Photovoltaik und Wärmepumpe: Jahresbilanz

Nach einigen ausgewählten Tageskurven folgt hier die Jahresübersicht: Das war des erste Solarstromjahr der Siedler. Von Juni 2015 bis Mai 2016 …

  • … hatte die Siedlerhütte 6.600 kWh Strom verbraucht.
  • Davon verbrauchte die Wärmepumpe ca. 3.600 kWh
  • … um daraus 16.800 kWh Heizenergie zu erzeugen (inkl. Warmwasserbereitung) – in einer milden Heizsaison.
  • Damit bleiben 3.000kWh sonstiger Stromverbrauch für Haushalt, Büro, Steuerung und Hilfspumpen.

Die Photovoltaikanlage ….

  • hatte insgesamt 5.600 kWh ‚erzeugt‘ – kein schlechter Wert für eine 4,8kW-Anlage mit SO- und SW-orientierten Modulen.
  • Davon wurden 2.000 kWh direkt verbraucht und der Rest eingespeist.
  • Pro Tag wurden maximal 33,24kWh erzeugt (am 22.05.2016)

Die Monatsbilanzen zeigen den krassen Unterschied zwischen Sommer und Winter: Im Sommer kann der Bedarf der Wärmepumpe leicht durch die PV-Ernte abgedeckt werden, aber im Winter wird nur ein Bruchteil der täglich benötigten Heizenergie überhaupt erzeugt.

In den folgenden Diagrammen wird…

  • die monatliche PV-Erzeugung dargestellt als Summe aus der sofort im Haus verbrauchten PV-Energie und der ins Netz eingespeisten Energie.
  • Der monatliche Stromverbrauch ist die Summe von direkt verbrauchter PV-Energie und aus dem Netz bezogener Energie und
  • … und wird zum Vergleich dargestellt als Summe des Energieverbrauchs der Wärmepumpe und aller anderen Geräte.

Monatliche Energiebilanzen zur Photovoltaik-Anlage: Direktverbrauch, Einspeisung, Netzbezug,

Monatliche Energiebilanzen: Stromverbrauch des Kompressors der Wärmepumpe und aller anderen Geräte im Haushalt

Im Juni werden nur 300kWh benötigt – davon werden 200kWh direkt von der PV-Anlage geliefert (die insgesamt über 700kWh produziert). Im Januar dagegen werden 1100kWh benötigt und die PV-Anlage produziert nicht einmal 200kWh – da würde auch keine Batterie helfen.

In Januar sieht die Bilanz auch für jeden einzelnen Tag eher jämmerlich aus:

Tagesbilanzen PV-Energie Januar 2016: Direktverbrauch, Netzeinspeisung

Tagesbilanzen Januar 2016: Gesamter Stromverbrauch, Kompressor Wärmepumpe

Oft werden nur einige kWh geerntet, aber die Wärmepumpe benötigt fast immer mehr als 25kWh. Wenn die Siedlerhütte heute in Niedrigenergiebauweise neu gebaut würde, würde sich der Heizenergiebedarf bestenfalls halbieren – aber selbst dann würde die PV-Energie bei Weitem nicht ausreichen.

Im gesamten Jahr wurden 30% des Stromverbrauchs direkt von der PV-Anlage gedeckt (Autarkiequote = PV-Direktverbrauch / Stromverbrauch) und 35% der PV-Produktion wurden sofort genutzt (Eigenverbrauchsquote = PV-Direktverbrauch / PV-Erzeugung):

Kennzahlen zur Photovoltaik-Anlage: Eigenverbrauchsquote und Autarkiequote

Diese Quoten sind jetzt nicht wesentlich höher als typische Kennwerte, wie sie für Häuser ohne Wärmepumpenheizung angegeben werden. Trotzdem bewerten die Siedler diese Zahlen positiv aus wirtschaftlicher Sicht:

‚Rendite‘: Insgesamt haben die Siedler € 575 gewonnen – durch Netzeinspeisung um ca. € 0,06 / kWh und zu einem größeren Teil durch Eigenverbrauch von Strom, der sonst € 0,18 / kWh kosten würde. Bei typischen Anlagenkosten von € 2.000 pro kW-Peak ist das eine Rendite von fast 6% – nicht schlecht in Zeiten von Diskussionen über Negativzinsen.

