Drucken

Energie

Energie

aus: QUICUMQUE 1 2015

 

Photovoltaik_1Photovoltaik_2

Photovoltaik 

bei Engpässen

Wie man den eigenen Strom direkt nutzen kann

 

 

 

 

Es gibt sowohl netzgekoppelte als auch netzunabhängige Photovoltaikanlagen.

 

Bei Erstgenannten wird der erzeugte Strom direkt ins öffentliche Netz eingespeist und vergütet. Letztere kommen in unseren Breiten in der Regel in abgelegenen Ferienhäuschen und Almhütten zum Einsatz. Hier sind die Ansprüche an die kontinuierliche Verfügbarkeit von größeren und unterschiedlichen Strommengen meist gering. Anders formuliert: Inselanlagen eignen sich eher nicht für die Stromversorgung eines durchschnittlichen Haushalts. 

Seit etlichen Jahren gesellen sich technisch zunehmend ausgereiftere Zwischenlösungen dazu, bei denen eine Photovoltaikanlage zuerst eine große Batterie im eigenen Haushalt speist und Strom für den Eigenverbrauch zur Verfügung stellt. Nur überschüssiger Strom wird an die Energieunternehmen geliefert. Die Batterien gewähren durch die Speicherung einen hohen Grad an Unabhängigkeit.  

 

 

Mit 100% autarker Selbstversorgung

ist unter bundesdeutschem Himmel mit Photovoltaik aber nicht unbedingt zu rechnen:

 

Die Sonnenbatterie GmbH, derzeit wohl das einzige Unternehmen, das für seine Batterien eine Garantie für bis zu 10.000 Ladezyklen ausspricht, veranschlagt für eine vierköpfige Familie eine Photovoltaikanlage von 4 bis 6 kWp und eine Batterie von 4 bis 10 kWh. Nach Auskunft des Unternehmens reicht insbesondere in den Wintermonaten die Kraft der Sonne jedoch gerade mal für 30% des Bedarfs. Weitere 65 bis 68% ließen sich aus einem Mikro-Blockheizkraftwerk herausholen. Der vollständigen Autarkie stehen vor allem Leistungsspitzen entgegen, sprich: im Haushalt laufen zu viele Geräte gleichzeitig. Clevere Stromentnahme mit energiesparenden Geräten kann jedoch ein Weg in die Unabhängigkeit sein. Eine 40 bis 60 qm große Photovol-taikanlage könnte, je nach Standort, für eine Familie ausreichen.

Eine ganze Reihe Firmen bieten clevere Stromspeicherlösungen an. Batterien mit Kapazitäten für den Hausgebrauch erreichen dabei gerne mal die Größe eines Kleiderschranks. Trotzdem, oder gerade deshalb, bemühen sich viele Hersteller, das Nützliche mit dem Schönen zu verbinden. Die Sonnenbatterie wurde einem breiten Publikum bekannt, weil Fernsehen und Presse von Familie Schmitt aus der Eifel berichteten, die mit Photovoltaik, Mikro-Blockheizkraftwerk, Batterie und einer Onlineüberwachung ihres Stromverbrauchs die Unabhängigkeit von großen Stromunternehmen probt. Der ausschließlichen Selbstversorgung stehen laut „Spiegel“ aber auch bei den Schmitts Leistungsspitzen von bis zu 8000 Watt entgegen. Ein weiterer limitierender Faktor ist mit rund 3000 bis 5000 Watt nämlich der Wechselrichter der Batterie – also dasjenige Instrument, das den Gleichstrom aus der Anlage in Wechselstrom für die Steckdose verwandelt. Das gasbetriebene Blockheizkraftwerk der Schmitts ist auf seine Weise auch eine Autarkiebremse. Es macht zwar unabhängig von großen Stromversorgern, dafür aber abhängig von Gaslieferungen. Unabhängiger wäre man freilich mit einem holzbetriebenen Blockheizkraftwerk, sofern man über eigenen Wald verfügt. 

