Inselsysteme

Inselsysteme - autarke Stromversorgung für netzferne Gebäude

Inhaltsverzeichnis

• Was ist ein Inselsystem?
• Wie groß muss eine Inselanlage sein?
• Beispielrechnung
• Beratung

Hinweis: manche sprechen bei einer netzparalellen Anlage von einem Inselbetrieb bei Netzausfall. Das ist aber kein Inselsystem im eigentlichen Sinn, daher sprechen wir in diesem Beitrag nur über ein typisches Inselsystem.

Was ist ein Inselsystem?

Bei einem Inselsystem sprechen wir von einer Photovoltaik-Anlage auf oder bei Gebäuden, die keine Verbindung zum öffentlichen Stromnetz haben, wie z.B. eine abgelegene Berghütte. Für solche Anwendungen werden spezielle Geräte benötigt, die so aufgebaut sind, dass Sie ohne Strom vom öffentlichen Energieversorger funktionieren, also autark sind.

Wie groß muss eine Inselanlage sein?

Bei der Größe einer Inselanlage muss folgendes beachtet werden:

• der tägliche Verbrauch
• zu erwartende Lastspitzen (wenn mehrere Haushaltsgeräte gleichzeitig laufen)
• die Überbrückungszeit für Tage, an denen keine Sonne scheint
• die zu erwartenden Anlagenverluste
• solare Deckungsgrad

Für den täglichen Verbrauch stehen diverse Tabellen im Internet zur Verfügung, die angeben, mit welchen Leistungen z.B. bei einem Kühlschrank, Fernseher oder beim Licht gerechnet werden muss. Diese Verbräuche werden addiert und wenn mehrere Geräte gleichzeitig laufen, dann muss die Lastspitze ebenso berechnet werden, um die benötigte Wechselrichterleistung zu erhalten. So stehen z.B. im SMA-Planungsleitfaden zur Auslegung von Inselnetzsystemen folgende Werte:

• Wechselrichterleistung
  Hier muss berechnet werden, wie hoch die tägliche Lastspitze ist, also wie viele Geräte gleichzeitig laufen werden. Dementsprechend richtet sich die Dauer-Wirkleistung des Wechselrichters. Da es hier Leistungsklassen gibt, muss man dann die nächsthöhere Leistung einsetzen.
• Lithium-Ionen-Speicher
  Für die Speicherkapazität muss überlegt werden, wie hoch der tägliche Gesamt-Verbrauch ist und für wieviel Tage der Speicher überbrücken soll, wenn keine Sonne scheint. Da beim Entladen Verluste entstehen und eine bestimmte Kapazität immer im Speicher bleiben soll, muss die Batteriekapazität höher sein als der tägliche Verbrauch. Der Wirkungsgrad beim Entladen wird gerne mit dem Faktor 0,9 berechnet und 10% - 20% sollten im Speicher bleiben, um eine drohende Tiefentladung zu vermeiden. Es wird empfohlen, dass ein leerer Speicher in etwa 2 Stunden geladen sein soll, womit wir ein Mindest-Verhältnis zwischen der Größe des PV-Feldes und des Speichers bekommen. Im Offgrid Bereich wird die Batterie meist nicht komplett entladen, sondern nur ein Teil im Alltag davon entnommen, der Rest ist für schlechte Tage reserviert. Daher muss das PV-Feld nicht zwangsweise doppelt so groß sein wie der Speicher. Außerdem ist auch ein Benzin- oder Dieselgenerator vor Ort. Weiterhin wird empfohlen, das mindestens 50 Ah pro kWp geplant werden soll.
• PV-Generator/Solarfeld
  Beim PV-Generator liegt der Systemwirkungsgrad und der spezifische Anlagenertrag zugrunde. Dabei kann eine Anlage durchaus eine Performance von nur 70% haben. Durch den spezifischen Anlagen-Ertrag kann man die Energie berechnen, die von den Solarmodulen geliefert wird. In Deutschland rechnet SMA mit 800 kWh/kWp - 900 kWh/kWp im Jahr. Wenn wir 900 kWh/kWp nehmen, dann bekommen wir bei einer 5 kWp Anlage 4500 kWh im Jahr. Wenn wir nun den Systemwirkungsgrad betrachten, dann werden aus den 4500 kWh nur noch 3150 kWh, mit denen wir sicher rechnen können. Damit bei einer Offgridanlage die Energie nicht ausgeht, müssen wir von den schlechtesten Werten ausgehen, damit die Energie auch wirklich ausreicht. Daher muss dementsprechend das Solarfeld vergrößert werden, um dann tatsächlich auch 4500 kWh im Jahr zu bekommen. Allerdings schafft man es nicht, seinen ganzen Energiebedarf nur mit PV-Energie abzudecken. Daher gibt es den solaren Deckungsgrad, der angiebt, wie hoch der Anteil der PV-Energie am Jahresstrombedarf ist. Im Planungsleitfaden von SMA wird der für Deutschland mit 50% - 70% angegeben. Für die restliche Energie benötigten wir einen Benzin- oder Dieselgenerator.
• Benzin- oder Dieselgenerator
  Es wird empfohlen, dass die Nennleistung des Generators leicht unter 100% der Nennleistung des Wechselrichters liegen soll. Für Deutschland wird der solare Deckungsgrad mit 50 % bis 70 % angegeben, weswegen man dementsprechend den PV-Generator verkleinern könnte.
• Kabel
  Natürlich muss alles auch verkabelt werden. Zur Verbindung zwischen Solarmodule und Wechselrichter reicht meist ein Kabel mit 4mm² - 6mm² aus, richtet sich aber auch nach der Länge der Leitung. Zwischen Batterie und Wechselrichter kann man es nicht pauschal sagen, da hier hohe Ströme fließen. Das muss nach der Länge der Leitung und der Stromstärke individuell berechnet werden.
• Sicherungen (Leitungsschutz)
  Zwischen den Solarmodulen und dem Wechselrichter werden Sicherungen gesetzt und auch ein Überspannungsableiter (meist ein Generatoranschlusskasten mit Überspannungsableiter). Zwischen der Batterie und dem Wechselrichter muss auch eine Sicherung eingesetzt werden, die dann auch als DC-Trennschalter verwendet wird. Die "größe" der Sicherung richtet sich nach der Anwendung und wird individuell berechnet.

