Regenerative Energie für Wärme und Strom

Erneuerbare Energien sind sauber, sie vermeiden Treibhausgase und Schadstoffe und vermindern dadurch den Treibhausgaseffekt und Gesundheitsbelastungen. Auch ökonomisch gibt es viele Gründe für die Erneuerbaren: So sind Sonne, Wind und Biomasse, Erdwärme und Wasser heimische Energieträger, durch deren Nutzung teure fossile Brennstoffimporte eingespart werden können. Zudem konnte mit dem Ausbau erneuerbarer Energien auch eine ganz neue High-Tech-Branche in Deutschland aufgebaut werden, die vielen Menschen Arbeit bietet, und durch die neue und weiter wachsende Exportchancen für Deutschland entstehen. Durch die wachsenden Preise für Öl, Gas und Kohle und die immer effizienter werdenden Erneuerbare-Energie-Anlagen wachsen diese ökonomischen Vorteile sogar. Und nicht zuletzt sind erneuerbare Energien im Gegensatz zu den fossilen und auch den nuklearen Energieträgern nach menschlichem Ermessen unendlich und oftmals verfügbar und sind so der ideale Rohstoff für eine nachhaltig ausgerichtete Energieversorgung. (Quelle: Agentur für Erneuerbare Energie)

Die Energiewende ist mit dramatischen Veränderungen für die Energiewirtschaft verbunden. Große Energieversorger geraten in Schwierigkeiten (Quelle: "Flexibel und Frei", Roger Hackstock, erschienen bei Oekom © 2017)

  • Sie haben die systemverändernde Wucht der erneuerbaren Energien unterschätzt.
  • Im Kampf gegen den Klimawandel ruhen viele Hoffnungen auf der Energiewende.
  • Die dezentrale Erzeugung erneuerbarer Energien macht die Stromversorgung flexibler, stabilisiert die Netze und macht Netzerweiterungen oft unnötig.
  • Überschüssige Energie kann für Nachfragespitzen in Batterien gespeichert werden.
  • Die Digitalisierung macht auch vor der Energiebranche nicht halt und bietet Chancen für Start-ups, die sich aufgrund solcher Veränderungen erst bilden und neue Geschäftsmodelle beginnen.
  • Für Unternehmen bieten sich viele Einsparpotenziale durch erneuerbare Energie in Kombination mit Speichern, Lastverschiebungen und intelligenten Lösungen.
  • Kommunen entwickeln Ideen, um ihren Energiebedarf aus lokalen Quellen zu decken, wodurch viel Wertschöpfung in der Region bleibt. Bürger beteiligen sich gern.
  • Der Markt für Elektroautos entfaltet eine ungeahnte Dynamik. Unser Mobilitätsverhalten könnte sich weit schneller verändern als erwartet.
  • Die Energiewende ist jedoch nur ein Schritt auf dem Weg zur Nachhaltigkeit.

Photovoltaik

Herzstück einer PV-Anlage sind die auf dem Dach montierten Solarmodule. Diese beinhalten Zellen, die im Prinzip als Umkehrprozess einer Leuchtdiode das Sonnenlicht in Strom umwandeln. Auf diese Weise wird Gleichstrom erzeugt, der von Wechselrichtern zu 230 V-Wechselstrom umgewandelt wird. Der selbst erzeugte Strom kann auch selbst verbraucht, zwischengespeichert oder an den Stromversorger verkauft werden. (Quelle: Solaranlage.eu)

Solarthermie

Die Solarthermie basiert auf einem denkbar einfachen Prinzip. In einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert die so genannte Solarflüssigkeit, eine Mischung aus Wasser und Frostschutzmittel. Auf dem Dach befinden sich Solarkollektoren, in denen diese Flüssigkeit durch die Sonne erwärmt wird. Im Keller des Hauses befindet sich ein Wärmespeicher, bei dem es sich im Wesentlichen um einen thermisch sehr gut isolierten Wassertank handelt. Über einen Wärmetauscher gibt die auf dem Dach erwärmte Solarflüssigkeit ihre Wärmeenergie an diesen Speicher ab. Das so erwärmte Wasser kann direkt entnommen und als Trinkwasser oder für die Heizung verwendet werden. (Quelle: Solaranlage.eu)

