| Wissenswertes, Glossar | n9o6 bearb. am 22.10.2023 | copyright by | |
Hier haben wir einige wissenswerte Informationen rund um das gesamte Thema "Energieversorgung Gebäude" zusammengestellt.
Photovoltaik
Elektrischer Aufbau eines "Solarmoduls"
Ein Solarmodul besteht aus einer Anzahl einzelner Solarzellen -vergleichbar mit kleinen Batterien-, die "in Serie", d.h. hintereinander geschaltet sind. Jede Solarzelle liefert eine Spannung von ungefähr 0,65 V. Demnach liefert ein Modul mit 50 Zellen 32 V und das ist der Wert, der in den Datenblättern als Ausgangsspannung des Moduls gefunden wird. Der Strom durch die Zellen ist bei der Serienschaltung natürlich an allen Stellen derselbe. Charakteristisch für Solarzellen ist, dass sie bei geringer Sonnenbestrahlung zwar sofort die volle Spannung liefern ("Spannungsquelle"), aber der Strom abhängig ist von der Intensität der Bestrahlung. Es gibt nun die sog. Halbzellen-Module, deren halbe Zellen eben auch die halbe Spannung liefern.
Der Begriff der Serienschaltung hat es nun in sich: die Vermutung, es mache doch nichts aus, wenn von den vielen kleinen Zellen ein paar nicht funktionieren oder abgeschattet sind, ist FALSCH. Dies wäre bei einer Parallelschaltung richtig, die aber nicht vorliegt. Merke: wenn bei einer Serie auch nur ein Glied der Serie ausfällt, haben wir keine Serie mehr. Dies kann neben einer mechanischen Beschädigung etwa durch Steinschlag auch durch Abdeckung, etwa durch Vogelkot leicht passieren. => regelmässige Kontrolle und ggf. Reinigung ist Pflicht ! Vorbild ist die 12 V Autobatterie, bestehend aus 6 Zellen a 2 V. Wenn eine Zelle ausgefallen ist, liefert die ganze Batterie keinen Strom, obwohl sie vielleicht noch 11 V Spannung hat.
"Bifaciale Solarmodule" (mit "zwei Gesichtern") sind in erster Linie ein Werbegag: zum Beispiel werden solche Module "mit 140 Zellen" angeboten. Bei genauerer Betrachtung zeigt sich: jeweils die Hälfte der Zellen, also 70 Zellen sind auf der Ober- und Unterseite plaziert und dem Kunden wird nun sugeriert, dass die Zellen auf der Unterseite einen Beitrag zum Ertrag "von bis zu 20%" leisten könnten. Dies ist mitnichten der Fall, da die Module dies zwar leisten könnten, aber schlicht das Licht fehlt: die Unterseite eines auf einem Dach montierten Solarmoduls erhält von der dunklen Oberfläche des Daches, das naturgemäß im Schatten liegen muss, einen Bruchteil der sog. diffusen Strahlung, die auch unter weniger abgeschatteten Verhältnissen im Bereich von 1% des direkten Sonnenlichts beträgt, also fast nichts. Allerdings haben diese symmetrisch gebauten Module einen Vorteil, der meist keine Beachtung findet: durch ihre symmetrische Bauweise kann man sie im Schadenfall umdrehen ! Die Unterseite und die Oberseite sind bei diesen Modulen parallel geschaltet und symmetrisch aufgebaut, so dass es elektrisch gesehen keinen Unterschied macht, welche der Seiten "oben" ist.