Wie viele Kilowattstunden der eigene Haushalt im Jahr verbraucht, verrät der Blick auf die Stromrechnung. Ein bisschen mehr Rechenarbeit ist es, herauszufinden, welche Spitzenleistung und welcher Tagesenergiebedarf daheim zu erwarten sind. Den tatsächlichen Tagesbedarf sowie die Grundlast kann man am Stromzähler ablesen und daraus Tageswerte mitteln. Notiert man über mehrere Tage den Zählerstand am Abend, wenn alle ins Bett gegangen sind, und am Morgen, bevor alle aufstehen, hat man eine simple Methode zur Hand, mit der sich Verbrauchsschwankungen im eigenen Haushalt gut einschätzen lassen. Die Grundlast, die durch Geräte entsteht, die immer mit der Steckdose verbunden sind (Gefriertruhe, Kühlschrank, Umwälzpumpe, Geräte im Standbybetrieb) entspricht ungefähr dem nächtlichen Verbrauch. Um den tatsächlichen Energiehunger einzelner Elektrogeräte herauszufinden, kann man außerdem einen Verbrauchszähler einsetzen; bei Herd und Backofen ist dies durch den besonderen Herdanschluss und dessen Unzugänglichkeit aber keine echte Option. Hier lohnt sich wieder der Blick auf den Zähler direkt vor dem Kochen und Backen und sobald das Essen fertig ist. 

 

Wir haben in unserem Haushalt zwei große Energiefresser weitgehend vom Strom abgekoppelt, nämlich die Bereitung von Heißwasser und die Heizung. Sie werden bei uns mit einer Holzfeuerung bestritten. Lediglich eine hocheffiziente 10 Watt Umwälzpumpe für die Heizung ist strombetrieben. Bleiben im modernen, sich aber trotzdem selbst beschränkenden Haushalt wahrscheinlich folgende Elektrogeräte in Betrieb, die wir auf der nächsten Seite mit Leistung und Verbrauch gelistet haben: Licht, Herd und Backofen, 3 Computer, Waschmaschine, Kühlschrank, Gefrierschrank, W-LAN-Router. Den Stromverbrauch eines 15 Watt Tintenstrahldruckers mit 30 Minuten Betriebszeit pro Tag haben wir vernachlässigt (entspricht 0,0075 kWh), ebenso den extrem niedrigen Verbrauch von 4 Smartphones (0,01 kWh pro Aufladung und Telefon).  

 

 

Energiesparende Modelle vorausgesetzt, käme man, für den unwahrscheinlichen Fall, dass alle Geräte gleichzeitig laufen, auf einen Tagesenergiebedarf von rund 13 kWh und eine Spitzenleistung von ungefähr 13 kW. Im Versorgungsnormalfall wird zuerst entnommen, was die Photovoltaikanlage liefert. Das sind in unserem Modell maximal 6 kWp. Weitere 3 bis 5 kW Entladeleistung schafft unsere Batterie. Sie mag eine Speicherkapazität von 9 kWh haben, die Stromabgabe wird aber vom Wechselrichter begrenzt. Für die hier skizzierten Verbrauchsgewohnheiten hieße das, dass es Tage gibt, an denen uns die Anlage nicht reicht. 

 

Drei Geräte auf unserer ohnehin nicht langen Liste haben enormem Stromhunger, nämlich Herd, Backofen und Waschmaschine mit 7.000, 3.500 und 2.000 Watt Leistung. Für eine gute elektrische Waschmaschine gibt es unserer Erfahrung nach keinen diskutablen Ersatz. Aber die Umstellung auf einen holzgefeuerten Küchenherd wie aus Uromas Zeiten wäre in unserem Rechenmodell ein großer Schritt in Richtung Stromautarkie. Eine weitere Alternative ist natürlich eine anders dimensionierte Anlage. Für eine 6 kWp-Anlage und eine 9 kWh Batterie kann man mit Investitionskosten von 25.000 Euro und mehr rechnen.

 

 

Sogar große Stromversorger bieten ihren Kunden mittlerweile

Speichersysteme für den Hausgebrauch an,

die mit Photovoltaikanlagen gekoppelt werden können.

