E-Mobilitätslösungen in der Photovoltaik

Wie bereits bekannt, ist die Einspeisevergütung in Deutschland keine Marktkonstante und führt gelegentlich – aber unweigerlich – zu Frustration bei Monteuren und Projektierern. Hinzu kommt, dass die Strompreise kontinuierlich zu steigen scheinen. Kein Wunder also, dass sich der Fokus zunehmend von der Übervergütung zur Selbstverbrauchsoptimierung verlagert.

Seit einigen Jahren hat sich der Einsatz von Batteriespeichern in Photovoltaikanlagen etabliert, um den erzeugten Strom selbst so effektiv wie möglich zu nutzen. Doch die Möglichkeiten zur Optimierung des Eigenverbrauchs sind vielfältig und finden immer mehr Beachtung. Obwohl immer noch ein Nischenprodukt, könnte es das Wachstum der E-Mobilität in den kommenden Jahren mitgestalten: eine Ladestation – oder besser gesagt eine Wandbox – für das eigene Zuhause.

Das Grundprinzip der Selbstverbrauchsoptimierung

Ladestationen gibt es schon seit langem – neu ist ihre Integration in Photovoltaikanlagen und die damit verbundenen Vorteile. Um sicherzustellen, dass der primäre Solarstrom zur Ladung genutzt wird, müssen grundsätzlich zwei Voraussetzungen erfüllt sein:

Die Ladestation muss „intelligent“ sein oder die Steuerung ermöglichen.
Der Überschuss aus dem Erzeugungssystem muss bekannt sein.
Der Aufbau ist derselbe wie bei den oben genannten Batteriespeichern: Die Stromflüsse werden an der Netzeinspeisestelle protokolliert und die Batterie oder der Verbraucher bei Überschuss aktiviert.

Konventionelles Batteriesystem:

System mit Ladestation:

Wie Sie sehen können, ist eine Kommunikationsanbindung an die PV-Anlage unerlässlich, um eine optimale Nutzung des Solarstroms zu ermöglichen. Die Energiebilanz an einem typischen Tag in einem bestehenden System wird im Folgenden dargestellt. Die Ladekapazität der Wanddose ist rot dargestellt. Die Steuerung der Ladekapazität und die „Simulation“ der Erzeugungskurve sind deutlich erkennbar.

Steuerung der Ladestation:

Schon nach kurzer Zeit profitabel
Steigende Strompreise und sinkende Systemkosten für die PV werden die Investition in Zukunft immer attraktiver machen. Wie sich eine Wanddose bezahlt macht, hängt von vielen Faktoren wie Ladezeit, Batteriegröße, Größe der PV-Anlage ab – eine einfache Antwort ist daher nicht möglich. Eine typische Berechnung zeigt jedoch, dass sich die Investition bereits nach 1-2 Jahren amortisieren kann.

Annahmen:

Investitionskosten für die Ladesäule: €1500
Stromerzeugungskosten: 8 Cent/kWh
Tägliche Batterieladung: 15 kWh
Arbeitspreis für die Strombeschaffung: 25 Cent/kWh
PV-Anlage ausreichend dimensioniert, so dass genügend Überschuss zur Verfügung steht.

Differenz zwischen Stromkosten und Solarenergie: 25 Cent – 8 Cent = 17 Cent
Täglich sparen: 15 kWh x 17 Cent/kWh = 2,55 €.
Jährlich sparen: 2,55 € x 365 Tage = 930,75 €.
Amortisationszeit: 1500 € / 930,75 € = 1,61 Jahre

Eine hundertprozentige Abdeckung mit Solarstrom ist in der Praxis selten möglich, aber das zeigt, dass sich eine Investition schnell auszahlen kann.

Wanddose versus Steckdosen

Vielleicht fragen Sie sich, warum eine Ladestation installiert werden sollte, wenn in der Regel Standardsteckdosen in der Garage vorhanden sind. Der Grund dafür liegt in der sehr begrenzten Ladekapazität von Haushaltssteckdosen, auch Schutzerdsteckdosen genannt.

Diese sind für maximal 3,7kW (230V, 16A) ausgelegt, halten aber oft einer Dauerbelastung bei maximaler Leistung nicht stand, was in der Praxis zu zahlreichen verbrannten Steckdosen führt. Verbrannte Steckdosen und Kabelbrände können ein enormes Sicherheitsrisiko darstellen, wenn das System auch nicht abgesichert ist.

Außerdem folgt daraus logisch, dass niedrige Ladekapazitäten zu längeren Ladezeiten führen. Die theoretische Ladezeit t kann berechnet werden, indem man die Kapazität C durch die Ladeleistung P dividiert.

t = C/P

Ladestationen können bis zu 22kW, gelegentlich sogar bis zu 43kW aufladen. Ein Vergleich der Ladezeiten mit einem 20kWh und 40kWh Akku:

Dabei ist zu beachten, dass die maximale Ladekapazität auch durch das Fahrzeug begrenzt ist, d.h. es ist nicht möglich, mit jedem auf dem Markt erhältlichen E-Auto eine Schnellladung durchzuführen. Vor der Auswahl der geeigneten Ladestation sollten daher zunächst die technischen Einschränkungen geklärt werden.

Aktuelle Steckertypen

Die Ladekapazitäten der Wanddosen stellen auch beim Anschluss eines Elektroautos neue Herausforderungen dar. Unter der großen Vielfalt an Steckern haben sich einige wenige als Standard etabliert.

