Photovoltaik PV / Solar DIY █

 

Viele klagen über stetig steigende Kosten und u.a. auch über den Strompreis. Jeder kennt Solarzellen. Jeder weiß, dass Solarzellen Sonnenenergie in elektrische Energie umwandeln können. Aber kaum einer nutzt sie. Warum ist das so? Vom "Hören-Sagen" glaubt man zu wissen, dass eine Photovoltaik-Anlage, also eine sog. Solar-Anlage, in der Anschaffung extrem teuer sei und daher zwingend durch staatliche Zuschüsse finanziert werden müsste. Viele glauben, man müsse größere komplizierte Elektroumbauten in einem Haus in Kauf nehmen, um so ein Vorhaben zu realisieren. Und jeder denkt, man müsse zuerst mal ein Haus für eine Umsetzung haben. Zugegeben: Ein eigenes Hausdach mit Dachfläche in Richtung Süden ist von Vorteil, aber längst nicht zwingend erforderlich.
Viele stört die Tatsache, dass man die Energie, die man mit seinen eigenen Solar-Panels gewinnt nicht nur direkt selbst nutzen kann, oder dass man Sie nicht einfach für den nächsten Stromausfall speichern kann, sondern dass man diese ins Netz des Energieversorgers einspeisen muss und dafür „nur“ eine Einspeisvergütung nach dem EEG erhält. Und wenn man sich dazu entschließt, den selbst gewonnenen Strom für den nächsten Stromausfall speichern zu wollen, stellt man schnell fest, dass die Menge an Akkus, die dafür benötigt werden, zum einen ordentlich Platz wegnehmen, dafür aber viel Platz in der Geldbörse schaffen und dass diese auch nicht auf ewig halten, sondern kontinuierlich ausgetauscht werden müssen, da ihre Kapazitäten sinken. Die Einspeisvergütung vom Energieversorger ist natürlich weitaus niedriger, als das, was man selbst für seinen Strom pro KW/h zahlt. Um seinen „Strom“ dem Energieversorger überhaupt verkaufen zu dürfen muss man zusätzlich ein Gewerbe bei seiner Gemeinde anmelden. Ein eigenes Gewerbe bringt eine erweiterte Steuererklärung mit sich, mit der man sich zunächst befassen muss. Diese Tatsachen in Kombination mit baulichen Veränderungen am Haus, Terminen mit dem Energieversorger und rechtlichen Aufwänden können einem in Deutschland recht schnell die Freude an der so krampfhaft dahergewünschten Energiewende rauben.

 

Aber es gibt einen, dem ist das alles absolut egal – dem Strom.

 

Ein Elektron schert sich nicht im Geringsten darum, wohin es fließt, es fließt stets von Minus nach Plus und strebt unabhängig von Energieversorgern, staatlichen Organen, Einspeis-Zählern oder Kontoauszügen immer nur einen Potenzialausgleich an. Das Elektron ist unser Freund. Wir könnten mit ihm zusammenarbeiten.
Was benötigen wir also, um mit unserem Freund dem Elektron gemeinsame Sache zu machen? Wir benötigen eine oder mehrere Solarzellen und etwas, das unserem Elektron den Weg zu unseren Verbrauchern oder zu unserem Energieversorger ebnet.
Aber Solarzellen sind doch sooo teuer! Wirklich? Es kommt natürlich darauf an, welche Art von Solarzellen man haben möchte. Solarzelle ist nicht gleich Solarzelle. Grob unterscheidet man zwischen monokristallinen, polykristallinen und Dünnschicht-Zellen. Die Zellen unterscheiden sich aufgrund ihres Aufbaus zusammengefasst im Wirkungsgrad und im Preis. (Details dazu weiter unten) Ich persönlich würde für einen Standort in Deutschland monokristalline Solarzellen bevorzugen. Diese sind auch mit am teuersten. Wenn man sich die Mühe macht, und ein wenig recherchiert, findet man z.Zt. im Internet bereits Solarmodule aus monokristallinen Zellen mit bis zu 200W für unter 200,- EUR. Am 1. Februar 2017 begann der Insolvenzverkauf des deutschen Unternehmens „SCN-Energy“ aus Torgelow. Dort konnte man z.B. ein 185W Solarpanel, bestehend aus 72 monokristallinen Solarzellen für 112,- EUR inkl. Speditionsversand bis vor die eigene Haustür erwerben. Das „SCN-170/185-72M“ misst 158cm x 81cm und passt somit z.B. hervorragend an eine Balkontür. Sofern man kein Haus sein Eigen nennen kann, passen solche Module (die Größe ist eine Normgröße) natürlich auch von innen hinter das Fensterglas. Zugegeben, Sonnenlicht wird in Teilen sicherlich von Fensterglas reflektiert und auch eine Ausrichtung wird hinter einem Fenster nicht 100%ig perfekt erfolgen können, aber sofern man das Glück hat, dass immerhin das Fenster oder die Balkontür in die richtige Himmelsrichtung zeigt, warum sollte man es nicht nutzen?