Wirkungsgrade und Vergleich

Solarkollektoren haben einen deutlich höheren Wirkungsgrad als PV-Module und erreichen Wirkungsgrade von etwa 90 %. Aufgrund von Verlusten in Leitungen, Wärmetauscher und Speicher erreicht die Gesamtanlage meist einen Wirkungsgrad von 50 %. Photovoltaikanlagen setzen mit 20 % Wirkungsgrad deutlich weniger Sonnenlicht in Energie um. Hauptgrund dafür ist, dass das Sonnenlicht ein breites Spektrum umfasst, das von langwelliger Wärmestrahlung bis zu kurzwelliger ultravioletter Strahlung reicht. Das gesamte Strahlungsspektrum erwärmt die Solarkollektoren, sogar noch im Winter oder bei etwas Schnee auf den Kollektoren, aber die PV-Anlage kann nur einen geringen Teil dieses Spektrums umwandeln.

Der Vergleich der erzeugten Gesamtenergie sagt allein wenig aus. Es ist kein Zufall, dass eine Kilowattstunde Strom deutlich teurer ist als eine Kilowattstunde Heizwärme. Strom ist deutlich schwieriger zu erzeugen, auch bei der in Kraftwerken vorgenommenen Umwandlung von Wärme in Strom treten hohe Verluste auf. Aus ökologischer Sicht ist die Solarthermie der Photovoltaik mindestens ebenbürtig.

Photovoltaik in Waldstetten

Hier nun ein Beispiel einer tatsächlich laufenden PV-Anlage in Waldstetten auf einem nach Süden geneigten Dach:

  • 35° Dachneigung, Anlage mit 6600 kW peak, echte Jahresproduktion ca 7.000 kWh
  • Jahresverbrauch ca 4.100 kWh, Durchschnittsverbrauch damit pro Tag 11,3 kWh 

Die Grafik zeigt

  • den Tagesverbrauch und
  • die Stromproduktion an einem Sommertag Mitte Aug 2019 und
  • an einem Wintertag Mitte Dez 2019. 

Man sieht an der blauen Produktionslinie Mitte Dez, dass tagsüber auch im Winter mehr Strom produziert werden kann als verbraucht wird (graue Linie)

Zwischen ca. 10:00 und 16:00 Uhr wird fast immer mehr Strom produziert als verbraucht.

Im Zeitraum tagsüber, also von 10:00 bis 16:00 Uhr, ist der Verbrauch bei 4,1 kWh/Tag (roter Balken). Blau dargestellt die Stromproduktion an den beiden Tagen im gleichen Zeitraum.

Die Stromproduktion kann so wie in der folgenden Grafik schwanken (Zeitraum Anfang August bis Ende Juli des Folgejahres). Und auch mitten im Winter kann so viel Strom produziert werden, dass der Tagesbedarf gedeckt wird. Aber es gibt in der  Jahreszeit auch mehr graue Tage, an denen die Produktion sehr gering ausfallen kann. 

Es zeigt sich auch, dass ein Großteil der Tage im Jahr mehr Strom produziert wird als tagsüber verbraucht wird.

Wenn nun noch ein Stromspeicher vorhanden ist, muss an deutlich weniger Tagen Strom zugekauft werden.

Lohnt ein Speicher

Der Verbrauch an Strom ist im Tagesverlauf anders verteilt als die Produktion. Nachts und früh morgens wird Strom verbraucht aber keiner produziert. Also müsste in der Zeit zugekauft werden.

Dafür wird aber tagsüber oft deutlich mehr Strom produziert, als zur gleichen Zeit verbraucht wird. Also müsste man diese Überproduktion verkaufen.

Eine Alternative ist ein Stromspeicher, der tags aufgefüllt wird, und dann nachts und morgens den Strombedarf aus dem Speicher deckt.

Der Kostenvergleich zeigt vier Varianten, von reinem Stromkauf ohne PV-Anlage bis zur PV-Anlage mit Speicher.

Eine PV-Anlage rechnet sich sogar, wenn der gesamte produzierte Strom verkauft wird in 10 Jahren, und in 7 Jahren wenn möglichst viel selbst verbraucht wird.

Der Speicher rechnet sich auch und ist langfristig die interessanteste Alternative.

(Annahme wie unten, Preise können variieren).

Angaben auf dieser Seite sind Beispielrechnungen, keine Gewähr für die Angaben und kein Anspruch auf Richtigkeit, jeder Interessent sollte eine eigene Rechnung vom Installateur erstellen lassen.