Wie autark bist Du?

Eigenverbrauch, Autarkie und Wirtschaftlichkeit von Solarstromanlagen berechnen

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Durch die wachsende Bedeutung von solarer Stromerzeugung am Gebäude ist es konsequent, die solaren Beiträge in der energetischen Bilanzierung von Gebäuden zu berücksichtigen. Dies betrifft insbesondere Gebäude mit dem Anspruch einer ausgeglichenen oder positiven Jahresenergiebilanz, also die sogenannten Null- und Plusenergiehäuser. Will man erzeugten Solarstrom bei der Bewertung einbeziehen, kommt es darauf an, den Anteil des selbst genutzten Stroms (Eigenverbrauch) von demjenigen getrennt zu betrachten, der in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird. Insbesondere ist hier auch der Einfluss von Stromspeichern relevant.
Diese Trennung weist auf der Basis einer üblicherweise jährlichen oder monatlichen Energiebilanzierung in normativen Verfahren einige Schwierigkeiten auf. In diesem Beitrag werden die Vor- und Nachteile unterschiedlicher Ansätze diskutiert und ein geeignetes Näherungsverfahren vorgestellt. Dazu wurde das Excel-Werkzeug PVCalC entwickelt, mit dem der Energiefluss einer PV-Anlage mit und ohne Stromspeicher abgeschätzt und visualisiert werden kann. Dieses Verfahren wurde in der DIN V 18599 für die Wohngebäudeanrechnung in Deutschland übernommen.
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Für die neue Version von PVCalC 2 wurde der Algorithmus erweitert, sodass die Bewertung des Eigenverbrauchs nun präziser und auch eine Bewertung unterschiedlicher Stromlastprofile (SLP: H0D, G0 bis G6, L0, BD und SBN) möglich ist.

Wenige Eingaben - fundierte Ergebnisse

Eingangsdaten zur Berechnung des Stromertrags einer Photovoltaikanlage sind die Modulneigung, die Orientierung, Klimadaten sowie technische Aspekte. Der erzeugte Solarstrom ist dem Gebäudestrombedarf gegenüberzustellen. Das in PVCalC verwendete Anrechnungsverfahren basiert auf einem eigens dafür entwickelten Bilanzverfahren und berechnet die Stromanteile näherungsweise zählergenau. Neben dem Hausstromverbrauch kann auch der Strombedarf von technischen Systemen berücksichtigt werden.

Besonders an PVCalC ist die Berücksichtigung der Wärmeerzeugung mit Wärmepumpen. Deren Einsatz erhöht den Gebäudestrombedarf und bietet gleichzeitig die Chance diesen durch selbst erzeugten Strom zu decken. Deshalb ist in PVCalC eine monatliche Gebäudeenergiebilanz integriert, mit welcher der Einfluss von Wärmepumpen in Abhängigkeit vom Wärmeschutzniveau bestimmt werden kann. Im Hintergrund wird ein Gebäudemodell erzeugt, auf dessen Basis die Energiebilanz durchgeführt wird. Dabei kann der Heizwärmebedarf als auch der Energiebedarf für die Warmwasserbereitung einbezogen werden. Insbesondere kann auch der Einfluss einer thermische Solaranlage zur Warmwassererwärmung berücksichtigt werden, die im Sommer mit der Photovoltaikanlage konkurriert. In vielen anderen Werkzeugen können dieses Zusammenhänge nicht ausreichend abgebildet werden. Batteriespeicher helfen zudem überschüssigen Strom am Tag zu speichern und dem Gebäude während den Nachtstunden zur Verfügung zu stellen. Der Eigenverbrauch kann dadurch signifikant erhöht werden.

PVCalC ist einfach zu nutzen

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Über einfache Schieberegler können die Größe der PV-Anlage, die Stromspeichergröße, die Gebäudefläche und der Haus- bzw. der Allgemeinstromverbrauch modifiziert werden. Die Berechnung erfolgt ohne Verzögerung und das Ergebnis wird direkt angezeigt. In Abhängigkeit davon erfolgt die Bilanzierung und Anrechnung des PV-Stroms in der Gebäudebilanz. Die beiden Kreisdiagramm zeigen die Strombilanz einmal von der Gebäudeseite (also wie hoch der Anteil des PV-Stroms am Gebäudestrombedarf bwz. wie unabhängig man von der externen Energieversorgung ist - auch Autarkiegrad oder Selbstversorgungsgrad genannt) und einmal aus der Sicht der PV-Anlage (also wieviel Strom selbst genutzt wird und wieviel in das öffentliche Netz eingespeist wird - Eigenverbrauchsanteil genannt).
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Wie groß ist das Winterstromloch?

