucher, der verlässlich immer mit ausreichend Strom versorgt werden MUSS (z.B. auch medizinisches Gerät, wie Perfusoren, Beatmung, etc.), sowie Beleuchtung, Router und andere Verbraucher werden addiert, das Ergebnis als jederzeit und unter allen Bedingungen verlässlich verfügbare Mindestgröße festgelegt.

Stationärer Einsatz

Hier werden sowohl Modulfläche, als auch Batteriekapazität als Variablen betrachtet, lediglich der Verbrauch als statisch gesehen.

Eine grobe Richtschnur kann der, per täglicher Zählerablesung ermittelte, Min-Max-Tagesverbrauch während der Wintermonate dienen. Im Minimal-Szenario sollte der Betrieb der Geräte gewährleistet sein, die einerseits permanent, andererseits häufiger am Tag zum Einsatz kommen, besonders stromhungrige Geräte hingegen werden mit Bedacht in Betrieb genommen. Dies spart finanzielle Ressourcen in der Speicher-Auslegung.

Das Maximal-Szenario ermöglicht den Betrieb aller Geräte in üblichem Maße, ohne jegliche Einschränkung. Dies wäre als optionale Zielsetzung denkbar, wenn auch unter Einsatz größeren Kapitals.

Was wäre wenn …?

Simulation – Mobiler Einsatz

Ausgehend von einer flachen Montage der PV-Module (Neigungswinkel 0°) ergeben sich folgende Daten:

500 Wh garantierter Ertrag in den Wintermonaten bei 1.150 Wp und einer Batteriekapazität von 1.120 Ah, entsprechend 14.336 Wh, bei einer maximalen Entladung von 85 %.

Bei Tagesentnahmen größer 500 Wh läuft man Gefahr, dass die Batterien vollständig entladen werden, da die tägliche Sonneneinstrahlung nicht mehr zur deckenden Ladung ausreicht.

Eine Erhöhung auf 850 Wh zu entnehmender Leistung wird erst bei einer vierfach(!) höheren Batteriekapazität möglich und resultiert in einer bis zu 71 prozentigen Entladung.

Simulation – Stationärer Einsatz

Stationär wird man in Südausrichtung den Neigungswinkel zu optimieren suchen: eine Steigerung des Ertrages um bis zu 50 % ist die Folge. Als Standard gilt ein Neigungswinkel von 35°. Da die Sonne im Winter tiefer steht, zeitigt ein steilerer Winkel von 39° in den Wintermonaten einen höheren Ertrag. Steilere Winkel hingegen schlagen wieder in eine Minderung des Ertrages um.

750 Wh Tagesentnahme sind bei 39° Neigungswinkel, mit ansonsten identischen Daten, möglich.

Zum Vergleich Österby – Gotlands län, Schweden (51.188, 6.749) – hier ergibt erst ein Neigungswinkel von 69° eine mögliche Tagesentnahme von 500 Wh bei einer 85 prozentigen Entladung.
Eine Reduktion des Neigungswinkels auf 39° resultiert hingegen in einem Minderertrag von lediglich 10 %.
In Gegenden mit hohem Schneeaufkommen ist ein steilere Stellung allein schon deshalb sinnvoll, da hiermit eine Ablagerung von Schnee auf den Modulen vermindert wird.