Inselanlage einer Vereinshütte: Dezemberbilanz statt Jahresmittel
Eine Selbstversorgerhütte eines Vereins im Saarbrücker Umland hat eine Inselanlage mit 4 × 150 Wp Modulen (600 Wp), MPPT-Laderegler, einer 24-V-Batteriebank aus 2 × 12 V / 110 Ah in Reihe und einem 1,0-kW-Wechselrichter. Verbraucher: Kühlschrank (230 V, 45 W, Einschaltdauer 40 %), vier LED-Leuchten mit je 5 W für 4 h, Funk- und Notrufgerät mit 6 W dauerhaft, Wasserpumpe 250 W für 0,4 h täglich. Der Wechselrichter arbeitet mit 0,85 Wirkungsgrad. Im Dezember liegt die Globalstrahlung auf die 60° geneigte Südfläche bei 0,85 kWh/(m²·d), der Performance Ratio bei 0,75; der Waldrand verschattet morgens und abends und mindert den Ertrag um weitere 15 %. Seit der Kühlschrank 2023 ergänzt wurde, ist die Batterie an jedem Morgen tief entladen und nach zwei Wintern defekt. Die Blei-Säure-Batterien dürfen höchstens zu 50 % entladen werden; drei Tage Autonomie sind gefordert.
1. Ermitteln Sie den täglichen Energiebedarf (auf der 24-V-Gleichstromseite), den Dezemberertrag der vorhandenen Anlage und die Autonomie der vorhandenen Batterie.
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1. Verbrauch (AC-Verbraucher über Wechselrichter): – Kühlschrank: 45 W · 24 h · 0,40 = 432 Wh – Pumpe: 250 W · 0,4 h = 100 Wh Summe AC = 532 Wh → gleichstromseitig 532 / 0,85 = 626 Wh.
2. Verbrauch (DC-Verbraucher): – LED: 4 · 5 W · 4 h = 80 Wh – Funk/Notruf: 6 W · 24 h = 144 Wh Summe DC = 224 Wh.
3. Tagesbedarf: 626 + 224 = 850 Wh/d → bei 24 V: 850 / 24 = 35,4 Ah/d.
4. Dezemberertrag der vorhandenen 600 Wp: Spezifischer Tagesertrag = 0,85 kWh/(m²·d) · 0,75 · 0,85 = 0,542 kWh je kWp und Tag. E = 0,6 kWp · 0,542 = 0,325 kWh/d = 325 Wh/d.
5. Bilanz: 325 Wh/d Ertrag gegen 850 Wh/d Bedarf → Defizit 525 Wh/d (62 %). Die Anlage ist im Dezember strukturell unterdimensioniert; die Batterie wird täglich um ca. 22 Ah entladen und kann nicht mehr voll geladen werden – genau das führt zur Sulfatierung und zum beobachteten frühen Ausfall.
6. Autonomie der vorhandenen Batterie: 24 V · 110 Ah = 2.640 Wh; nutzbar bei 50 % Entladetiefe = 1.320 Wh → 1.320 / 850 = 1,55 Tage. Gefordert sind 3 Tage → nicht erfüllt, unabhängig vom PV-Ertrag.
2. Berechnen Sie die PV-Leistung für eine vollständige Deckung im Dezember. Prüfen Sie anschließend die Alternative, den 230-V-Kühlschrank durch ein 12-V-Kompressoraggregat (25 W, Einschaltdauer 30 %) zu ersetzen, und berechnen Sie den neuen Bedarf und die neue Generatorleistung.
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1. Vollständige Dezemberdeckung mit dem jetzigen Bedarf: P_PV = E_Tag / (spezifischer Tagesertrag) = 850 Wh / 0,542 kWh/kWp = 1569 Wp ≈ 1,6 kWp. Das ist fast das Dreifache der vorhandenen Leistung und wird im Sommer zu einem großen, ungenutzten Überschuss führen.