 

Es bleibt die Frage, wie wir unserem Freund dem Elektron, den Weg zu unseren Verbrauchern ebenen. Z.B. zu unserem Kühlschrank, der permanent „Strom“ verbraucht. Niemand will zusätzliche Kabel durch seine Wohnung spannen und niemand möchte oder darf Schlitze in die Wände seines Vermieters hauen um Kabel zu verlegen. Was bleibt unserem gesittetem Elektron also als einzige Option den Weg in unser Stromnetz zu finden? Richtig, eine unserer Steckdosen in der Wand! Wir sind es gewohnt, dass aus unseren Steckdosen nur „Strom rauskommt“. Ohne zu wissen, was Stromfluss eigentlich technisch bedeutet ist es uns zunächst unvorstellbar, dass dort wo wir stets etwas „rausholen“ auch etwas „reingehen“ kann. Aber:

 

Dem Elektron ist alles egal.

 

Das Elektron reiht sich freudig in die Party aller anderen Elektronen unseres Energieversorgers ein und rauscht Richtung Verbraucher, denn nur dadurch kann es einen Potenzialausgleich schaffen. Es rast mit allen anderen Elektronen z.B. zu unserem Kühlschrank, oder unserem Föhn, unserem Fernseher oder unserem Computer. Party!
Was aber macht unser Elektron, wenn tatsächlich einmal alle Verbraucher im gesamten Haushalt (ja, sogar der Kühlschrank und die Heizung) ausgeschaltet sein sollten? Wo soll oder will es hin? Einen Stromspeicher, bestehend aus teuren, verhältnismäßig kurzlebigen Akkus wollten wir nicht. Unser Elektron hat absolut nichts im Hausnetz, wo es gebraucht werden könnte. …bis auf den Stromzähler! Grob gibt es zwei Arten von Stromzählern: Es gibt digitale Stromzähler und ältere analoge Stromzähler, sog. Ferraris Zähler. Ferraris Zähler sind die mit dem horizontalen Rädchen, welches sich je nach Stromverbrauch schneller oder langsamer dreht. Digitale Stromzähler haben stattdessen ein Display. Kommt unser Elektron an einem analogen Ferraris Stromzähler an, so kann es diesen entweder bremsen, oder, sofern gar nichts im Haushalt verbraucht wird, sogar „überspringen“. Überspringen bedeutet: es wird ins öffentliche Netz eingespeist und das Zählerrad dreht sich sogar rückwärts. Ein digitaler Stromzähler lässt unser Elektron auch zurück ins öffentliche Netz, aber leider kann ein digitaler Stromzähler nicht rückwärts laufen/zählen. Unter der Voraussetzung, dass also tatsächlich im gesamten Haushalt kein Kühlschrank, keine Gefriertruhe oder eine Heizung Strom verbraucht und der Haushalt einen digitalen Stromzähler hat, verschenken wir unser Elektron unserem Energieversorger. Im Falle eines analogen Ferraris Zählers dreht sich das Rad genauso schnell rückwärts, wie vorwärts pro KW/h. Genauso schnell bedeutet: Wir erhalten als Einspeisvergütung genau den selben Geldwert, wie wir selbst für die KW/h bezahlen. Ja, wirklich.

