Energieproduktion
und Speicherung

 

Beginnen wir mit einer sehr positiven Nachricht. Die Bundesregierung plant eine steuerliche Vereinfachung für die Beschaffung und den Betrieb eines Mikro-Photovoltaik-Kraftwerkes bis 30 kWp ab dem 1.Januar 2023. Der Staat verzichtet - unter bestimmten Bedingungen - endlich auf die 19% Umsatzsteuer bei der Beschaffung. Das entkompliziert das Steuerthema erheblich. Mehr dazu direkt vom Steuerberater.

 

Die Sonne ist das Maß der Dinge bei der privaten Energieproduktion. Das kurze Video veranschaulicht sehr überzeugend die Kraft der Sonnenenergie und die Funktionsweise eines Mikro-PV-Kraftwerkes.

Dann, wenn wir im Winter für die Raumerwärmung am meisten Energie benötigen, gibt es am wenigsten Sonnenenergie. Um es gleich vorweg zu nehmen, für dieses Problem gibt es auf der Energieseite zur Zeit keine wirkliche Lösung. Aber es motiviert uns, sehr genau zu analysieren, wie wir die maximale Energieausbeute erzielen können.

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Diese Graphik zeigt den Verlauf der Sonne über das ganze Jahr. Am 21. Juni steht sie am höchsten (60 Grad) und gleichzeitig scheint sie am längsten. Sie geht weit im Osten auf und weit im Westen unter. Am 21. Dezember steht sie am tiefsten (15 Grad) und gleichzeitig scheint sie am kürzesten. Sie geht bei weitem nicht so weit im Osten auf und bei weitem nicht so weit im Westen unter. Sie wirft jetzt die längsten Schatten.

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Zur optimalen Energiegewinnung müssen die Sonnenstrahlen senkrecht auf das Solarmodul treffen. Um das zu erreichen, müssten die Solarmodule der Sonne entsprechend nachgeführt werden. Das ist aufwändig und teuer. Bei gut positionierten stationären Solarmodulen verliert man gegenüber 2-achsig nachgeführten Solarmodulen "nur" ca. 25 % der Sonnenenergie. Vor allem betrifft das die Direktstrahlung. Für die optimale Wandlung der Diffusstrahlung in Energie reicht eine feste waagerechte Ausrichtung der Solarmodule.

 

Auf einer Fläche von 1 x 1 m2 scheint die Sonne an einem unbewölkten Sommertag in Deutschland direkt mit einer maximalen Leistung von ca.1000 Watt auf die Erde. Innerhalb einer Stunde wird somit eine Energie von 1 kWh pro m2 auf die Erde übertragen.

 

In Villingen-Schwenningen kommen über die direkte Sonnenstrahlung 600 kWh pro m2 und Jahr zusammen. Die gleiche Energie in Höhe von 600 kWh kommt nochmals durch die deutlich häufiger vorkommende diffuse Sonnenstrahlung (bewölkter Himmel) hinzu.

 

Damit sind die wichtigsten Rahmenbedingungen zur Nutzung der Sonnenenergie beschrieben.

Die aktuelle PV-Technologie ist in der Lage, aus 1200 kWh Sonnenenergie ca. 240 kWh elektrische Energie zu generieren. Bei direkter Sonneneinstrahlung muß diese dazu jedoch senkrecht auf die PV-Oberfläche treffen. Bei festinstallierten PV-Installationen geschieht dies nur an 2 Tagen im Jahr für eine kurze Zeit. An allen anderen Tagen trifft die direkte Sonnenstrahlung mehr oder weniger schräg auf die PV-Oberfläche - was zu einer mehr oder weniger reduzierten elektrischen Energie führt. Statt 240 kWh pro m2 und Jahr elektrische Energie lassen sich effektiv nur ca. 200 kWh pro m2 und Jahr erwirtschaften. Bei einem Strompreis von € 0,30 / kWh entspricht das einem Wert von € 60,- pro Jahr - und € 1.800,- in 30 Jahren.

Demgegenüber steht ein Investitionsvolumen von - grob kalkuliert - € 250,- pro m2 Solarfläche bzw. € 1250,- pro kWp.

Eine Übersicht der erzeugten kWh pro installierter kWp gibt es auf der Internetseite des Solarenergie Fördervereins.

 


Wieviel Sonnenenergie
steht wann zur Verfügung?

 

Der Deutsche Wetterdienst ermittelt wann wo welche und wieviel Sonnenenergie auf die Erde trifft. Diese Energie gilt es optimal zu nutzen. Der kritischste Monat ist der Dezember. Die Tage sind am kürzesten. Die Sonnenstrahlung am geringsten.

