Energiedefizit im Winter

Wohngebäude werden heute oft mit Photovoltaikanlage und Wärmepumpenheizung ausgestattet. Zunehmend ist für die Mobilität auch ein vollelektrisch betriebener Pkw vorhanden, der regelmäßig über den Hausstrom geladen wird. Sowohl Wärmepumpe als auch E-Mobil sind Großverbraucher für einen Haushalt. Die eingesetzte PV-Anlage wird meist so dimensioniert, dass der entsprechende Jahresenergiebedarf abgedeckt wird. Dafür muss der erreichbare Ertrag einer PV-Anlage berücksichtigt werden, der sich aus der Jahresenergiemenge in Kilowattstunden (kWh) je installierter PV-Modulspitzenleistung in Kilowatt (kW) ergibt. Er hängt neben der jeweiligen Globalstrahlung ‑ abhängig von geografischen und meteorologischen Faktoren der jeweiligen Region - auch von den konstruktiven und elektrischen Parametern der Anlage (Ausrichtung, Wirkungsgrad, ...) ab und beträgt in Deutschland typisch 900 bis 1150 kWh/kW.

Eine Dimensionierung der PV-Anlage entsprechend des Jahresenergiebedarfs kann zeitliche Lastschwankungen der Verbraucher (Lastprofil) nur unzureichend berücksichtigen. Je ausgeprägter das Lastprofil des jeweiligen Verbrauchers ist, umso größer muss der eingesetzte Energiespeicher dimensioniert werden. Da die derzeit realisierbaren Speicher begrenzt sind, fällt einerseits der Bedarf an zusätzlicher Energie aus dem Versorgungsnetz (Energiebezug) trotz ausreichendem Ertrag größer aus als geplant. Andererseits muss produzierte und nicht selbst nutzbare Energie an das Versorgungsnetz abgegeben werden (Energieeinspeisung). Für den Betreiber der PV-Anlage ist dies ungünstig. Auf Netzbetreiberseite entstehen dadurch große Herausforderungen hinsichtlich des Lastmanagements.

40 kWH müsste eine Batterie haben, um Verluste in „Übergangszeiten“ auszugleichen. Das wäre teuer und würde nur 60 Prozent Autarkie bringen.

Energieverbraucher und PV-Anlage

Zur Untersuchung der typischen Lastschwankungen wurden die Energieflüsse eines Wohngebäudes mit PV-Anlage, Wärmepumpenheizung und E-Auto-Betrieb in einem einjährigen Feldversuch betrachtet. Der Gesamtenergiebedarf (Gesamtverbrauch) betrug dabei 20.328 kWh. Davon entfielen auf den Betrieb der üblichen Haushaltsgeräte 8.671 kWh, auf die Wärmepumpenheizung 7.310 kWh (Erdwärmepumpe) und auf den E-Pkw 4.347 kWh (rund 25.000 km Jahresfahrleistung).

Die eingesetzte Photovoltaikanlage hat eine Gesamtspitzenleistung von 25 kW. Die Wechselrichterleistung beträgt 18 kW. Der eingesetzte Energiespeicher hat eine Nettokapazität von rund 17 kWh bei einer Batterieleistung (Laden/Entladen) von 5 kW.

Die PV-Anlage erzielte einen Ertrag von 938,0 kWh/kW. Die Produktion erreichte im Betrachtungszeitraum eine Energiemenge von 23.449,1 kWh. Davon wurden 12.571,7 kWh in das Netz eingespeist und 10.877,4 kWh als Eigenverbrauch genutzt. Der Autarkiegrad beträgt damit 53,5 Prozent, die Eigenverbrauchsquote 46,4 Prozent.

Die Abbildung zeigt den Jahresverlauf als wöchentliche Energieflüsse für die Energieproduktion (dargestellt auf der positiven Energieflussachse) und den Verbrauch (dargestellt auf der negativen Achse), aufgeschlüsselt für die drei Verbraucher. Es bestätigen sich die erwarteten Energieflussverläufe der drei Verbraucherarten. Während die Energieflüsse für Haushalt und E-Pkw relativ konstant sind, zeigt der Energiefluss des Verbrauchers Wärmepumpe ein ausgeprägtes saisonales Lastprofil.