Jemand, der sich mit seinem Stromnetz zuhause auskennt oder schon mal seinem Elektriker beim Anschluss eines E-Herdes mit Herdplatten zugeschaut hat weiß, dass es in jedem Hausnetz drei sog. Phasen gibt. An jeder Steckdose kommt nur eine dieser drei Phasen an. Es sind also nicht alle Haushaltsgeräte auf der selben „Leitung“ miteinander verbunden. Unser Kühlschrank hängt vielleicht nicht an der selben Phase wie die Heizung oder der Föhn im Bad und vielleicht auch nicht an der selben Phase wie an der Steckdose, wo unser Elektron eingespeist wird. An der Stelle des Gedankenexperiments ist es wichtig zu wissen, dass analoge Ferraris Zähler als auch moderne digitale Zähler die drei Phasen (welche alle drei sich einen Zähler teilen) saldieren. D.h. dass selbst wenn alle Verbraucher an der selben Phase in die unser „Solar-Elektron“ eingespeist wird, ausgeschaltet sind, so wird rein rechnerisch(wirtschaftlich) unser Elektron doch von unserem Kühlschrank auf einer der zwei anderen Phasen verbraucht.

Am 17. März 2017 gab übrigens Deutschlands größter Verteilnetzbetreiber, die Westnetz GmbH im Streit um die Nutzung kleiner Solarmodule für Balkone und Terrassen dem öffentlichem Druck nach. Ab sofort ermöglicht Westnetz den Anschluss der Module auf unbürokratische Weise: In ihrem Versorgungsgebiet genügt es für Nutzer jetzt, Namen und Adresse, Leistung und Fabrikat der Module zu melden, dann können diese dort bis zu einer Leistungsgrenze von 300 Watt de facto ohne sonstige Auflagen in die Steckdose gesteckt werden.

 

Wie schaffen wir es also in der Praxis dem Elektron aus den Solarzellen in unseren Stromkreis zu helfen?

Der einzige Unterschied zwischen dem „Strom“ in unserem Hausnetz und dem „Strom“ aus unseren Solarzellen liegt in seiner Spannung. Unsere Solarzellen erzeugen eine Gleichspannung (DC) im Bereich von 32V – 50V (Volt) und unsere Verbraucher im Hausnetz arbeiten alle mit einer 50Hz Wechselspannung (AC) mit 230V. Solarzellen erzeugen generell immer eine Gleichspannung. Die konkreten Werte beziehen sich auf das o.g. Solarpanel. Es gibt eine Vielzahl von Solar-Panels, die auch um die 18V oder 24V ausgeben. So oder so benötigt man aber stets ein Gerät zur Umwandlung in das Hausnetz. Dieses Gerät nennt man Wechselrichter oder „On-Grid Inverter“. On-Grid ist gleichbedeutend mit „am-Hausnetz“. Das Gerät transformiert (wandelt) also unsere niedrige Spannung in eine höhere (230V) und macht aus einer Gleichspannung eine Wechselspannung.

Die Schwierigkeit liegt darin, dass sich ein Inverter exakt der 50Hz Wechselspannung angleichen muss. Eine Wechselspannung nennt man eine elektrische Spannung, deren Polarität in regelmäßiger Wiederholung wechselt und deren zeitlicher Mittelwert gemäß Normung null ist. Eine Wechselspannung mit 50Hz bedeutet, dass dieser Wechselvorgang genau 50 Mal in einer Sekunde geschieht. In unserem Stromnetz verläuft dabei die Kurvenform der Spannung in einem exakten Sinusverlauf. Der Inverter muss also ziemlich clever sein, um unseren Solar-Strom genau zur richtigen Zeit mit genau der richtigen Spannung und der genau richtigen Wiederholung einzuschleusen. Diesen Vorgang nennt man Netz-Synchronisierung.

Es gibt Inverter, die ausschließlich zur Ausgabe des erzeugten Solar-Stroms dienen. An diese kann man Verbraucher direkt anschließen, sollte aber niemals versuchen solche Inverter mit dem Hausnetz zu koppeln/synchronisieren. Solche Inverter sind meist preisgünstiger und unterscheiden sich darin, dass sie keinen echten, puren Sinusverlauf der 230V Wechselspannung ausgeben, sondern einen sog. „modifizierten“ Sinus. Man könnte auch emulierten Sinus sagen. Das Gerät versucht eine Sinuskurve so gut wie möglich zu simulieren, wird bauartbedingt diese aber nie exakt erreichen. Für Verbraucher, die nicht übermäßig empfindlich, d.h. komplex konstruiert sind, reicht dies vollkommen aus. Eine Netzsynchronisation mit echtem Sinusverlauf würde aber gnadenlos scheitern. Im besten Fall fliegen dabei die Sicherungen im Sicherungskasten raus oder brennen im Wechselrichter durch. Im schlechtesten Fall geht der Wechselrichter in Flammen auf.