Typ 1:

Dieser Stecker ist ein einphasiger AC-Stecker, der eine Ladeleistung von bis zu 7,4 kW (230V, 32A) erreicht. Der Typ-1-Stecker spielt vor allem in den USA und Asien eine wichtige Rolle. Dieser Steckertyp wurde in der Vergangenheit in Europa sporadisch angetroffen, bevor der Typ-2-Stecker als Standard vereinbart wurde.

Typ 2:

Dies ist der Standardstecker für Europa (ab 2017 als europäische Norm für alle neuen Fahrzeugmodelle) und wurde in Deutschland entwickelt. Der Typ 2 Stecker ist ein dreiphasiger Stecker, in dem Ladekapazitäten bis zu 22kW (400 V, 32 A) im privaten Bereich und 43 kW (400 V, 63 A) in öffentlichen Ladestationen üblich sind. Die meisten „Wallboxen“ und Ladestationen sind ausgestattet.

Haustechnik und Verbrauchersteuerung

Der Verkauf des eigenen Ökostroms an den Energieversorger wird bei sinkenden Einspeisetarifen immer unattraktiver. So ist es nicht verwunderlich, dass viele neue Systeme heute bereits mit einem Batteriespeichersystem ausgeliefert werden. Das Thema Selbstverbrauchsoptimierung wird immer wichtiger und viele Hersteller haben diesen Trend auch im Markt erkannt.

Anstatt die Energie zunächst in einer Batterie zwischenzuspeichern und damit Umwandlungsverluste in Kauf zu nehmen, kann es sinnvoll sein, sie direkt mit Hilfe von schaltbaren Geräten zu verbrauchen. Oder als praktische Ergänzung, wenn der Batteriespeicher selbst nicht die gewünschte Menge aufnehmen kann.

Das Funktionsprinzip ist identisch mit dem eines Speichersystems. Die überschüssige Energie wird mit Hilfe einer Zählvorrichtung an der Netzeinspeisestelle erfasst und an den Wechselrichter übertragen, damit er intelligent definierte Geräte ein- oder ausschalten kann. Die Ein- und Ausschaltleistungsgrenzen sind in der Regel frei definierbar, ebenso wie die Zeitfenster, in denen Verbraucher laufen können oder müssen. Obwohl dieses Anwendungsgebiet noch in den Kinderschuhen steckt, gibt es im Folgenden bereits eine Reihe von möglichen Lösungen.

Funksteckdose

Der klassische Verbraucher. Fast alle Haushaltsgeräte können an handelsübliche Haushaltssteckdosen angeschlossen werden. Es ist also offensichtlich, dass es bereits geeignete Lösungen von mehreren Herstellern gibt. Abhängig von der erzeugten Energie wird die Funkbuchse durchgeschaltet, d.h. es handelt sich um einen EIN/AUS-Schaltkreis. Der Einsatz in Verbindung mit einem steckbaren Elektroheizer wäre typischerweise denkbar.

Heizstab

Die Steuerung eines Heizstabes ist offensichtlich, da er auch einen Energiespeicher darstellt, jedoch in Form von thermischer statt elektrischer Energie. Aufgrund seiner hohen Leistungswerte eignet er sich besonders für Anwendungen mit Spitzenlasten. Entsprechende Heizstabregler können die Energie kontinuierlich regeln und sind somit in der Lage, die überschüssige Energie dynamischer und genauer zu nutzen.

Potentialfreier Kontakt

Einige Verbraucher, insbesondere Wärmepumpen, können oft über ein einfaches Steuersignal eingeschaltet werden. Dieser Impuls kann durch einen sogenannten potentialfreien Kontakt (auch potenzialfreier Kontakt genannt) erzeugt werden, den Wechselrichter teilweise bereits integriert haben. Vergleichbar mit der Funksteckdose ist dies eine EIN/AUS-Steuerung.

Ladesäulen oder Wanddosen

Die Funktionalität von Ladestationen wurde bereits in unserem Blog ausführlich diskutiert. HIER finden Sie den Artikel. Die Mennekes-Ladestation kommuniziert direkt mit dem SMA Home Manager über das Netzwerk und benötigt keinen direkten elektrischen Anschluss an den Wechselrichter. Das EV-Ladegerät von SolarEdge hingegen wird ein Hybridsystem aus Wechselrichter und Ladestation sein, das den erzeugten Strom direkt in das angeschlossene Fahrzeug laden kann. Dabei handelt es sich um einen 5kW-Wechselrichter mit einer Erweiterung für das Ladegerät, der voraussichtlich im zweiten Quartal 2019 verfügbar sein wird.

Sektorkopplung erst am Anfang des Starts

Ein umfassendes Energiemanagement ist eine große Herausforderung, da Geräte oft nicht auf der gleichen Art der Kommunikation basieren. Für die integrale Steuerung ist ein standardisiertes und produktübergreifendes Kommunikationsprotokoll erforderlich, um eine intelligente Steuerung unabhängig vom Hersteller zu ermöglichen. Aus diesem Grund wurde die EEBUS-Initiative mit dem Ziel gegründet, eine Kommunikationsschnittstelle auf Basis von Standards und Normen zu etablieren.

Intelligente Verbraucher wie Geschirrspüler/Waschmaschinen und Wärmepumpen können in Zukunft direkt mit dem Erzeugungssystem Daten austauschen und so die Energieeffizienz steigern. Heute können beispielsweise nur noch eine Handvoll Geräte von Bosch und Stiebel Eltron an PV-Anlagen angeschlossen werden, aber diese Liste wird in den kommenden Jahren stetig wachsen.