Inselanlage für das Schullandheim: Auslegung im Dezember und Akku bei Frost
Das Schullandheim des Gymnasiums liegt ohne Netzanschluss im Schwarzwald und soll über eine Inselanlage mit Photovoltaik und Akku versorgt werden. Der Tagesverbrauch beträgt im Jahresmittel 1,2 kWh für LED-Beleuchtung, Kühlschrank, Pumpen und Ladegeräte. Für den Auslegungsmonat Dezember liegt die Globalstrahlung auf der 60° geneigten Modulfläche bei 0,7 kWh/m²/Tag; mit einem Performance Ratio von 0,8 und Modulen mit 20 % Wirkungsgrad ergibt sich ein spezifischer Ertrag von rund 0,55 kWh je kWp und Tag. Der Akku steht in einem unbeheizten Technikraum, in dem im Winter −10 °C gemessen werden. Der Betreiber wünscht drei Tage Autonomie ohne Sonne und eine Entladetiefe von höchstens 80 %. Ein Mitschüler schlägt vor, aus Kostengründen einen PWM-Laderegler statt eines MPPT-Reglers zu nehmen und den Akku kleiner zu dimensionieren, weil im Winter ohnehin weniger verbraucht werde.
1. Berechnen Sie die benötigte Modulleistung und die Akkukapazität für drei Tage Autonomie. Prüfen Sie anschließend, ob die Anlage den Dezemberbedarf deckt, wenn der Verbrauch in den Ferien auf 2,0 kWh/Tag steigt.
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Modulleistung: Der Tagesertrag pro kWp beträgt 0,55 kWh. Für 1,2 kWh/Tag gilt P = 1,2 / 0,55 ≈ 2,2 kWp. Das ist die Auslegung auf den schlechtesten Monat, also bereits der Worst Case; im Sommer liefert die Anlage ein Vielfaches.
Akku: Nutzbar sind 3 Tage · 1,2 kWh = 3,6 kWh. Bei 80 % Entladetiefe ist die Nennkapazität 3,6 / 0,8 = 4,5 kWh. Bei −10 °C sinkt die nutzbare Kapazität je nach Zelle um 15–20 %, dazu kommt die Alterung; realistisch sind 5,0–5,5 kWh zu installieren, wenn der Akku kalt steht.
Ferienfall: Bei 2,0 kWh/Tag wären 2,0 / 0,55 ≈ 3,6 kWp nötig, also rund 65 % mehr Modulfläche, und der Akku müsste 3 · 2,0 / 0,8 = 7,5 kWh nominal haben. Die geplante Anlage deckt diesen Fall nicht ab; sie würde an sonnenarmen Tagen in die Tiefentladung laufen und müsste abschalten.
Bewertung: Die Auslegung auf den Jahresmittelverbrauch ist nur zulässig, wenn der Winterverbrauch tatsächlich bei 1,2 kWh/Tag bleibt. Der Lastgang im Dezember ist die maßgebende Größe, nicht der Jahresmittelwert.
2. Beurteilen Sie den Einsatz eines LiFePO4-Akkus in einem unbeheizten Raum bei −10 °C und leiten Sie zwei Maßnahmen ab.
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LiFePO4-Zellen haben eine gute Zyklenfestigkeit und eine geringe Brandneigung, sind aber beim Laden kälteempfindlich. Unterhalb von 0 °C darf nicht geladen werden, weil die Lithium-Ionen im Elektrolyten zu langsam diffundieren; es kommt zu Lithium-Plating an der Anode, das Kapazität irreversibel verringert und im Extremfall zu inneren Kurzschlüssen führt. Entladen ist bei −10 °C mit reduzierter Leistung noch möglich, die nutzbare Kapazität sinkt jedoch deutlich, und der Innenwiderstand steigt, sodass die Spannung unter Last früher einbricht.
Maßnahmen:
- Ladesperre über das BMS: NTC am Zellblock, Ladung wird unter 0 °C freigegeben erst wieder ab etwa +5 °C, Entladung bleibt erlaubt. Das verhindert Schäden, kostet aber im Winter Ertrag, weil die Mittagssonne dann nicht genutzt wird.
- Heizung und Dämmung des Akkuraums: Heizmatte mit Thermostat, gedämmte Box, oder Aufstellung im beheizten Teil des Hauses. Die Heizenergie muss in der Bilanz berücksichtigt werden, sie ist aber im Winter ohnehin als Wärme nutzbar.
Alternativen: Blei-Säure-Akkus sind weniger kälteempfindlich beim Laden, vertragen aber nur etwa 50 % Entladetiefe, sind schwerer und benötigen mehr Wartung. Für eine unbeheizte Hütte ist die beheizte LiFePO4-Lösung trotz des Aufwands meist die bessere Wahl.
3. Im Dezember steigt der Verbrauch über die Ferien auf 2,0 kWh/Tag. Beurteilen Sie drei Optionen: Anlage vergrößern, Verbraucher reduzieren, Notstromaggregat. Nennen Sie Kriterien und eine begründete Empfehlung.
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Kriterien: Investitionskosten, Wartungsaufwand, CO₂ und Lärm, Ausfallrisiko, Skalierbarkeit und der tatsächliche Nutzen im schlechtesten Monat.
Option 1 – Anlage vergrößern: 3,6 kWp Module und 7,5 kWh Akku. Hohe Investition, im Sommer großer Überschuss, der nicht genutzt werden kann. Sinnvoll nur, wenn auch der Sommerverbrauch steigt.
Option 2 – Verbraucher reduzieren: Der alte Kühlschrank mit 0,6 kWh/Tag ist der größte Einzelposten; ein effizientes Gerät halbiert das. LED, abschaltbare Ladegeräte und eine bedarfsgerechte Pumpensteuerung bringen weitere Einsparung. Die eingesparte Kilowattstunde ist die billigste, sie reduziert Modul- und Akkugröße gleichzeitig.
Option 3 – Notstromaggregat: Zuverlässig bei Dunkelflaute, aber Treibstoff, Lärm, Abgase, Wartung und Bedienung durch Laien. Als Dauerlösung für 2 kWh/Tag ungeeignet, als Rückfallebene für wenige Tage im Jahr vertretbar.
Empfehlung: Zuerst Verbrauch senken (Kühlschrank, Ladegeräte), dann auf etwa 2,6–2,8 kWp und 6 kWh Akku moderat überdimensionieren. Ein kleines Aggregat mit Ladegerät als Reserve für längere Schlechtwetterphasen ist sinnvoller als eine Anlage, die 65 % größer ist und im Sommer ungenutzt bleibt.