Vergleich mit den Heizkosten: Die Wärmepumpen-Stromkosten (€ 0,18 / kWh) haben in diesem Jahr ca. € 650 betragen. Damit konnten die Heizkosten fast mit dem PV-Gewinn abgedeckt werden und die Siedler waren zu 88% ‚finanziell heizenergieautark‘.

‚Regionalpolitiker-Pseudoautarkie‘: Wie die regionalen Fürsten könnten sich auch die Siedler damit brüsten, dass ihre persönliche Region übers Jahr gerechnet fast autark ist: 85% der verbrauchten elektrischen Energie wurden von der PV-Anlage geliefert – wenn auch nicht unbedingt immer zum richtigen Zeitpunkt.

Würde sich eine Batterie rechnen? Auf der Basis typischer Lastprofile und Kennwerte könnte die Autarkiequote von 30% auf 55% gesteigert werden (für eine ausführlichere Rechnung und Verweise siehe diesen elkementaren Artikel). Damit könnten weitere ca. 2.000kWh selbst verbraucht werden und der Profit würde entsprechend der Differenz von Stromkosten (€ 0,18) und Gewinn beim Einspeisen (€ 0,06) steigen – um € 240 pro Jahr. Wenn eine Batterie also 20 Jahre leben würde, dürfte sie nicht mehr als ca. € 5.000 kosten, damit sie sich während ihrer Lebensdauer rechnet.

Siedler-Sonnenenergie: Zwischenstand

Einige Monate sind ins Land gegangen, seitdem die Siedler ihr Solarkraftwerk in Betrieb genommen hatten, ihre Zählerlandschaft erweitert und die Messdaten in ihre persönlichen Datenkrake integriert.

Wie sehen ‚die Zahlen‘ aus?

Besondere Tage und Effekte

Der Mai begann vielversprechend: Der absolute tägliche High Score seit der Inbetriebnahme wurde bereits am 11. Mai erzielt. Dagegen war die geringste gemessene Ausbeute an einem verregneten Septembertag eher jämmerlich:

PV: Tage mit max. und min. Ausbeute, Mai-Sept 2015

Der beste Tag: 11.Mai mit einer Ausbeute von fast 33 kWh. Der schlechteste Tag: 25.September bis nicht einmal 1 kWh. AC = Wechselspannung, Output-Leistung. DC = Gleichspannungs-Leistung der beiden Strings – 10 Module Richtung SO, 8 Module Richtung SW, 4,77 kWp insgesamt.

Die höchsten Leistungsspitzen wurden an sonnigen, aber nicht zu heißen, Tagen mit durchziehenden Quellwolken beobachtet – im Datenlogging (Intervall 5 Minuten) finden sich an drei Tagen einige wenige Spitzen mit 4,3 kW:

PV: AC-Leistung 2015-06-21

Typische Leistungsspitzen nahe an der Nennleistung des Wechselrichters (4,5 kW), abwechselnd mit Einbrüchen beim Durchzug von Wolken (Datenlogging Fronius Symo).

Noch weitere Details – und das ‚dramatische Ausmaß‘ dieser Spitzen – wird deutlich, wenn das Logging-Intervall auf 1-2 Sekunden erniedrigt wird:

PV: Leistung, Logging-Intervall 1-2 Sekunden

Leistung beim Durchzug von Wolken. Die Daten wurden einige Stunden lang mit einem Script direkt von der Website des Wechselrichters abgegriffen.

Die besonders hohe Leistung nach dem Durchzug von Wolken wird durch zwei Effekte verursacht:

  • Die ‚Fokussierung‘ von Strahlung (Reflexion oder Brechung) am Rand der Wolken – damit gelangt auf das ‚Loch‘ zwischen den Wolken mehr Strahlung (Details dazu siehe z.B. hier)
  • die zwischenzeitliche Abkühlung der Module, die zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades führt.