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Direktstrahlung Dezember 2021.png
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Für Villingen-Schwenningen - am Rande des Schwarzwaldes - beträgt die Direktstrahlung pro Quadratmeter zwischen 6 und 10 kWh im ganzen Dezember. Die Diffusstrahlung beträgt hingegen ca. 16-20 kWh. Zusammen ergibt das 22 - 30 kWh pro Quadratmeter.

Betrachten wir die Sonnenstrahlung pro Quadratmeter für den Monat Juni, so ergibt sich folgendes Bild: Direktstrahlung um die 90 kWh, Diffusstrahlung um die 80 kWh. Zusammen ergibt das eine Globalstrahlung von ca. 170 kWh.

 

Globalstrahlung Juni 2021.png
Direktstrahlung Juni 2021.png
Diffusstrahlung Juni 2021.png

 

Für das ganze Jahr 2021 ergibt es folgende Situation: Direktstrahlung um die 600 kWh, Diffusstrahlung ebenfalls um die 600 kWh, zusammen ergibt es eine Globalstrahlung um die 1200 kWh.

 

Globalstrahlung 2021.png
Direktstrahlung 2021.png
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Somit ist über das gesamte Jahr der Anteil der Diffusstrahlung an der Sonnenenergie auf der Erdoberfläche in Villingen-Schwenningen genauso groß wie die der Direktstrahlung.


Was bedeutet das nun konkret für die Umsetzung der Energiewende?
 

Die optimale Ausrichtung der Solarmodule für die Diffusstrahlung ist parallel zum Himmel - perfekt für Flachdächer von Gewerbe- und Industriegebäuden. Einfach hinlegen - ohne Aufständerung. Am Besten auf dem Dach festkleben - ohne Beschwerung. Noch besser: Man verwendet die ultraleichten Module mit nur 3,3 kg / m2 - statt über 20 kg / m2. Das löst auch gleich das eine oder andere Statikproblem des Daches und  eventuelle mechanische Belastungsprobleme der Dachoberfläche.

 

Die Reinigung der Solarmodule geschieht überwiegend durch eine selbstreinigende Oberfläche. Schnee kann auf dem Flachdach einfach weggefegt werden.

Die Diffusstrahlung zum Einen und die flache Ausrichtung der Solarmodule zum Anderen bieten eine  homogenere Energieversorgung über den Tag und über das Jahr. Das reduziert den Speicherbedarf. Der Energieertrag durch die Direktstrahlung ist zwar aufgrund der flachen Ausrichtung zur Mittagszeit deutlich reduziert, dafür werden morgens und abends die Sonnenstrahlen nicht "ausgeblendet". Die Direktstrahlung der tief stehenden Sonne im Winter kann noch mit  senkrecht montierten Solarmodulen an einer verschattungsfreien Südfassade des Gebäudes eingefangen werden.

Das PHOTOVOLTAIC GEOGRAPHICAL INFORMATION SYSTEM der EU hat für Villingen-Schwenningen einen optimalen Installationswinkel der Solarpanels von 37 Grad (Sonnenhöhe) und -3 Grad (Sonnenazimut) ermittelt - um einen maximalen Jahresertrag von 1128 kWh pro Jahr zu erreichen.

Bei der Aufständerung muß man jedoch die Beschattung von Nachbarmodulen berücksichtigen. Bei einem 1 m hohen Solarmodul könnte nur alle 3 m ein Solarmodul beschattungsfrei aufgeständert werden.

 

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Bei einem Installationswinkel von 0 Grad - statt 37 Grad - wird die Energieproduktion um 15 % pro Solarmodul reduziert. Dafür könnte aber ohne Beschattungsabstand direkt nebenan das nächste Solarmodul positioniert werden. Die Gesamtenergieproduktion auf einem Flachdach erhöht sich somit um den Faktor 2,5 - im Vergleich zu einer beschattungsfreien 37-Grad-Aufständerung.

 

Solar Simulation Null Grad.png


Resultat
 

Auch mit der effektivsten Energieproduktion werden wir die Lücke zwischen Energieproduktion und Energieverbrauch im Winter nicht nenneswert reduzieren können. Die Lösung des Problems kann nur noch in einer deutlichen Reduzierung des Energieverbrauchs liegen.


PV-Module
 

Beginnen wir mit den PV-Modulen. Hier haben wir kein Standardprodukt im Energiewende Baukasten. Wir richten uns nach der Verfügbarkeit. Dabei gilt prinzipiell: Nur solange Vorrat reicht. Es sind keine Nachbestellungen möglich. Preise sind zzgl. MwSt und Lieferanten-Transportkosten.

Solarmontage monkeybusinessimages.jpg

Aktuell sind verfügbar:

 

JA Solar bifaziales Hochleistungsmodul Glas-Glas JAM60D20-380/MB

Preis: € 169,75,- zzgl. MwSt und Transport

Weitere Infos siehe Datenblatt.