Beispielrechnung

Nehmen wir als Beispiel 3600 kWh Jahresstromverbrauch, was umgerechnet so 10 kWh/Tag sind. Die zu erwartende Lastspitze liegt bei ca. 5000 Watt, womit wir eine Wechselrichter-Wirkleistung von min. 5 kW benötigten. Wir planen, dass wir zwei Tage mit dem Batteriespeicher überbrücken möchten, falls die Sonne nicht scheint. Da wir 10 kWh am Tag benötigten, brauchen wir also einen Speicher, der min. 20 kWh Wirkleistung bereitstellen kann. Bei einem Entlade-Wirkungsgrad von 0,9 muss der Speicher min. 22,2 kWh nutzbare Kapazität aufbringen. 10% bis 20% sollten grundsätzlich mindestens im Lithium-Ionen-Speicher bleiben. Somit benötigten wir eine Nettokapazität von 24,42 kWh bis 26,64 kWh.

Bei der Größe des PV-Feldes gehen wir von 800 kWh/kWp aus und einem solaren Deckungsgrad von 60%. Das bedeutet, das von unseren 3600 kWh/a 2160 kWh durch die Sonne abgedeckt werden. 2160 kWh bei 70% Systemperformance ergibt ca. 3086 kWh, die mindestens vom PV-Generator kommen muss. Daher würde es theoretisch betrachtet reichen, wenn unsere PV-Anlage 3,86 kWp groß ist (3086 kWh : 800 kWh/kWp im Jahr = 3,86 kWp). Wie oben bereits erwähnt, wollen wir uns hier nicht auf die etwa 25 kWh Speicherkapazität fixieren, die in etwa 2 Stunden geladen werden soll. In diesen 25 kWh ist eine Überbrückungszeit eingerechnet, die im Alltag nicht benötigt wird. Daher vernachlässigen wir die 2 Stunden Ladezeit. Es spricht aber nichts dagegen, die PV-Anlage etwas größer zu designen, schließlich kann unser Wechselrichter min. 5 kW Leistung erzeugen.

Zu den Solarmodulen haben wir eine Kabellänge von 10 Metern bzw. 20 Metern, da im Gleichstrombereich die Minus- und Plusleitung zusammengerechnet werden muss. Unsere Module haben eine zu erwarteten Höchststrom von etwa 12 Ampere. Man könnte einen 16 Ampere DC-Sicherungsautomaten verwenden, sofern im Generatoranschlusskasten mit Überspannungsableiter keine DC-Sicherung eingebaut ist.

Bei der Batterie sind wir 2 Meter vom Wechselrichter entfernt und müssen daher mit 4 Meter Kabellänge rechnen. Wenn wir die kurzfristige Maximalleistung des Wechselrichters nehmen, dann empfiehlt es sich, ein 50mm² Kabel zu verwenden mit einer 200 Ampere Sicherung.

Somit kommen wir auf folgende notwendigen Artikel:

• mindestens 3,86 kWp PV-Anlage (bei 450 Wp/Modul 8,5 Platten bzw. runden wir auf 10 auf)
• Speicherkapazität von etwa 25 kWh
• dauerhafte Wechselrichter-Wirkleistung von min. 5000 Watt
• Benzin- bzw. Dieselgenerator mit 4500-5000 Watt Wirkleistung
• 4mm² - 6mm² Solarkabel
• Sicherungen und Zubehör
• Überspannungsableiter

Beratung

Falls Sie sich nicht auf ein Speichersystem festlegen können, beraten wir Sie gerne persönlich. Kontaktieren Sie uns einfach und wir erstellen Ihnen ein Angebot zu den benötigten Komponenten. Beachten Sie dabei bitte, dass wir keine Systeme für Wohnwagen, Boote, Anhänger oder dergleichen planen, sondern für Häuser. 

Bildquelle: © SMA