 

Die rasanten Entwicklungen auf dem Strommarkt sind Folge einer schubweisen Energiewende, die vor mehr als 40 Jahren begonnen hat. Die Ölkrise in den 70ern machte deutlich, wie wichtig eine unabhängige Energieversorgung ist, in den 80ern zeigten saurer Regen, Waldsterben und die Katastrophe von Tschernobyl, wie wichtig Umweltverträglichkeit ist. Die prinzipielle Erschöpfbarkeit fossiler Brennstoffe, ein wachsendes Interesse am Klima- und Umweltschutz, der Wille, den Technikstandort Deutschland zu stärken und die Kosten der Energiebereitstellung auf einem vernünftigen Niveau zu halten, mündeten in verschiedene energiepolitische Maßnahmen. 

Eine davon war 1991 das Stromeinspeisungsgesetz. Es verpflichtete die Energieversorgungsunternehmen dazu, Strom abnehmen und vergüten zu müssen, der aus Sonnenenergie, Wind- und Wasserkraft oder anderen erneuerbaren Energien wie beispielsweise Biogas stammt. Das 1.000-Dächer-Programm wandelte sich zum 100.000-Dächer-Programm, das bis 2003 die Errichtung kleinerer Photovoltaikanlagen subventionierte. Das Gesetz für den Ausbau erneuerbarer Energien regelt die Vergütung dieses Stroms bis heute. Was sich von Zeit zu Zeit ändert, sind Höhe und Schwerpunkt der Subventionierung: früher wurde die Einspeisung ins Netz belohnt, weshalb ein eigener Stromspeicher wirtschaftlicher Unfug war. Heute wird der Eigenverbrauch begünstigt und die Anschaffung eines Stromspeichers von der KfW gefördert. 

 

Die Geburtsstunde der Photovoltaik reicht allerdings viel weiter zurück als die Suche nach alternativer Energie, in das Jahr 1839. Alexandre Edmond Becquerel, der Vater des Nobelpreisträgers Henri Becquerel, beobachtete damals, dass sich die Spannung zwischen zwei in eine Elektrolytlösung getauchte Elek-troden erhöht, wenn der Versuch bei Tageslicht stattfindet. Aber es dauerte über 100 Jahre, bis die ersten funktionstüchtigen Photovoltaikzellen in Betrieb genommen werden konnten: Sie versorgten von 1958 bis 1964 einen Satellitensender der Vereinigten Staaten im All. 

Heute, weitere 50 Jahre später, stellt die Photovoltaik mit 5,8% Anteil an der Bruttostromerzeugung eine der tragenden Säulen moderner Energiegewinnung dar: Sonnenlicht steht uns kostenlos zur Verfügung. Photovoltaik wurde aber nicht nur zu einem wichtigen Baustein allgemeiner Unabhängigkeit von fossilen Brenn-stoffen und Atomenergie, sie läutete auch für den einzelnen Verbraucher das Zeitalter zunehmender Unabhängigkeit von großen Stromversorgern ein. 

 

Moderne Photovoltaikanlagen bestehen aus einzelnen Solarzellen, die elektrisch miteinander verschaltet sind. Sie werden in Kunststoff eingelassen und durch eine Glasabdeckung sowie eine Aluminiumeinfassung geschützt. Silizium ist für gewöhnlich der Stoff, der für die Umwandlung von Licht in Strom verantwortlich zeichnet. Wird Silizium auf eine Trägerschicht aufgedampft, lagern sich die Atome ungeordnet ab. Man spricht von amorphem Silizium. Die Stromausbeute ist hier relativ schlecht, reicht aber für kleinere Elektrogeräte. Am häufigsten kommt polykristallines Silizium zum Einsatz, bei dem geschmolzenes und in Form gegossenes Silizium in dünne Scheiben gesägt wird. Das aufwändige und teure Verfahren der Herstellung monokristallinen Siliziums wird für die Erzeugung von Strom in Privathaushalten kaum verwendet. 

 

 

 

In Deutschland lassen sich mit einem polykristallinen 10qm-Panel

pro Jahr um die 1000 kWh Strom erbeuten,

mal mehr, mal weniger, je nachdem, wo die Anlage steht und wie das Wetter ist.

