Erstellt von Marcus | 24.01.2020
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Die Dimensionierung von Akkus und Solarmodule ist nicht ganz so einfach. Im Sommer zu viel, im Winter zu wenig. Auf zwei verschiedenen Arten berechnen wir Module und Akkus.

Inhaltsverzeichnis:

Stromverbrauch ermitteln

Als erstes sollten wir wissen, wie viel Strom wir pro Tag verbrauchen. Je nachdem für was die Solaranlage eingesetzt werden soll, muss ein durchschnittlicher Verbrauch ermittelt werden.

Für die Schuko-Steckdosen mit 230V im Haushalt gibt es günstige Messgeräte, welche zwischen Steckdose und Verbraucher gesteckt werden. Diese ermitteln und zeichnen den kWh Bedarf auf.
Einen Artikel dazu gab es bereits: Stromverbrauch messen und senken: In jedem Haushalt lässt sich Strom sparen.

Auch kann dein Stromzähler Aufschluss über deinen Verbrauch geben. Aber die wenigstens werden wohl ihren Strombedarf der ganzen Wohnung über Solarenergie decken wollen oder können.

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Ist dein täglich durchschnittlicher Verbrauch ermittelt, haben wir den ersten Wert für nachfolgende Berechnungen. Mein Tagesverbrauch liegt bei etwa 2,5 kWh, welchen ich für die Beispielrechnungen heranziehe.

Hilfreiche Beiträge:

Strom von den Solarmodulen oder Akkus nutzen?

Berechnet man die Ladeleistung von Akkus, wird meist ein Verlustfaktor von 1,3 einbezogen. In meinem Akku Laderechner habe ich dies ebenfalls mit einbezogen. Li-Ion Akkus haben weniger Verluste als Blei-Akkus.

Du kannst den Solarstrom entweder direkt verbrauchen oder Akkus laden und (wieder mit etwas Verlust) diesen Strom nutzen. In jedem Fall wird durch den Laderegler nur überschüssiger Strom in den Akku geladen und es ist ratsam am Tag, vor allem bei Sonne, die Energie für leistungsstarke Verbraucher zu nutzen. D.h. Backofen, Waschmaschine, Klimaanlage, elektrische Heizungen oder Elektroherd. So kannst du Verluste beim laden der Akkus umgehen und schonst zudem die Akkus. Diese sollten möglichst immer voll (Blei-Akku) sein. Lithium Akkus sollten gar nicht permanent voll geladen sein (80% sind ein guter Richtwert). Und je weniger du Akkus entlädst, umso geringer ist der Verschleiß. Werden nur wenig Prozente des Akkus entladen und wieder geladen, entspricht es auch nicht einer vollen Zyklenzahl. Die meisten Akkus haben eine Angabe der Zyklenzahl. Ältere Li-Ion z.b. 500 Zyklen.

Interessiert dich das genauer, gibt es hier bereits entsprechende Themen über den Blei-Akku und Ladeverfahren.

Wie viel Solarpower benötige ich?

Eine erste Frage ist zuvor, wann und wofür du Solarstrom nutzt.
Möchtest du aber vor allem am Tag den Strom nutzen, kann die Akkubank kleiner ausfallen, die Solarmodule sollten jedoch ausreichend Power haben. Wer vor allem in den Abend- oder Nachtstunden Strom benötigt, braucht Stromspeicher.

Eine Fastregel ist die 1:1:1 Strategie für Solaranlagen. Verbrauchst du im Jahr beispielsweise 5000 kWh, sollte eine 5 kWp (p steht für Peak) Solarmodul-Anlage und einen 5 kWh Akku ein Richtwert darstellen. Ein 12V 417 Ah Akku entspricht rechnerisch 5000 Wh (5 kWh) Formel: Ah x Nennspannung z.B. 12V. Beachte hier noch Ladeverluste und maximale Entladetiefe.

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In einem Beitrag hatte ich Solarenergie und Windkraft im Vergleich. In der dort angefertigten Statistik ist die Sonnenausbeute über das ganze Jahr aufgezeichnet und zeigt, wie wenig Solarstrom im Winter gewonnen werden kann.

Das sogenannte "Tal der Tränen" im Dezember und Januar. Je nach Überdimensionierung der Anlage kann das Tal der Tränen auch schon November bis Februar sein.