Deswegen sollte man bei der Wahl des Inverters nicht unbedingt den erstbesten oder preiswertesten wählen und genauer hinsehen. Außerdem unterscheiden sich Wechselrichter durch für den Außenbereich konstruierte Modell und welche, die nur für den Innenbereich zugelassen sind. Ausschlaggebend dafür ist die Schutzart des Gehäuses. Die für den Außenbereich geeigneten haben die Schutzart IP65 (vollständiger Berührungsschutz, Schutz gegen Eindringen von Staub und geschützt gegen Strahlwasser aus allen Richtungen). Schutzartbedingt sind Inverter für den Außeneinsatz stets passiv gekühlt, während Wechselrichter für den Innenbereich aktiv durch kleine Lüfter gekühlt werden. Die Kugellager der Lüfter verschleißen, werden immer lauter, bis sie u.U. irgendwann ganz ihren Geist aufgeben während der Lüfter selbst beim Kühlen einen Teil des erzeugten Stroms direkt verbraucht. Aus diesen Gründen empfehle ich passiv gekühlte Inverter mit IP55/65, egal ob diese innen oder außen zum Einsatz kommen, selbst wenn sie in der Anschaffung etwas teurer sind. Jeder Inverter, egal ob aktiv, passiv oder wasserdicht ist stets nur bis zu einer gewissen Leistungsaufnahme zugelassen. Es gilt also immer die passende Inverter-Dimensionierung zur Leistung der Solarpanelen zu wählen. Gute Wechselrichter mit echtem Sinus und IP65 erhält man z.B. von Envertech oder Enecsys.

Einen kleinen Haken gibt es allerdings noch bei der Konstruktion. Stellen wir uns einmal das Kabel vor, welches vom Wechselrichter aus kommend in unsere Steckdose führt. Es ist ein normaler männlicher Schutzkontakt-Stecker, so wie wir ihn auch von unserem Staubsauger oder unserer Kaffeemaschine kennen; mit einem Unterschied: An diesem Stecker liegt eine 230V AC Spannung an. Die Betonung liegt auf Stecker und nicht Buchse. Fassen wir den Stecker unbedacht wie ein normales Haushaltsgerät an, während die Sonne auf die Solarzellen scheint, bekommen wir einen elektrischen Schlag, so als würden wir in eine Steckdose fassen (= Gefahr für Leib und Leben). Deswegen sind Steckdosen alle weibliche Konnektoren (Dosen eben), damit man zumindest nicht aus Versehen an die beiden stromführenden Kontakte kommt. Viele kennen noch das Verlängerungskabel aus Großvaters Zeiten, das auf der einen Seite in den Elektrorasenmäher und auf der anderen Seite in die Steckdose gesteckt wurde. Dort sollte man tunlichst zuerst die Seite in den Rasenmäher stöpseln und dann erst in die Steckdose und nicht andersherum. Heute ist so etwas nicht mehr zulässig. D.h. derartige Konstruktionen sind nicht „VDE 4105 konform“. Der VDE (Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik) hat seit 1893 einen ganzen Sack voll elektrotechnische Normen und Sicherheitsbestimmungen für das Europäischen Komitee für Elektrotechnische Normung (CENELEC) und für die Internationale Elektrotechnische Kommission (International Electrotechnical Commission (IEC) erstellt, um uns alle vor unseren eigenen Denkaussetzern zu schützen. Um eine solche On-Grid Photovoltaik-Anlage also VDE-konform betreiben zu können, müssen wir sicherstellen, dass sobald man den Stecker aus der Steckdose in der Wand zieht, sich sofort der Inverter abschaltet, keine Spannung mehr am Inverterausgang anliegt und im Kabel vom Inverter zum Stecker kein Strom mehr fließen kann. Diese Abschaltung nennt man Inselerkennung und gehört zum „NA-Schutz“ (Netz- und Anlagenschutz, VDE-AR-N 4105). Sie muss innerhalb von 200ms greifen. D.h. es muss eine Logik geben, die innerhalb von 200ms erkennt, ob unsere Solaranlage eine vom restlichen Hausnetz autarke Insel ist. Für Interessierte, der NA-Schutz beinhaltet außerdem folgende Funktionen: Abschaltung innerhalb von 200ms ...