 

Luxor Hochleistungsmodul ECO LINE HALF-CELL M108/410W

Black Frame, Rahmenhöhe: 30 mm, Modulgewicht: 21,5 kg

Preis: € 194,75 zzgl. MwSt und Transport

Weitere Infos siehe Datenblatt.


Montage auf Ziegel-Dach
 

Es gibt viel zu wenige Handwerker zur Umsetzung der Energiewende. Auch wir haben keine. Deshalb liefern wir die Ware ohne Montage - für versierte Heimwerker.

Das folgende Video zeigt die Montage auf dem Dach, wie sie von vielen Profis betrieben wird. Jeder kann für sich entscheiden, ob er es sich zutraut, selbst zu machen.


Heimwerker-Montage-Prozess
 

Heimwerker sind aber keine Profis. Deshalb haben wir einen Heimwerker-Montage-Prozess entwickelt.

 

Mit dem hier aufgeführten Material, Werkzeugen und Arbeitsabläufen möchten wir einen Beitrag zur Minimierung von Gefahren, Zeitaufwand, Schmutz und Lärm erreichen. Gleichzeitig möchten wir Sie dabei unterstützen, daß Sie am Ende eine Profi-Montage-Qualität erzielen.

 

Um das zu erreichen, ist Folgendes wichtig:

- Auf dem Dach ist man immer durch entsprechende Profi-Systeme gesichert. Man(n) ist nie allein auf dem Dach.

- Es wird nur Material und Werkzeug verwendet, daß die Montage so einfach und sicher wie möglich macht - auch wenn es etwas teurer ist. Das betrifft vor allem den Dachhaken. Er ist die Schnittstelle zum Dach - und somit das Teil, daß die meisten Probleme lösen kann. Maximale Flexibilität ist da gefragt.

 

- Auf dem Dach werden nur die absolut notwendigen Tätigkeiten durchgeführt. Insbesondere die Bearbeitung der Ziegel sollte nicht auf dem Dach erfolgen. Die sehr flexibel positionierbaren Dachhaken ermöglichen das. Am Boden kann auch anstelle einer Akku-Flex eine (ausgeliehene) professionelle Pfannenfräsmaschine mit Absaugung eingesetzt werden.

- Gefährliche Tätigkeiten wie das Flexen werden auf ein absolutes Minimum reduziert, am besten komplett eliminiert.

- Das Dach ist immer aufgeräumt. Potenzielle Stolperfallen wie Kabel, Dachziegel oder Werkzeug werden sofort entfernt.

- Für Wechselrichter und Speicher setzen wir ein Kombi-Gerät ein. Das minimiert den Installationsaufwand. Bei Bedarf kann vom selben Hersteller das  Energiemanagementsystem, die Wallbox und die Wärmepumpe bezogen werden. Das ergibt am Ende eine optimierte und getestete Gesamtlösung für die Umsetzung der Energiewende.

- Die Inbetriebnahme (und vorherige Überprüfung) der PV-Anlage erfolgt nur durch einen Fachmann. Das gleiche gilt für das Anschließen an das örtliche Stromnetz.


Material Mechanik
 

Als Montagematerial werden in dem Video Produkte von K2 verwendet. Die empfehlen wir auch.

Dachhaken CrossHook 4S in silber

Preis: € 12,50,- zzgl. MwSt

Benötigte Menge: ???

Der Dachhaken überzeugt durch seine vielseitigen Verstellmöglichkeiten um Unebenheiten des Daches und Ungenauigkeiten bei der Montage auszugleichen. Sehr komfortabel ist auch die seitliche Verschraubung der Schiene. Ein guter Verbündeter beim Kampf gegen den Teufel im Detail.

Height Compensator 4 mm in silber

Preis: € 2,50 zzgl. MwSt

Benötigte Menge: Eher nur in Ausnahmefällen, da der Dachhaken bereits eine Höhenanpassung hat.

Ausgleichsplatte zur Unterlage von Dachhakengrundplatten zum Höhenausgleich von Dachlattungen. Maße: 111x100x4 mm

Tellerkopf Holzbauschraube SC TC 8x120

Preis: € 0,72,- zzgl. MwSt

Benötigte Menge: 2 Stück pro Dachhaken

Die Tellerkopf Holzbauschraube gewährleistet eine schnelle und sichere Montage ohne Vorbohren. Wer natürlich auf Nummer sicher gehen möchte, kann selbstverständlich auch vorbohren.

 

Montageschiene SingleRail36 in silber oder schwarz

Silber 4,40 m: Preis: € 39,95 zzgl. MwSt

Schwarz 4,40 m: Preis: € 62,50,- zzgl. MwSt

Benötigte Menge: ???