Statistik zu Sonnenstunden und Windenergie-Einspeisung Werte nach versch. Quellen (siehe unten). Durchschnittswerte für Deutschland nach Monat im Jahr 2016/2017 © Wohnen-Heimwerken.de

Statistik zu Sonnenstunden und Windenergie-Einspeisung
Werte nach versch. Quellen (siehe unten). Durchschnittswerte für Deutschland nach Monat im Jahr 2016/2017

Ich möchte dir damit aufzeigen, dass man hier einen Kompromiss eingehen muss. Entweder ist die Solaranlage überdimensioniert und damit teuer (Amortisationszeit), oder für den Winter deutlich unterdimensioniert. Der Blick zur Windkraft kann nicht schaden und vielleicht ist es in deiner Region auch angebracht. Neben Sonne und Wind gibt es unzählig weitere erneuerbare Energien.

Berechnung von Solarmodul-Leistung und Akkubank

Gehen wir davon aus, dass wir vor allem am Tag den meisten Strom nutzen. Der Tagesbedarf, zumindest bei mir, sind höchstens 2,5 kWh. Entsprechen etwa 900 kWh pro Jahr. Das liegt auch daran, das ich bereits mehrere kleine Inselanlagen betreibe und mir so gut es geht den Netzstrom spare.

Es müssen also 2500 Wattstunden innerhalb 24h bereitstehen.

Schauen wir in die Statistik zu den Sonnenstunden wird klar, dass zwischen allen Monaten eines Jahres pro Tag 4,5 Stunden durchschnittlich Sonne zur Verfügung stehen. Dabei müssen wir einberechnen, dass an einigen Tagen, vielleicht auch mal 2 Wochen, keine Sonne auf die Photovoltaikanlage scheint. Es muss also wieder zwischen Überdimensionierung und Speichergröße (Sicherheit) und stromfreien Tagen abgewogen werden.

Bitte beachte bei der ganzen Rechnung, dass die Power einer Sonnenstunde davon abhängt, wie nach bzw. weit weg diese ist. Im Winter steht diese Tiefer und hat einen längeren Weg zum Photovoltaikmodul. Checke die Globalstrahlung nach Monat und berechne den hohen Verlust in den Wintermonaten mit ein!
Deutscher Wetterdienst (dwd.de / Strahlungsdaten)

Kurzer Erfahrungsbericht: Im Winter bei Sonne bringt meine Anlage weniger als 50% der Nennleistung.

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In den durchschnittlich 4,5h Sonnenstunden müssen 2500 Wh erzeugt werden. Das sind umgerechnet 556 Watt pro Stunde (bei 4,5h). 1W x 1h = 1Wh.
Formel: 2500Wh : 4,5h = 555,6W pro Stunde.
Die Solarmodule müssen also mindestens diesen Wert von 556 Watt Nennleistung erreichen.

Meine ca. 15 Jahre alten deutschen Module haben einige Schwächen, die aus China sind von vornherein bisher mit mehr Leistung als angegeben geliefert wurden (110 Watt, angegeben 100 Watt). Hier ist die Degradation auf der Leistungsgarantie hübsch mit eingerechnet. Aber das in einem anderen Artikel.

Nun wissen wir, dass unsere Solarmodule mindestens 556 Watt Leistung haben müssen, um den durchschnittlichen Tagesbedarf von 2,5 kWh zu decken. Durchschnittlich übers Jahr!

Lesetipp: Sonnenstunden pro Jahr (und Monat) in Deutschland - 100% Autarkie erreichen möglich?

Wir könnten für weniger sonnige Tage einfach mit mehr Stromspeicher arbeiten, aber um diesen zu füllen, müssen wir Energie von den Modulen entnehmen. Es wird uns also nichts anderes übrig bleiben, mehr Solarmodule zu nutzen. Das gute: die kosten nur noch sehr wenig!

Schaut man sich die Modulpreise an, die die Investition nicht mehr so teuer wie noch vor einigen Jahren. Du kannst im Schnitt mit 1 Euro pro Watt rechnen. Je mehr Power ein Modul hat, desto günstiger ist es oftmals. Ein guter Preis sind 0,50 Euro pro Watt.