• bei einer Unterschreitung von 80% der Nennspannung
• bei einer Überschreitung von 111% bzw. 115% der Nennspannung
• bei einer Frequenz < 47,5Hz oder > 51,5Hz

Diese Funktionen sind allerdings nicht dazu gedacht unser Leben, sondern die Stabilität unseres allg. Stromnetzes zu schützen.

Selbst die kleinen Inverter von Envertech (z.B. der EVT 248 oder der EVT 500) besitzen bereits einen integrierten NA-Schutz. Die Enecsys Wechselrichter wie der SMI-S240W-72 leider nicht. Ich empfehle daher ausdrücklich einen Wechselrichter mit NA-Schutz und Inselerkennung.

Zu guter Letzt ist es natürlich ungemein interessant, wieviel Leistung in Watt oder auf ein Jahr gesehen in KW/h unsere PV-Anlage eigentlich liefert. Wechselrichter für größere Anlagen oder teils auch kleinere aktiv gekühlte bieten diese Möglichkeiten auf (großen) bunt beleuchteten Displays. Kleine Inverter wie der EVT 500 oder S240W-72 allerdings nicht. (Je größer und bunter ein Display, desto mehr Strom verbraucht es selbst.) Es gibt aber einfache Stromzähler für die Steckdose, die man z.B. zwischen jedes Haushaltsgerät und Dose stecken kann, um den genauen Verbrauch zu ermitteln. Die meisten solcher Geräte zeigen die momentane Leistung, rechnen diese in KW/h um und können, nachdem man seinen individuellen Strompreis eingegeben hat auch direkt den Verbrauch in Euro errechnen und anzeigen. Zusätzlich zeigen die Geräte die aktuelle Spannung und die Netzfrequenz an. Also fast mehr, als uns in der Praxis interessiert. Und umgekehrt funktionieren die Geräte genauso. Wir können uns anzeigen lassen, wieviel unsere PV-Anlage in Watt und KW/h leistet und wieviel Geld wir durch sie gespart haben. Es gibt sogar Zähler für die Steckdose, die wir per W-LAN mit unserer FritzBox verbinden und auf die wir über das Internet mit unseren Smartphones zugreifen könnten. Die daraus resultierenden Möglichkeiten sind nur durch die eigene Fantasie begrenzt. Selbst unsere Do-It-Yourself Photovoltaik-Anlage könnte also auch problemlos ein Bestandteil unseres Smart-Homes werden.

 

 

 

 

 

 

 

 

	Monokristallin	Polykristallin	Dünnschicht	CIGS
Wirkungsgrad	14 - 20 %	12 - 16 %	6 - 10 %	13 - 15 %
Schwachlichtverhalten	Einbußen bei diffusem Licht	Einbußen bei diffusem Licht	nur geringe Einbußen	nur geringe Einbußen
Wärmeverhalten	Einbußen bei hohen Temp.	Einbußen bei hohen Temp.	nur geringe Einbußen	nur geringe Einbußen
Kosten	teurer als Polykristallin und Dünnschicht	günstiger als Monokristalin und CIGS	günstiger als Monokristallin, Polykristallin und CIGS	bisher am teuersten
Langzeittest	sehr hohe Leistung, stabil, hohe Lebensdauer	hohe Leistung, stabil, hohe Lebensdauer	mittlere Leistung, etwas geringere Lebensdauer	geringere Leistung, im Winter aber höher, noch keine Langzeittests
Gewicht pro m²	höher	höher	niedriger	niedriger
Störanfälligkeit	sehr gering	sehr gering	gering	gering

FAQ – häufig gestellte Fragen

F: Wie kann denn ein Verbraucher an Phase L1 oder L2 den Strom verbrauchen, wenn ich z.B. nur auf Phase L3 einspeise? Die Phasen laufen zwar am Stromzähler zusammen, aber wir haben doch eine Phasenverschiebung und keine Phasensynchronisation?!