Ohne Temperatursensor in der Nähe der Module lässt sich nicht sagen, welcher Effekt überwiegt. Generell können die Siedler aber den negativen Effekt sehr hoher Temperaturen qualitativ nachweisen:

Als Referenzwert dient die gemessene Tagessumme der Globalstrahlung auf eine senkrechte nach SO ausgerichtete Fläche. Wir suchen zwei fast perfekte Tage mit gleicher gemessener Referenzstrahlung, mit wenigen Tagen dazwischen (daher geringem Unterschied im Sonnenstand) und sehr unterschiedlichen Temperaturen. Am Tag mit der höheren Lufttemperatur ist die Energieausbeute deutlich geringer:

PV: Vergleich von PV-Ausbeute, Globalstrahlung und Lufttemperaturen.

Vergleich der täglichen PV-Energie-Ernte mit der Globalstrahlung pro m2 auf eine senkrechte nach SO ausgerichtete Fläche und der mittleren und maximalen Lufttemperatur. Mit grün gepunkteten Linien markiert: 1.August und 12.August mit gleichen Globalstrahlungswerten, aber sehr unterschiedlichen Temperaturen und PV-Ernten.

Am 1. August war der Ertrag trotz einigen Wölkchen höher als am 12. August, dem Rekordhitzetag dieses pannonischen Sommers:

PV: Vergleich heißer und kühlerer Tag im August.

An diesen beiden Tage wurde am Kollektor die gleiche Globalstrahlungssumme gemessen. Die Unterschiede in der PV-Leistung können in erster Linie durch die sehr unterschiedlichen Lufttemperaturen erklärt werden. (Logging Symo-Wechselrichter, kombiniert mit Daten UVR1611 / CMI).

Statistik

Zur Beurteilung wie gut die Anlage zum Eigenverbrauch ‚passt‘ kann man den direkt in der Siedlerhütte verbrauchten PV-Strom entweder mit dem eigenen Gesamtverbrauch vergleichen oder der gesamten täglichen PV-Ausbeute:

PV: Direktverbrauch, Netzbezug, Netzeinspeisung monatlich.

Monatsübersichten. Der Mai ist nicht vollständig, da die Anlage mit Zähler erst am 5.5. in Betrieb genommen wurde. Eigenverbrauchsdaten wurden bis Mitte Juni täglich manuell vom ’smarten‘ Zähler des Netzbetreibers abgelesen (Siemens AMIS TD-3511 und ab dann aus dem Logging des eigenen, zusätzlichen (wirklich) smarten Zählers ermittelt (B-Control EM210, Intervall 15 Minuten).

In der Sprache der PV-Kennzahlen: Die Siedler konnten Juni-August 60% ihres Bedarfs ‚direkt von der Sonne‘ decken (Autarkiequote) bei einer Eigenverbrauchsquote von ca. 25%; im September sinkt die Autarkiequote und steigt der Eigenverbrauch:

PV: Autarkiequote vs. Eigenverbrauchsquote

Autarkiequote: PV-Direktbezug zu Siedlerhüttenverbrauch. Eigenverbrauchsquote: PV-Direktbezug zu PV-Ernte.

Dieses Bild wird sich in der Heizsaison schlagartig ändern. Am ‚jämmerlichsten‘ Tag, dem 25. Sept., konnte z.B. eine Eigenverbrauchsquote von 100% erreicht werden, da die Solarausbeute gering war und sich der Herzschlag von LEO_2 an diesem Tag mit dem ersten Heiz-Lebenszeichen bemerkbar gemacht hatte:

PV: September 2015, tägliche Energiebilanz

Wie man aus dieser Darstellung erahnen kann, bieten die Energieverbrauchsdaten auch einen Fingerabdruck des nicht allzu aufsehenerregenden Lebens der Siedler. ‚Aus Sicherheitsgründen‘ werden diese Messdaten daher immer erst nachträglich veröffentlicht. (Na ja, im Voraus wäre es ohne Zeitmaschine ohnehin nicht möglich…)

Im Juli beispielsweise konnten die Siedler während einer dreitägigen Forschungsreise ihrem minimalen täglichen Stromverbrauch ermitteln:

PV: Juli 2015, tägliche Energiebilanz

Die Siedlerhütte hatte tatsächlich täglich 4 kWh benötigt, um sich mit sich selbst zu beschäftigen. Die genaue Analyse und Reduktion dieser Grundlast ist Thema eines neuen Forschungsprojektes und zukünftiger Geschichten.