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Unsere Rechnung im Überblick:
Tagesbedarf, soviel müsste pro Stunde rein:
2,5 kWh x 1000 : 24h = 105 Watt pro Stunde (z.b. auch andere erneuerbare Energien interessant)

Tagesertrag nur Solar decken (bei durchschnittlich 4,5h Sonne pro Tag):
2,5 kWh x 1000 : 4,5h = 556 Watt

Verluste von 20-30% einkalkulieren! Beim laden von Akkus und das umrichten auf Wechselstrom oder andere Spannungen, ist nicht verlustfrei. Auch tief stehende Sonne im Winter hat weniger Strahlungsstärke.

Das ganze gibt es hier nun online als Rechner: Solarmodul-Leistung Rechner zur Tagesbedarfsdeckung

Der Solar-Stromspeicher

Würden wir uns an die oben genannte 1:1:1 Faustregel halten, müssten wir für die Beispielanlage einen etwa 2,5kWh Akku nutzen. Da im Privathaushalt (E-Auto einmal ausgenommen) Nachts wohl kaum Strom verbrauchen und Akkus teuer sind, kann der Akku meiner Meinung nach kleiner ausfallen. Bei Hausbesitzer ist das wieder anders, siehe Heizung, Wasserpumpen, Kläranlage etc.
Ein Akku muss uns durch schlechte Tage bringen können. Zudem ist wichtig, dass nicht die ganze Kapazität eines Akkus genutzt werden kann, um nicht in die Tiefentladung zu rutschen. Ebenso möchten wir nicht täglich (gar mehrmals täglich) einen vollen Akkuzyklus. Halten wir uns nahe an der Faustformel und unserer Beispielrechnung, würden z.b. Bleiakkus in der Größenordnung von 2500 Wh verbaut werden, entsprechen das 208Ah (Wh : V = Ah). Da wir nicht die ganze Kapazität nutzen wollen und können, muss dieser natürlich größer ausfallen. In der Regel 50% größer!

Lesetipp: Sonnenstunden pro Jahr (und Monat) in Deutschland - 100% Autarkie erreichen möglich?

Als sehr interessant erachte ich die neuen Li-Ion und LiFePo4 Speicher. Diese sind noch recht teuer, haben gegenüber den Blei-Dinosauriern viele Vorteile:
  • Hohe Ladezyklen
  • Müssen nicht immer voll sein
  • mehr entnehmbare Kapazität
Rechnet man sich die Vorteile, insbesondere Ladezyklen ein, sind diese im Schnitt sogar günstiger als Blei Batterien.

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Akku Empfehlung?

Für den stationären Betrieb eignen sich auch schwere Blei-Akkus. Eine vernünftige Solarbatterie oder ein moderner Li-Ion Speicher sind die sorgenfreien Systeme. Nutzt du ein Hauskraftwerk mit Netzstromeinspeisung oder Netzstrombezug mit Solarvorrang (Beispiel die E3 DC Geräte), sind oftmals die neuen Li-Ion Akkus die Standartwahl. Diese sind noch sehr teuer und meiner Meinung nach ist ein Pufferspeicher mit Blei-Akkus einfach kostengünstiger. Im Zuge der E-Autos wird sich das demnächst sicher ändern.

In 3 meiner Anlagen sind ein Verbund zyklenfeste Gel-Akkus verbaut. Beansprucht man diese nicht zu sehr, liefern diese ständig zuverlässig Strom. Die angegebene Zyklenzahl meiner ersten kleinen Anlage (Zyklenzahl 500) habe ich um das 3-fache bereits überschritten. Die Kapazität ist geringer geworden, aber kein Grund diese vorzeitig auszutauschen. Anders sieht das bei den USV (unterbrechnungsfreie Stromversorgung) aus. Diese sind öfters zu wechseln und in meinen Augen ist das einfach eine zu harte Beanspruchung und das falsche Lade- und Entladeverfahren was die Akkus extrem altern lässt.

In der Rechnung nicht enthalten:
Im Winter bringen Solarmodule nicht die volle Leistung, da die Sonne sehr tief steht. Hier absorbiert die Atmosphäre viel Energie (Stichwort: Air Mass Coefficient / Luftmasse Koeffizient). Auch der Winkel der Module ist mitentscheiden. Im Hochsommer und bei stark aufgeheizten Solarmodulen, könnte die Nennleistung ebenfalls nicht ganz erreicht werden. Hierbei lohnen sich Solartracker, die als Schnittstelle für Smartphone-Apps oder PC Programme in hochwertigen Ladereglern (meist MPPT) enthalten sind.
Nach bestem Wissen und Gewissen.
Sonnige Grüße, dein Marcus

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