Die Alu-Montageschiene ist durch die seitliche Verschraubung sehr montagefreundlich.

 

Schienenverbinder SingleRail36 in silber

Preis: € 6,20 zzgl. MwSt

Verbindungselement von 2 Montageschienen zu einem Montageschienenstrang.

 

Endkappe für Montageschiene SingleRail36 in schwarz

Preis: € 0,55 zzgl. MwSt

Benötigte Menge: 2 Stück pro Montagenschienenstrang

 

EC Universal Clamp OneEnd 30-42mm in silber oder schwarz

Silber: Preis: € 2,29 zzgl. MwSt

Schwarz: Preis: € 2,79,- zzgl. MwSt

Benötigte Menge:

Universal Endklemme mit einfacher Klickfunktion für Rahmenhöhen 30 - 42 mm.

 

MC Universal Clamp OneMid Set 30-42mm in silber oder schwarz

Silber: Preis: € 2,29 zzgl. MwSt

Schwarz: Preis: € 2,79,- zzgl. MwSt

Benötigte Menge:

Universal Mittelklemme mit einfacher Klickfunktion für Rahmenhöhen 30 - 42 mm.

 

AC Terragrif U17

Preis: € 1,99 zzgl. MwSt

Benötigte Menge:

Potentialausgleich zwischen Modul und Schiene.

 

Cable Manager PA66W

Preis: € 0,33 zzgl. MwSt

Benötigte Menge:

Kabelbinder mit Aufsteckmöglichkeit.

 

LPC MH SET

Preis: € 2,10 zzgl. MwSt

Benötigte Menge: 1 pro Montageschienenstrang

Blitzschutzklemme Multi Halbteil im SET.

 

AC SET SOLAREDGE OPTIMIZER

Preis: € 1,25 zzgl. MwSt

Benötigte Menge: 1 pro Optimizer

Befestigungs-Set für Solaredge Optimizer.

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Dachziegel
Bearbeitung oder Austausch?

 

Um ein Photovoltaik-Kraftwerk auf dem Dach zu installieren, muß das Dach dafür angepasst werden. Insbesondere betrifft das die Dachziegel, damit der Dachhaken montiert werden kann.

Im Video haben wir eine weit verbreitete Art der Dachziegel-Bearbeitung gesehen. Für den Heimwerker-Montage-Prozess haben wir jedoch etwas mit weniger Gefahren, Zeitaufwand, Schmutz und Lärm gesucht.

Gefunden haben wir die Marzari Metall-Unterlegplatten. Leider gibt es für die vielen unterschiedlichen Ziegeltypen keine universell verwendbare Metall-Unterlegplatte. Auch wenn der Typ Ton 260 ca. 70% aller Tonziegel abdecken soll, muß man genau wissen um welchen Ziegeltyp es sich handelt. Eine Übersicht stellt Marzari zur Verfügung.

In der Regel werden die Metall-Unterlegplatten von den darüber liegenden Photovoltaik-Modulen verdeckt und sind somit kaum sichtbar. Natürlich können die Unterlegplatten auch lackiert werden und somit der Ziegelfarbe angepasst werden.

Das gleiche gilt für die Metall-Kabeldurchführungen. Dort gibt es 2 universelle Typen. Einen Typ Ton passend für Tondachziegel in der Größe bis 270 mm Breite und für Biberschwanzziegel und einen Typ Beton passend für Betondachsteine Frankfurter, Harzer, Doppel-S und viele mehr.

Das folgende Video zeigt die einfache Montage.

Allerdings nutzt die beste Lösung nichts, wenn sie nicht verfügbar ist. Aktuell werden die Liefertermine mit "durchschnittlich 17 Wochen" angegeben. Dann muß doch auf das Ausflexen - oder besser auf das Ausfräsen - zurückgegriffen werden.

Das Ausfräsen wird in dem folgenden Video gezeigt.


Gewerbe-Dachoberflächen:
Folie, Bitumen oder Blech?

 

Ganz andere Oberflächen finden wir oft bei Dächern von Gewerbe- und Industriegebäuden. Dort bietet sich eine andere Lösung an: Folien-Module. Sie sind leicht, biegsam und kann man einfach auf`s Dach aufkleben. Es gibt die Module in vielen unterschiedlichen Größen. Der Modulpreis ist deutlich höher, jedoch benötigt man deutlich weniger Montageaufwand. Oft ist es die einzige Lösung für statisch kritische Dächer und druckempfindlichen Oberflächen.


PV-Speicher dimensionieren
 

Wieviel Speicher benötige ich? Eine Frage, die nicht ganz einfach zu beantworten ist. Das folgende Video gibt ein gutes Beispiel, wie man an die Beantwortung der Frage herangehen kann.