I. Inhaltsverzeichnis
II. Abbildungsverzeichnis
III. Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung
2 Begriffserklärung
2.1. Aufbau und Funktion PV-Modul
2.2. Wechselrichter
2.3. Plug & Play-Anlage
3 Planungsphase
3.1 Ausgangslage
3.2 Projektziel
3.3 Projektskizze
4 Durchführungsphase
4.1 Datensammlung
4.1.1 Datenerfassung
4.1.2 Datenauswertung
4.1.3 Daten PV-Anlage
4.2 Technische Realisierungsphase
4.2.1 Wechselrichter
4.2.1 Solarmodule
4.2.2 Montage und Anschluss
4.2.3 Anmeldeverfahren
4.3 Datensammlung
5 Abschlussphase
5.1 Visualisierung der Ergebnisse
5.2 Wirtschaftlichkeit
6 Zusammenfassung
6.1 Erkenntnisse
6.2 Entwicklung
6.3 Fazit
7 Quellenverzeichnis
Anhang
Abbildung 1: Aufbau einer Solarzelle
Abbildung 2: Aufbau eines Solarmoduls
Abbildung 3: Aufbau einer Mini-PV Anlage
Abbildung 4: Notwendige Steckdose
Abbildung 5: Poweropti
Abbildung 6: Poweropti+
Abbildung 7: EasyMeter
Abbildung 8: Daten Applikation Dez-März
Abbildung 9: Verbrauchsdaten
Abbildung 10: Verbrauchsdaten 01.12.22 bis 31.03.22
Abbildung 11: Dach Gartenlaubenseite
Abbildung 12: Dachneigung und -ausrichtung
Abbildung 13: Wirkungsgrad
Abbildung 14: Tagesgänge der Sonnenstrahlung
Abbildung 15: Berechnung Ertrag
Abbildung 16: Vergleich Wechseltrichter
Abbildung 17: Vergleich Solarmodule
Abbildung 18: Installation Wechselrichter
Abbildung 19: Montage PV-Module
Abbildung 20: Deckung durch PV-Anlage
Abbildung 21: Daten Mai
Abbildung 22: Wirtschaftlichkeit
Abbildung 23: Amortisation
Anmerkung der Redaktion: Einige Abbildungen wurden aus urheberrechtlichen Gründen entfernt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Solarmodule auf dem Dach können Geld sparen, sind nachhaltig und sorgen für eine teilweise unabhängige Stromversorgung. Die ersten Überlegungen zu dem vorliegenden Projekt, fanden bereits im November 2021 mit dem Gedanken der Energiewende und der nachhaltigen Ausrichtung statt. Nach dem Februar 2022 kommt ein weiterer Faktor hinzu: Die politische Lage hat sich dramatisch verändert und die Entscheidung zu diesem Projekt wurde hierdurch bestärkt. Positiv für eine fristgerechte Umsetzung war dabei die frühe Entscheidung zum Kauf einer Anlage, da es aktuell zu Lieferengpässen und starken Preiserhöhungen kommt.
Der Praxisbericht im Rahmen des berufsbegleitenden Studiums zum Wirtschaftsingenieur im Bereich erneuerbare Energien ist in drei Hauptteile gegliedert: Im ersten Teil wird die Ausgangslage und die Voraussetzungen für eine Installation einer Anlage beschrieben und es werden erste Stromverbrauchsdaten erfasst, die als Grundlage für die Auswahl einer geeigneten PV-Anlage dienen sollen.
Im zweiten Teil sollen die Absprachen und Abläufe der Installation der eigentlichen PV-Anlage dargelegt werden.
Im letzten Abschnitt sollen die erfassten Daten mit denen verglichen werden, die jeweils vor und nach der Installation vorliegen.
Im Abschluss erfolgen ein Nachweis zur Wirtschaftlichkeit sowie ein Fazit zum Projekt.
Mit Photovoltaik ist die direkte Umwandlung von Sonnenstrahlung in elektrische Energie gemeint.
Eine PV-Anlage besteht mindestens aus einem Solarmodul, einem Wechselrichter, sowie dem Anschluss an das Stromnetz oder einer Batterie. Je nach Aufbau der Anlage, kann es sich dabei um eine Inselanlage handeln, um die Möglichkeit der Einspeisung in das Netz oder um eine vorübergehende Speicherung der zu viel produzierten Energie in eine Batterie, die nach Bedarf verbraucht werden kann.