Inverter (deutsche Handelsbezeichung "Wechselrichter")
Der deutsche Begriff Wechselrichter zeigt etwas besser, worum es hier hauptsächlich (aber nicht ausschließlich!) geht: es gibt Gleichstrom (DC) und Wechselstrom (AC) und Begriffe wie Gleich-Wechelrichter oder Wechsel-Gleichrichter zeigen sogar die Richtung der Umwandlung an. Der englische Begriff des Inverters ist etwas irreführend, denn hier wird nichts invertiert, aber der Begriff hat sich eingebürgert für ein Gerät mit vielen Aufgaben:
Transferleistung AC-AC: Beim sog. "hybriden Anschluß", also ans öffentliche Netz gekoppelt, wird zunächst der am AC-Eingang anliegende Strom aus dem öffentlichen Netz an den AC-Ausgang Richtung Verbraucher / Verteilerkasten durchgeleitet. => der Inverter, der nach seinem Einbau quasi den Hausanschluß repräsentiert, muss hinsichtlich der Leistungsklasse also das können, was der Hausanschluß seitens des Versorgers auch kann. Der typische deutsche Hausanschluß eines Privathauses ist ein 10 kW-Anschluß.
Einspeiseleistung PV => Verbraucher / DC => AC Leistung: Von denn in Serie geschalteten Solarmodulen auf dem Dach kommt beispielsweise eine Gleichstromspannung von 800 V DC an. Verbraucherseitig wollen wir aber 240 V AC haben. Es muss der ankommende DC-Strom also zerhackt und umgeschaltet werden, damit ein 50 Hz Wechselstrom entsteht und zusätzlich muss die Wechelstromspannung auf 240 V gebracht werden.
Ladeleistung PV (DC) => Batterie (DC): Die PV liefert im Beispiel 800 V DC, der verbaute Batteriestack hat aber nur 48 V DC. Da sich Gleichstrom aber nicht ohne weiteres transformieren läßt, muss zunächt wiederum Wechselstrom erzeugt werden, damit dieser im nächsten Schritt wieder in den Gleichstrom verwandelt wird, den der Batteriestack als Ladespannung benötigt.
Entladeleistung Batterie DC => Wechselstrom Verbraucher AC: hier wird die DC-Spannung des Batteriestacks (12 V, 24 V, 40 V oder Hochvoltsystem mit zum Beispiel 160 V) auf 240 V AC Wechselstrom gebracht.
Einspeisung ins Netz = "Transferleistung rückwärts": die DC-Leistung der PV wird wiederum auf 240 V Wechselstrom gebracht, aber auf den eigentlichen AC-Eingang vom öffentlichen Netz aufgeschaltet.
Kommunikation und intelliegente Steurerung / Regelung: die Geräte sind ausgestattet mit Sensoren und Kommunikationsschnittstellen zu PV-Modulen und Batteriestack und erfassen die verbraucherseitige Leistunsanfrage. Sie kennen insbesondere den Ladezustand der Batterie und die momentane Leistung der PV-Module und sind so in der Lage, eine fehlende Leistung aus Eigenprodukuktion aus dem Versorgernetz zu ergänzen oder auch überschüssige, nicht mehr speicherbare oder unmittelbar verwendbare Leistung dorthin einzuspeisen.
=> Man erkennt, dass dieses Gerät verschiedenene Baugruppen hat, die jeweils getrennt voneinander arbeiten müssen und demzufolge jeweils ihre eigenen Spezifikationen haben. Die Aussage "ich habe einen 10 kW-Inverter installiert" relativiert sich also hinsichtlich der Aussagekraft. In der Praxis ist es so, dass sich die Angabe "Inverter mit x kW" auf die Transferleistung bezieht, während die Einspeiseleistung und die Lade-/Entladeleistung ca. 20% darunter liegen. Die Hersteller wählen hier vernünftige Verhältnisse. Auch sind hier Sicherheiten eingebaut, über die man aber kaum vernünftige Informationen erhält.
Auswahl eines Inverters
Anschlußart und Leistungsklasse
Der Inverter ist das zentrale Element der gesamten Installation. Hinsichtlich der Leistungsklasse und der Anschlußart sollte er das können, was der Hausanschluß auch kann: wenn der Hausanschluß 10 kW Drehstrom (also 3 Phasen) hat, sollte der Inverter das auch können, also 10 kW 3 Phasen.
"Hybrider Anschluß" meint die Verbindung mit dem öffentlichen Versorgernetz. Das Gegenstück dazu ist die Insellösung, bei der man in der Entscheidung frei ist.