Im Abschnitt monatliche Energiebilanz werden die Berechnungsergebnisse monatlich dargestellt. Man erkennt schnell, wann überschüssiger Strom (im Sommer) in das Netz eingespeist wird und wieviel Strom vom Netz (Winterschwerpunkt) zu beziehen ist; ebenso den Beitrag eines Stromspeichers.
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Klimafreundlich ist eine Solarstromanlage! Und wie wirtschaftlich?

Ob sich eine Photovoltaikanlage auch finanziell lohnt, kann im Bereich Wirtschaftlichkeitsberechnung überprüft werden. In PVCalC ist eine automatisierte dynamische Wirtschaftlichkeitsberechnung integriert. Kosten für PV-Anlage und Stromspeicher sind automatisch vorbelegt, können aber bei Vorlage von konkreten Angebotskosten auch manuell eingegeben werden. Unter Berücksichtigung der folgenden Faktoren kann die Wirtschaftlichkeit einer PV-Anlage bestimmt werden. Für alle Faktoren sind Standardwerte hinterlegt (z.B. Einspeisevergütung in DE und LU), die nach Belieben angepasst werden können.
  • Investitionskosten
  • Einspeisevergügung
  • Strombezugspreis
  • Anteilige EEG-Umlage
  • Direktvermarktungspreis
  • Betriebskosten
  • Kapitalkosten
  • Inflation
  • Energiepreissteigerung
  • Degradation der Module
  • Betrachtungszeitraum und
  • mögliche Förderung
Als Bewertungsparameter stehen unter anderem die folgenden Ergebnisse zur Verfügung
  • Amortisationszeit
  • Interner Zinsfuß
  • Nettobarwert
  • Vergleich mit einer konventionellen Geldanlage
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Steuerliche Aspekte werden nicht einbezogen, da sie nicht für alle Länder einheitlich sind. Alle Eingabewerte sind deshalb inklusive MwSt. einzugeben. Für eine erste Abschätzung ist dieser Ansatz erst einmal ausreichend.

Die optimale Größe von Solarstromanlage und Stromspeicher bestimmen

Die Auslegung einer zum Gebäude- und Nutzerverhalten passenden Photovoltaikanlage kann mit dem Szenariorechner bewertet werden. Die Simulation erfolgt für 400 Kombinationen von Leistung der PV-Anlage und Batteriespeicherkapazität. Als Ausgabegröße können verschiedene Parameter für unterschiedliche Zielsetzungen gewählt werden. So kann die Kombination mit der größten Eigenverbrauchsdeckung (Autarkie) oder aber die Kombination mit der besten Wirtschaftlichkeit bewertet werden.
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Das folgende Bild zeigt beispielhaft die im Szenariorechner ermittelte Autarkie (Unabhängigkeit vom Stromnetz) für unterschiedliche Größen von PV-Anlage und Stromspeicher. Die Auswertung nimmt weniger als 1 Sekunde in Anspruch.
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Wenn Du mehr Details zur Berechnung sehen willst

Möchte man mehr Details zu den Berechnungen sehen, so können diese im Bereich weitere Berechnungsdetails angezeigt werden. Somit bleiben die Berechnungsergebnisse nachvollziehbar und laufen nicht vollständig in einer Black-Box ab.
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Für PVCalC wurden Stromlastprofile (SLP: H0D, G0 bis G6, L0, BD und SBN, basierend auf 15 minütigen Messwerten) ausgewertet und aufbereitet, sodass sie für das Anrechnungsverfahren verwendet werden können. Dadurch kann die Charakteristik des Stromverbrauchs für die Bestimmung des Eigenverbrauchs näherungsweise einbezogen werden.
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Im Bild Stromlast-Charakteristik wird eine Gegenüberstellung der mittleren täglichen Jahresstromerzeugung und des mittleren täglichen Jahresstrombedarfs dargestellt. Dies ist in der Tat eine sehr vereinfachte und verallgemeinerte Information, visualisiert aber dennoch ein typisches Verhältnis von der Größe der PV-Anlage zum (Allgemein)Strombedarf des Gebäudes.
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In PVCalC ist eine Gebäude-Energiebilanz integriert. Dadurch kann in Abhängigkeit von bauphysikalischen und technischen Gebäudeeigenschaften der Heizwärme- und der Kühlkältebedarf bestimmt werden. Darauf aufbauend kann der Strombedarf für das jeweilige Energiegewerk ermittelt werden.
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Im Diagramm Strombedarf und Stromerzeugung werden alle Stromanwendungen im Gebäude und die Stromerzeugung mit der Photovoltaikanlage gemeinsam dargestellt.
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Mit der Cashflow-Analyse werden die jährlichen Einnahmen und Ausgaben über den Betrachtungszeitraum bestimmt. Hier fließen Energiepreissteigerung, Inflation und weitere dynamische Parameter ein.
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Die Grafik virtueller Kontostand zeigt den summierten Finanzfluss über den Betrachtungszeitraum. Durchkreuzt die Linie die Nulllinie ist das investierte Kapital durch Einnahmen widererwirtschaftet. Die Anlage hat sich amortisiert.
Neben der Aufteilung des Strombedarfs werden die ermittelten Anteile für Eigenverbrauch, Batterieentladung, Netzeinspeisung sowie die Gebäudeenergiebilanz dargestellt. Im Bild Primärenergiebilanz Gebäude wird der resultierende Ressourcenverbrauch des Gebäudes dargestellt (nZEB-Gebäude). Der Wert entspricht den Energieressourcen, die dem Gebäude real zugeführt werden müssen. Ein Kennwert von Null bedeutet, dass das Gebäude unabhängig vom Stromnetz oder fossilen Energiequellen betrieben werden kann. Mit aktuellen Technologien ist dies jedoch nicht sinnvoll zu realisieren.
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Die Ergebnisse der Energiebilanzen werden monatlich in einer übersichtlichen Tabelle dokumentiert.
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Für die Wirtschaftlichkeitsberechnung werden die jährlichen Geldflüsse bestimmt und so die Entwicklung über die Zeit (variabel 1 bis maximal 25 Jahre) simuliert. Die Bewertung erfolgt mit der Kapitalwertmethode.
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Eingabemaske Wirtschaftlichkeit