Es wird hauptsächlich zwischen Solarzellen aus kristallinem und amorphem Silizium unterschieden. Mittlerweile kommen auch andere dünnschichtige Materialien in den Zellen zum Einsatz, wie Cadmiumtellurid oder Kupfer-Indium-Sulfid (Quaschning, 2019).
In Abbildung 1 ist eine Solarzelle dargestellt, es werden mehrere dieser Solarzellen zu einem Modul verschaltet, wie in Abbildung 2 zu sehen ist. Abhängig vom Energiebedarf besteht eine PV-Anlage aus mehreren Modulen.
Die in der Sonnenstrahlung enthaltenen Protonen sorgen dafür, dass elektrischer Strom entsteht. Dank dem photovoltaischen Effekt gehen Elektronen aus einer Schicht in eine andere über und erzeugen dadurch einen elektrischen Strom.
Das Halbleitermaterial Silizium ist normalerweise nicht elektrisch leitfähig, durch die auftreffende Strahlung werden einzelne Elektronen aus den Siliziumatomen herausgelöst, die sich an andere Atome anheften können – das Silizium wird dadurch leitfähig.
Dieser Effekt wird gezielt eingesetzt, um Defekte mit Fremdatomen im Silizium zu erzeugen. Dieser Vorgang nennt sich Dotierung. Hierfür genutzte Fremdatome sind Bor mit drei Elektronen und Phosphor mit fünf Elektronen auf der Außenschale. Da Silizium vier Elektronen auf der äußeren Schale besitzt, kann somit Bor eine Fehlstelle (Loch) ausgelöst werden, diese wird als p-Dotierung bezeichnet. Die Siliziumschicht ist dementsprechend positiv geladen. Das Phosphoratom sorgt hingegen dafür, dass ein Elektronenüberschuss entsteht, eine p-Dotierung. Diese Schicht ist negativ geladen (Quaschning, 2019).
Die entstehende elektrische Gleichspannung wird über Metallkontakte abgenommen. Da das Stromnetz mit Wechselstrom arbeitet, muss diese über Gleichstromkabel im Wechselrichter zu Wechselstrom gewandelt werden.
Ausnahmen bilden hier nur Inselanlagen ohne Anschluss an das Stromnetz (Wagner, 2019), beispielsweise eine Gartenlaube, deren Licht mit Gleichstrom betrieben wird.
Als Plug & Play-Anlage oder auch Balkonkraftwerke, bezeichnet man Mini-Solaranlagen, die direkt an die Steckdose einer Wohnung angeschlossen werden können. Sie bestehen zumeist aus einem beziehungsweise wenigen Solarmodulen und einem Wechselrichter. Auch hier ist es möglich, eine Batterie zum Speichern von nicht direkt verbrauchter Energie zwischenzuschalten. Erst seit 2018 ist es offiziell gestattet, eine derartige Anlage an einen vorhandenen Endstromkreis anzuschließen (Deutsche Industrienorm , 2018). Jedoch ist zu berücksichtigen, dass herkömmliche Schuko-Steckdosen nicht für den Anschluss einer solchen PV-Anlage zugelassen sind. Es muss zuvor eine spezielle Energiesteckdose, eine Wieland-Steckdose, von einem Elektriker installiert werden. In Internetforen und auch bei einigen Herstellern solcher Anlagen ist teilweise zu lesen, dass Anlagen bis zu 600 Watt direkt über die Schuko-Steckdose angeschlossen werden dürfen. Die DIN VDE V 0100-551-1 schreibt jedoch den Anschluss über eine Energiesteckdose vor (Bundesnetzagentur).
In der Praxis wird und kann dies nicht kontrolliert werden, sodass vielfach zur einfachen Variante über die Schuko-Steckdose gegriffen wird.
Laut einiger Anbieter akzeptieren manche Versorger auch die Schuko-Steckdose (Alpha Solar, 2022) (bau-tech Solarenergie, 2022). Jedoch ist dies zuvor immer mit dem jeweiligen Versorger abzusprechen, da unter Umständen eine Versicherung unwirksam wird und die Privatperson für mögliche Schadensfälle aufkommen muss. Es empfiehlt sich daher immer zu einem Wieland-Anschluss zu greifen.
In der Planungsphase wurde bereits mit einer Projektskizze begonnen, die teilweise mit in dem Abschnitt einfließt. Die Projektskizze liegt vor und kann bei der Projektleitung angefragt werden.