Der Energiefluss für die Produktion folgt einem charakteristischen Tages- sowie Jahresverlauf. Der Tagesverlauf hängt von Tageslänge und Witterung (Bewölkung) ab. Beim Jahresverlauf kommt der saisonbedingte Sonnenstand als Einflussgröße dazu. Im Diagramm ist zusätzlich der Verlauf der wöchentlichen Tageslänge (gelbe Linie) eingezeichnet. Die Differenz der wöchentlichen Tageslänge zwischen Sommer (maximal 120 Stunden) und Winter (mindestens 51 Stunden) beträgt 69 Stunden. Dies ist der Hauptgrund für die deutlichen saisonalen Produktionsschwankungen der PV-Anlage. Es ist gut zu erkennen, wie der Produktionsverlauf der PV-Anlage grundsätzlich der Kontur der Tageslänge folgt.

Der Eigenverbrauch ist für den Netzbetreiber nicht sichtbar und auch nicht relevant. Am Knotenpunkt zwischen Netz- und Gebäudeseite ist im Allgemeinen der Hauptstromzähler zur richtungsabhängigen Erfassung der Energieflüsse platziert. Der netzseitige Energiefluss ergibt sich, wenn der Eigenverbrauch vom Verbrauch abgezogen wird. Es zeigt sich ein ausgeprägtes Lastprofil im Jahresverlauf, welches sehr ungünstig für den Netzbetrieb ist. Bildet man die Differenz zwischen Produktion und Verbrauch, so erhält man die Gesamtenergieflussbilanz. Diese Bilanz entspricht gleichzeitig der Differenz zwischen Einspeisung und Netzbezug.

Mit der PV-Anlage wurden ab März bis September bilanzielle Überschüsse produziert. In der restlichen Zeit bestand ein bilanzielles Energiedefizit. Aus den Verläufen der Abbildung ist erkennbar, dass zum Beispiel zwischen Kalenderwochen 12 bis 15 sowie 38 und 39 trotz bilanzieller Energieüberschüsse ein deutlicher Energiebezug aus dem Versorgungsnetz stattfand. Andererseits wurde in Zeiten bilanzieller Energiedefizite substanziell Energie in das Netz eingespeist. Subtrahiert man die bilanziellen Überschüsse von den eingespeisten Energiemengen, so ergibt sich der Anteil an produziertem Energiefluss, der nicht als Eigenverbrauch genutzt werden konnte. Dieser ist aus Sicht des Gebäudebedarfs für den Eigenverbrauch „verloren“ und erzeugt auf Seiten des Netzbetreibers einen vermeidbaren Energiefluss.

Neben Leistungsbegrenzungen der Wechselrichter ist der Grund hierfür ein zu kleiner Energiespeicher für die im Frühling und Herbst auftretenden „Übergangszeiten“. Auf den täglichen Energiefluss bezogen ergibt sich mit der vorhandenen Batterie in den „Übergangszeiten“ ein maximaler Wert von etwa 17 kWh/Tag. Dies entspricht der Nettokapazität des Batteriespeichers. Die zeitlichen Lastschwankungen der Verbraucher in den „Übergangszeiten“ sind zu groß, um die Energieflüsse mit dem vorhandenen Speicher auszugleichen. Eine Optimierung der Dimensionierung des Speichers kann überschlägig auf Basis des maximalen Energieflusses für den „verlorenen Eigenverbrauch“ erfolgen. In Kalenderwoche 10 tritt das Maximum mit einem Energiefluss von etwa 160 kWh/Woche auf. Dieser Energiefluss müsste ebenfalls durch den Batteriespeicher abgedeckt werden. Auf den täglichen Energiefluss bezogen sind das in etwa zusätzliche 23 kWh/Tag. Der Batteriespeicher müsste demnach eine Gesamtnettokapazität von etwa 40 kWh aufweisen. Dies entspricht etwa einer Verdopplung der derzeitigen Größe.

Fazit: Kompensation ist kaum möglich

Eine Batterie mit 40 kWh ist wegen der derzeit noch hohen Kosten allerdings eher unwirtschaftlich, zumal auch die damit mögliche Steigerung des Autarkiegrads auf etwa 60 Prozent zu gering ausfällt.

Die großen Energieflussunterschiede im Jahresverlauf sowohl auf der Produktionsseite als auch auf der Verbraucherseite lassen sich durch Batteriespeicher bestenfalls tagesbasiert ausgleichen. Für die Dimensionierung eignen sich die Energieflüsse von Frühling und Herbst. Eine Kompensation der Energiedefizite aus dem Winter durch die Energieüberschüsse aus dem Sommer erscheint allerding in absehbarer Zeit für private Zwecke nicht realistisch. Die hierfür erforderlichen Speicherkapazitäten wären allenfalls großtechnisch zu erreichen.

Autor

Ansgar Wego,

Professor, Hochschule Wismar

Foto: Hochschule Wismar Wismar