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Beispielhafte grafische Auswertung aus dem Szenarienrechner

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Wie genau sind die Ergebnisse?

Die Berechnung des Eigenstromverbrauchs ist ein komplexes Thema und es kann auch bestenfalls nur eine mit Unsicherheiten behaftete Prognose erstellt werden. Das liegt daran, das zeitliche Schwankungen bei der Stromerzeugung und beim Stromverbrauch einen maßgebenden Einfluss darauf haben, wie viel selbst erzeugter Strom direkt im Gebäude verbraucht werden kann. Für die Berechnung bedient man sich daher einem typischen Stromlastprofil, was ein mittleres Verbrauchsverhalten über viele Haushalte widerspiegelt. Für die Berechnung ist auch ein sehr kurzer Berechnungszeitschritt (1 bis 5 Minuten) vorteilhaft, um zum Beispiel auch den Einfluss von kurzzeitiger Be- und Entladung von Stromspeichern über den Tag abzubilden. Letztlich ist der Verlauf des Stromverbrauchs immer sehr individuell und nutzerabhängig und das Wetter macht ja bekanntlich sowieso was es will. Es bleibt eben eine prognostizierte Schätzung - mehr darf man nicht erwarten.

An der btw-Berlin wurde ein Unabhängigkeitsrechner entwickelt, mit dem der Autarkiegrad und der Eigenverbrauch bestimmt werden können. Grundlage dieses Werkzeugs sind Simulationsergebnisse mit kurzen Zeitschritten.

Zum Vergleich werden für ein Wohngebäude, mit einem mittleren Stromverbrauch von 4.700 kWh/a, verschiedene Kombinationen aus Größe der PV-Anlage (1 - 20 kW) und Größe des Batteriespeichers (0 - 20 kWh) berechnet und jeweils der Eigenverbrauchsanteil und der Autarkiegrad berechnet. Die Ausgangsbedingungen*) für die beiden Berechnung können nicht zu 100% abgeglichen werden; so ist zum Beispiel der verwendete Wetterdatensatz nicht der Gleiche. Die spezifischen Jahreserträge liegen aber mit 1.024 kWh/a je kW und 997 kWh/a je kW auf vergleichbarem Niveau. Folgende Bilder zeigen die Berechnungsergebnisse, die überwiegend gut übereinstimmen.

*) Die Hochschule für Technik und Wirtschaft in Berlin (htw-Berlin) hat gemessene Stromlastprofile mit einer Auflösung von bis zu 1 Sekunde veröffentlicht. Basierend auf diesen Daten**) wurde ein mittleres Stromlastprofil für PVCalC abgeleitet und dort, zusätzlich zu den bereits vorhandenen, integriert.

**) Tjaden, T.; Bergner, J.; Weniger, J.; Quaschning, V.: „Repräsentative elektrische Lastprofile für Einfamilienhäuser in Deutschland auf 1-sekündiger Datenbasis“, Datensatz, Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) Berlin, Lizenz: CC-BY-NC-4.0, heruntergeladen am 21.06.2020
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