Aufgrund steigender Energiepreise sowie im Sinn der Nachhaltigkeit soll für ein Einfamilienhaus eine geeignete Photovoltaikanalage ermittelt werden. In der bereits vorliegenden Projektskizze und dem Projektauftrag wurden die Voraussetzungen für eine PV-Anlage beschrieben. Zusammenfassend sollen die Anlagenkosten 3.400 €, inklusive Personalkosten der Projektleitung, nicht überschreiten und eine Installation auf der Gartenlaube möglich sein. Auch soll eine Gewerbeanmeldung und ein steuerlicher Mehraufwand vermieden werden.
Ziel des Projekts ist es, nach den vorgegebenen Beschränkungen der Richtlinien und Eigentümer sowie der Terminplanung, eine PV-Anlage zu installieren und den Nachweis der Wirtschaftlichkeit zu erbringen. Die geplanten Kosten sollen dabei nicht überschritten werden. Es ist nicht erforderlich, überschüssigen Strom für das öffentliche Netz zu generieren, da keine Vergütung erfolgen soll. Ziel ist es, mit der Anlage die Grundlast bei Sonneneinstrahlung zu decken und innerhalb von zehn Jahren eine Amortisation zu erreichen.
Das oberste Projektziel ist die Zufriedenheit der Auftraggeber, in diesem Fall der Hauseigentümer.
In der bereits erwähnten Projektskizze wurde intensiv auf die Planungsphase und die ersten Überlegungen eingegangen und ein Projektauftrag erstellt. Dieser ist in Anhang I beigefügt.
Nach Kontaktaufnahme mit den Stadtwerken Wernigerode wurde deutlich, dass die Voraussetzungen für eine Solaranlage gegeben sind, dabei aber die folgenden Punkte zu berücksichtigen sind:
- Geeigneter Stromzähler
- Anlagengröße bis 600 Watt ohne Genehmigung, > 600 Watt genehmigungspflichtig
- Wieland-Steckdose
- Installation und Anmeldung durch zugelassenen Installateur
Der vorhandene Stromzähler, ein Drehscheibenstromzähler, ist nicht zugelassen für den Anschluss einer PV-Anlage. Auch ist keine digitale Erfassung von Daten möglich, die in dem vorliegenden Projekt dargelegt werden sollen. Ein geeigneter Stromzähler wird kostenlos gewechselt, jedoch benötigt das Datenerfassungssystem einen auslesbaren Stromzähler, dessen Wechsel nicht inbegriffen ist.
Eine Anlage bis 600 Watt benötigt keine Genehmigung durch die Stadtwerke, jedoch eine Anmeldung (Stadtwerke Wernigerode, 2022). Hier war zu überlegen, ob dennoch eine größere Anlage, mit einem Genehmigungsprozess sinnvoll war oder hierauf verzichtet werden konnte. Dabei spielt der Ort der Anlage eine wichtige Rolle, da dieser aufgrund der geringen Fläche deutlich eingeschränkt ist.
Wie bereits unter Punkt 2.2 ausgeführt, existieren Anlagen, die direkt über einen Schuko-Stecker an den Stromkreis angeschlossen werden und somit ohne Installateur angeschlossen werden können. Die Zulässigkeit dieses Anschlusses ist durch die jeweiligen Stadtwerke anzufragen. Bei einer Genehmigung bleibt jedoch die Versicherungsfrage unbeantwortet. Im Fall der Stadtwerke Wernigerode ist die Installation der Anlage ausschließlich über einen Wieland-Anschluss gestattet, die Stadtwerke verweisen dabei auf den Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e. V. Der entsprechende Wieland-Anschluss macht die Beauftragung eines zugelassenen Installateurs erforderlich (VDE FNN, 2018).
In der Durchführungsphase wurden Daten gesammelt, um eine geeignete Anlagengröße zu ermitteln. Nach Installation der Anlage wurden diese erneut abgeglichen, um später die Wirtschaftlichkeit ermitteln zu können.
Die Datensammlung besteht aus der Erfassung und Auswertung der Daten, sowie einer Ertragsermittlung für eine mögliche PV-Anlage.
In der ersten Durchführungsphase sollte die Grundlage für eine Datenbasis geschaffen werden, auf der die nachfolgenden Entscheidungen getroffen werden können. Da, wie in Abschnitt 3.3 bereits erwähnt wurde, ein Zähleraustausch erforderlich ist, wurde in diesem Zusammenhang ein kompatibles Datenerfassungssystem recherchiert, das für auslesbare Zähler geeignet ist.
Das Datenerfassungssystem Powerfox bietet zwei Bauarten an: das erste Modell mit externer Stromversorgung wie in Abbildung 5 zu sehen, und ein zweites Model mit Stromversorgung über den Stromzähler selbst, gezeigt in Abbildung 6.
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