A: Technisch betrachtet ist das richtig. Ein Elektron, das wir auf L3 bewegen wird niemals an L1 oder L2 verbraucht werden können. Wirtschaftlich ist das jedoch völlig egal. Unser Elektron auf L3 bremst unseren Zähler um genau den Wert, der gerade auf L1 oder L2 verbraucht wird.

F: Alles gut und schön, aber jetzt habe ich eine Stromquelle HINTER meinem Sicherungskasten! Was passiert denn, wenn z.B. eine Sicherung oder gar der FI „rausfliegt“, die Leitung dann stromlos sein sollte, aber meine PV-Anlage weiter die Verbraucher speist? Ist das nicht gefährlich?!

A: Ja und nein. Wenn es so wäre, wäre es in der Tat gefährlich. Wenn Sicherungen „rausfliegen“, hat es immer einen guten Grund. Ein Verbraucher ist z.B. defekt und erzeugt deswegen einen Kurzschluss. Der Kurzschluss führt zu maximalem Stromverbrauch, die Leitungen werden heiß und laufen Gefahr zu brennen anzufangen. Deswegen kommt die Sicherung. Würde nun die PV-Anlage weiter Strom auf die Leitung geben, bestünde die Gefahr eines Kabelbrands. Hält man sich aber an die Empfehlung, nur einen Wechselrichter/Inverter mit NA-Schutz (nach VDE 4105) zu betreiben, so schaltet unser Wechselrichter nach spätestens 200ms die Stromzufuhr konsequent ab. D.h. spätestens 200ms nachdem die Sicherung „rausgeflogen“ ist, schaltet sich genauso unser Inverter ab und die Leitung ist frei. Und nein, so ist es nicht gefährlich.

 

F: Ich habe mir einen Envertech EVT 248 bzw. einen Kenovent M 248 gekauft. Das Gerät treibt mich in den Wahnsinn. Er will einfach nicht einspeisen und die Anleitung ist absolut mieserabel. Er blinkt immer rot.

A: Ja, das stimmt leider. Die in der Anleitung angegebenen 1 bis 2 Minuten bis Start sind z.B. Unsinn. Mein EVT 248 benötigte beim Test jedes Mal exakt 3 Minuten, bis er gestartet ist und einspeist - egal, ob nur 24V oder 30V anlagen. Da aus keiner Anleitung zum EVT 248 oder M 248 (egal ob auf Deutsch oder auf Englisch) ersichtlich ist, wie genau die LED sich verhalten soll, hier eine Erklärung dazu:

• Wenn in der Anleitung steht "LED leuchtet" ist damit stets "LED blinkt" gemeint. Es gibt keinen Status, wo die LED konstant leuchtet, weder grün, noch rot.
• Blinkt die LED gar nicht, ist entweder kein Solar-Panel angeschlossen, die Polung falsch, oder die Spannung zu niedrig.
• Blinkt die LED länger als 3 Minuten rot (an, aus, an, aus,... im gleichen Rhythmus) ist die Leistung des angeschlossenen Solar-Panels zu niedrig. Man kann zwar an einem 200W Panel auch bei geringen Lichtverhältnissen noch Spannungen um 37V messen, aber die Stromstärke geht dabei gegen Null und deswegen startet der EVT nicht.
• Ist die Sonneneinstrahlung ausreichend, blinkt der EVT 248 zuerst 3 Minuten gleichbleibend rot und wechselt dann zu grünem blinken.

Dann gibt es noch den Fall, dass der EVT ungleichmäßig rot blinkt, also z.B. "an, aus, an, aus, -PAUSE-, an, aus, an, aus -PAUSE-, ...) Der EVT möchte einem damit nichts Konkretes sagen, Es ist NICHT gleichbedeutend mit einem Fehlercode. Ich konnte z.B. auch "an, aus, ganz-kurz-an, aus, -PAUSE-, an, aus, ganz-kurz-an, aus, -PAUSE-,...) beobachten. Dieses Blinken hat genau die gleiche Aussage, wie gleichmäßig blinkendes Rot ohne Pausen. Es resultiert einfach daraus, dass die Leistung aus dem Solar-Panel dermaßen gering ist, dass nicht mal mehr ein gleichbleibendes Blinken aufrechterhalten werden kann. (Ich vermute der EVT besitzt Kondensatoren als Puffer, an denen dann nicht ausreichend Spannung anliegt.)