2. Bedarf mit 12-V-Kompressor-Kühlschrank: – Kühlschrank neu: 25 W · 24 h · 0,30 = 180 Wh (DC, kein Wechselrichterverlust) – AC verbleibt nur die Pumpe: 100 Wh → 100 / 0,85 = 118 Wh – LED 80 Wh, Funk 144 Wh Summe = 180 + 118 + 80 + 144 = 522 Wh/d → 21,8 Ah/d. Die Einsparung beträgt 328 Wh/d, also 39 % des bisherigen Bedarfs.
3. Neue Generatorleistung: P_PV = 522 / 0,542 = 963 Wp ≈ 1,0 kWp.
4. Batterie für 3 Tage Autonomie beim neuen Bedarf: Nutzbar erforderlich: 522 · 3 = 1.566 Wh → bei 50 % Entladetiefe Nennkapazität 3.132 Wh → 3.132 / 24 = 130 Ah. Die vorhandenen 110 Ah reichen auch nach der Lastreduktion nicht ganz; sinnvoll sind 2 × 12 V / 150 Ah (150 Ah, 3.600 Wh, nutzbar 1.800 Wh → 3,4 Tage).
5. Bewertung: Die Lastreduktion ersetzt ca. 600 Wp Generatorleistung, also rund vier Module. Sie ist damit die wirksamste und billigste Einzelmaßnahme – die „Energiequelle“ mit dem besten Preis-Leistungs-Verhältnis ist hier die Effizienz, nicht das Modul.
3. Entwickeln Sie aus den Varianten eine Empfehlung mit Kostenvergleich und begründen Sie, warum eine reine Vergrößerung der Batterie die falsche Maßnahme ist.
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Variante A – nur PV vergrößern: 1,6 kWp, also ca. 1.000 Wp zusätzlich ≈ 7 Module à 150 Wp. Kosten ca. 1.470 € (Module inkl. Montage) plus Batterie 150 Ah ca. 520 € → ca. 1.990 €. Nachteil: Im Sommer entsteht ein Ertragsüberschuss von mehreren kWh pro Tag, der nicht genutzt werden kann; die Anlage ist für acht Monate überdimensioniert.
Variante B – Last senken und moderat erweitern (Empfehlung): – 12-V-Kompressor-Kühlschrank: 180 € + 60 € Montage = 240 € – 2 zusätzliche Module à 150 Wp (Gesamt 900 Wp): 420 € – Batterie 2 × 12 V / 150 Ah: ca. 520 € Gesamt ca. 1.180 €. Dezemberbilanz: 900 Wp · 0,542 = 488 Wh/d gegen 522 Wh/d → Restdefizit 34 Wh/d (ca. 6 %). Dieses Defizit tritt nur in den dunkelsten Wochen auf und lässt sich mit dem ohnehin vorhandenen Benzinaggregat des Vereins (ca. 1 Betriebsstunde alle zwei Wochen) abdecken – deutlich billiger als weitere 600 Wp Photovoltaik.
Warum eine größere Batterie allein nichts löst: Die Batterie ist ein Puffer, keine Quelle. Bei einem Tagesdefizit von 525 Wh bleibt die Bilanz negativ; die Batterie wird nie vollständig geladen, die Säureschichtung und Sulfatierung schreiten weiter voran, und eine größere Batterie verlängert nur die Zeit bis zum Ausfall – sie kostet mehr und hält nicht länger. Erst wenn der Tagesertrag den Tagesbedarf deckt, erreicht die Batterie regelmäßig Volladung und damit ihre Lebensdauer.
Zusätzliche Auflagen:
- Laderegler mit Temperaturkompensation und Kennlinie für Blei-Säure prüfen (MPPT ist vorhanden).
- Tiefentladeschutz auf 50 % Entladetiefe einstellen und einen Batteriemonitor zur Aufzeichnung von SOC und Entladetiefe einbauen – nur so lässt sich der Dezemberbetrieb bewerten.
- Auslegung immer auf den schlechtesten Monat (Dezember), nicht auf den Jahresmittelwert.
- Funk- und Notrufgerät nicht abschalten; es ist sicherheitsrelevant und mit 144 Wh/d bereits sehr sparsam.