 

 

Die Debatten darüber, ob sich mit den Panels so viel Energie gewinnen lässt, wie bei ihrer Herstellung investiert werden muss, nehmen kein Ende. Eine umfassende und damit abschließende Berechnung scheint es bisher nicht zu geben. Nicole Vormann hat in einer Nachhaltigkeitsstudie den Energieverbrauch bei der Rohstoffgewinnung über die Herstellung der Module bis hin zum Recycling für verschiedene Herstellungsverfahren analysiert: 

Für die Wandlung von Rohsilizium in Reinsilizium wird sehr viel Energie benötigt. Beispielsweise verbrauchen im Siemensverfahren Reinigung, Destillation und die Zuführung von Wasserstoff bei 1100° C 100 bis 160 Kilowattstunden Strom für die Gewinnung von einem Kilo Reinsilizium – das entspricht 50 bis 80 Stunden Haare föhnen. Weitere Energie kostet das Sägen von 150 bis 200 μm dünnen Scheiben (Wafer) aus Siliziumstäben. Es folgen nasschemische Reinigung mit starken Säuren, weitere verschiedene Ätzbäder, dazwischen das Aufbringen einer Halbleiterschicht und der Kontakte bei 900° C. 

Zusätzlich entstehen eine Reihe von Abfallprodukten. Auf 1 kg Reinsilizium kommen 19 kg Abfallprodukte, die entweder zur Weiterverwendung oder unschädlichen Entsorgung verarbeitet werden müssen. Nicht berechnet sind der Energieverbrauch für die Gewinnung und den Transport des Grundstoffs Sand, der Wasserverbrauch und die Abwasseraufbereitung bei der Modulherstellung, der Energie- und Wasserverbrauch für die Herstellung der in den einzelnen Arbeitsschritten benötigten Chemikalien sowie der Aluminiumeinfassungen und Glasversiegelungen für ein Panel. 

In der Schweizer Wochenzeitung „Die Weltwoche“ bilanzierten Alexander Reichmuth und Ferruccio Ferroni 2014, dass durch den Herstellungsprozess pro Kilowatt durch Photovoltaik erzeugten Strom am Ende doch 893 g CO2 ausgestoßen werden und damit 47 g mehr als bei einem modernen Steinkohlekraftwerk.

 

Zu dieser Schlacht um die Umweltbilanz der Photovoltaik gesellt sich seit einigen Jahren die um den ökologischen und ökonomischen Sinn und Unsinn hauseigener Speichermedien. 

Die Frage der energetischen Amortisierung ist global betrachtet durchaus von Bedeutung, unter der Prämisse der eigenen Unabhängigkeit jedoch eher sekundär. Hier stehen das Verhältnis von Bedarf, eigenen Möglichkeiten und faktischer standortgebundener Stromausbeute im Vordergrund. Ähnlich verhält es sich mit der Frage nach der Wirtschaftlichkeit einer solchen Anlage: unter der Maßgabe größtmöglicher Unabhängigkeit mag sie sekundär sein. Geht es vorrangig um vernünftiges Haushalten, lohnt es sich, Lebensdauer und Lebensleistung der Komponenten, Subventionen und Zuschüsse sowie die Entwicklung der Strompreise in eine Kosten-Nutzen-Rechnung aufzunehmen.

 

 

Verbrauch und Bedarf ausrechnen

 

 

Gerät

Leistung

Tages-

laufzeit

Verbrauch

pro Tag

Kühlschrank

125 W

4 Std.*

0,5 kWh

Gefrierschrank

125 W

4 Std.*

0,5 kWh

Computer 1

50 W

8 Std.**

0,4 kWh

Computer 2+3

2x 50 W

2x4 Std.**

0,4 kWh

W-Lan-Router

5 W

24 Std.

0,1 kWh

Licht (10 LED-Birnen)

10 x 9 W

10 Std.

0,9 kWh

Herd

7.000 W

2 Std.

5 kWh***

Backofen

3.500 W

1 Std.

1 kWh***

Waschmaschine

2.000 W

2 Std.

4 kWh

Umwälzpumpe

10 W

24 Std.

0,2 kWh

Gesamtenergiebedarf

 

 

13 kWh

Spitzenleistung, wenn alle Geräte gleichzeitig laufen

  13 kW

 

 

 

 

*    gerechnet mit 10 Minuten aktiver Kühlung pro Stunde

**   gerechnet mit Normalbetrieb, ohne leistungsintensive Spiele/Graphik

*** gerechnet im Normalbetrieb, ∅ Angaben der Hersteller bei Effizienzklasse A