Ersatzstromfähigkeit / Notstromfähigkeit
Wenn man trotz voller Batterie und vorhandener PV-Leistung am Tag bei Stromausfall nicht stromlos sein möchte oder kann, muss der Inverter ersatzstromfähig sein. Diese Eigenschaft haben beileibe nicht alle Inverter !
Wenn z.B. 10 kW zwingend benötigt werden und zwar auch bei Stromausfall, dann muss man bei der Auswahl auf die Einspeiseleistung und die Entladeleistung s.o. achten und den Inverter eventuell eine Klasse größer wählen.
Größere Installationen / mehrere Inverter
Hier ist möglichst auf Baugleichheit bzw. zumindest auf denselben Hersteller zu achten ! Dies gilt zwingend dann, wenn Ersatzstromfähigkeit verlangt wird. Dies bedeutet nämlich, dass die Inverter über eine Kommunikationsleitung verfügen müssen, mit deren Hilfe sie ihre 50 Hz AC Wechselstrom-Ausgänge synchronisieren können.
Batteriestacks
Der Einsatz von Batteriespeichern in diesem Anwendungsbereich bedeutet reglemässig eine sog. Tiefentladung der Batterien, da nur so die vorhandene Batteriekapazität auch gut wirklich ausgeschöpft werden kann. Demnach werden für Batteriesysteme als Qualitätsmerkmal der zulässige Wert für die Tiefentladung in % der Gesamtkapazität angegeben (= DOD-Wert) und dazu die Anzahl der Tiefentladezyklen (Cycles), nach deren Abarbeitung noch 80% der ursprünglichen Kapazität der Batterie (in kWh) vorhanden sind.
Stand der Technik sind Cycles = 6.000 bei DOD = 95%
6000 Zyklen / 365 Tage = 16,5 Jahre, wenn täglich eine solche Tiefentladung stattfindet. Nach rund 16 Jahren Betriebszeit wären also noch 80% der ursprünglich installierten Nennkapazität der Batterien vorhanden. Bei kleineren Systemen würde man dann die Batterie aber nicht austauschen, sondern ggf. einfach eine weitere Batterie gleichen Typs bzw. gleicher Spannung parallel dazu schalten und hat dann mehr Speicherkapazität als vorher.
Diese Art Batterien verfügen über ein eingebautes Batteriemanagement-System (BMS), welches die Batterie schützt vor zu großer Tiefentladung und vor Überladung. Auch wenn in manchen Systemen der Hersteller eine Verbindung zum Inverter besteht bzw. angegeben wird: das BMS ist primär Bestandteil jeder einzelnen Batterie und hat mit dem Inverter erst einmal nichts zu tun, wenngleich eine Datenverbindung zum Inverter bedeutet, dass dieser zusätzliche Informationen über den Zustand der Batterie erhält.
Solarthermie
Solarthermie-Module sind im Prinzip (meist wasser-) durchflossene Sammler, welche die Solarstrahlung konzentriert dem im Umlauf befindlichen Medium zuführt. Es wird also ohne Umwege direkt Wärme erzeugt. Hierbei werden Temperaturen bis 80 °C erreicht, welche durch einen einfachen Umlauf der Kesselanlage (Heizung, Warmwasser) zugeführt werden. Ohne an dieser Stelle auf den rechnerischen Hintergrund einzugehen, kann gesagt werden, dass der sog. "energetische Flächenertrag", auch als "Wirkungsggrad" bezeichnet, bei der Solarthermie mit bis zu 80% (thermisch) wesentlich höher ist als bei der Photovoltaik mit derzeit noch ca. 20 % (elektrisch).
Genauer ausgedrückt: die ankommende Solarleistung in W/m2 wird bei der Solarthermie zu 80% in thermische Leistung umgewandelt, während sie bei der Photovoltaik nur zu 20% in elektrische Leistung umgewandelt wird.
Im Ergebnis bedeutet dies, dass mit relativ wenig Dachfläche ein sehr wirksamer Energieeintrag in die Kesselanlage erreicht wird. (wenn die Sonne scheint.)
Diese Seite ist eine offene Liste einzelner Themen, die wir im Lauf der Zeit weiter füllen werden.
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