Photovoltaik – Inselanlage & Insellösung

Eine Photovoltaik Inselanlage, auch Insellösung genannt, ist komplett unabhängig vom öffentlichen Stromnetz. Der erzeugte Strom wird nur für den eigenen Verbrauch genutzt. Vor allem für Wohnwagen, Boote, Schrebergärten, Berghütten, abgelegene Sommerhäuser, Notrufsäulen und andere Anlagen, die nicht an das öffentliche Stromnetz angeschlossen sind, ist die Insellösung daher eine wirtschaftliche Lösung, durch die ein kostenintensiver Anschluss an das öffentliche Netz überflüssig wird.

Die Funktionsweise entspricht der einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage nur ohne die Möglichkeit der Einspeisung. Der erzeugte Strom wird entweder sofort verwendet oder zwischengespeichert. Bei der Photovoltaik Inselanlage sind die einzelnen Solarmodule zusammengeschlossen, der produzierte Strom kann über einen Wechselrichter – oder auch als Gleichstrom - genutzt werden. Für Insellösungen empfiehlt sich ein Stromspeicher. So kann zu viel produzierter Strom für sonnenarme Zeiten oder für den Stromverbrauch in der Nacht gespeichert und bei Bedarf abgerufen werden. Für Inselanlagen sind besonders leistungsfähige Speicher verfügbar, Ladung und Entladung steuert ein Laderegler. Dieser verhindert auch eine eventuelle Überladung der Akkus. Für Installation und Betrieb einer Photovoltaik Inselanlage sind folgende Komponenten erforderlich:

• Solargenerator aus Solarmodulen mit den vorher kalkulierten Leistungszahlen
• Generatoranschlusskasten (GAK) als Leitungszusammenführung und mit zusätzlichen Sicherungselementen als Überspannungsschutz
• Wechselrichter zur Nutzung des Stroms für elektrische Geräte am Hausnetz
• Stromspeicher zur Speicherung von überschüssig produziertem Strom für die spätere Nutzung
• Laderegler zur Steuerung der Ladevorgänge und als Überladeschutz

Inselanlagen, die auch als Solar Home System oder Off-Grid-Anlage bezeichnet werden, müssen besonders genau bemessen sein. Denn es gibt keine Möglichkeit, fehlende Kapazitäten extern aufzustocken. Hier hilft der Solateur dabei, die optimalen Leistungsparameter zu wählen. Um die Stromproduktion zu vergrößern, können Solar-Inselanlagen auch mit Windkrafträdern oder einer Biogasanlage gekoppelt werden. Diese Hybridlösung mit zwei Energieversorgern bietet sich vor allem für Wohnhäuser an, die nicht ans Stromnetz angeschlossen sind.

Vor der Installation einer Photovoltaik Inselanlage muss genau berechnet werden, wie viel Energie vom Verbraucher, zum Beispiel in der Berghütte, benötigt wird. Es kann nur so viel Energie genutzt werden, wie die Anlage auch erzeugt. Dementsprechend muss die Leistung der Photovoltaikanlage stimmen. Die Größe wird so gewählt, dass die erzeugte Energie der Solaranlage den Tagesbedarf des Verbrauchers zu jeder Betriebszeit deckt, egal ob im Sommer oder Winter.

• Zur Verbrauchsermittlung wird die Wattzahl der Geräte mit der wahrscheinlichen Betriebszeit in Stunden multipliziert. Sinnvoll ist eine Reserve von mindestens 10 %, um Strombedarfsspitzen zuverlässig abzudecken.Der Einbau von Energiespargeräten kann helfen, den Energieverbrauch und damit die Anschaffungskosten einer Insellösung zu senken.
• Der Berechnung des Tagesertrags der Module erfolgt nach den Standortparametern wie Ausrichtung, Dachneigung und Maximalleistung der Anlage. Als Faustformel dient folgende Rechnung: mittlere Globalstrahlung am Standort (kWh/ m²/ Tag) x Nennleistung der Module. Ebenfalls sollten Leistungsverluste durch Kabel bei der Stromumwandlung und Speicherung mit einberechnet werden.
• Die Kapazität des Stromspeichers ist in der Regel so bemessen, dass voll aufgeladene Akkus den Stromverbrauch von zwei bis drei Tagen decken können. Welche Batteriekapazität nötig ist, ergibt sich aus dem Verbrauch x voraussichtlicher Überbrückungstage. Besonders für PV Insellösungen sind leistungsstarke Speicher wichtig.

Insbesondere für den Betrieb mit Photovoltaik Inselanlagen ist ein leistungsfähiger Stromspeicher erforderlich. In der Regel werden Bleiakkumulatoren genutzt, die die entsprechende Langlebigkeit und Robustheit mitbringen sowie eine hohe Zyklusfestigkeit aufweisen und sehr häufig ge- und entladen werden können. Solarstromspeicher sind – anders als zum Beispiel Autobatterien – nicht auf eine hohe Stromabgabe, sondern auf die Leistungsfähigkeit optimiert. Im Vergleich zum Lithium-Ionen-Akku können Blei Akkus einfach recycelt werden.

Um den Speicher zu schonen und eine möglichst lange Lebensdauer zu erzielen, dürfen Blei Akkus nur bis auf etwa 55 % entladen werden. Dies ist bei der Bemessung zu berücksichtigen. Weiterhin entladen sich diese Speicher vergleichsweise schnell – bei entsprechenden Umweltbedingungen bis zu 30 % pro Monat. Die Akkus müssen in gut belüfteten Räumen aufgestellt werden, da es beim Laden zu Gasentwicklung kommt.

Die Insellösung erzeugt Gleichstrom, den alle Geräte, die mit Batterie betrieben werden, nutzen können. Alle üblichen elektrischen Haushaltsgeräte laufen jedoch mit Wechselstrom. Wenn diese mit Hilfe der Photovoltaikanlage betrieben werden sollen, muss ein so genannter "Inselwechselrichter" eingebaut werden. Dieser wandelt den Gleichstrom in Wechselstrom um.

PV Inselanlagen können hinsichtlich der Systemspannung in drei Kategorien gegliedert werden:

• Anlagen mit DC-Kopplung verbinden alle Verbraucher und Stromerzeuger auf der Batteriespannungsebene. Soll der erzeugte Strom primär für die Beleuchtung verwendet werden, bietet sich ein Gleichspannungssystem mit 12 Volt an. Mit einem zusätzlichen Wechselrichter können auch im DC-System Gleichstromverbraucher genutzt werden. Die Einbindung des Solargenerators erfolgt über spezielle DC/ DC-Laderegler.
• Als Hybridlösung eignen sich DC-/ AC-Mischsysteme, wenn Gleichstromverbraucher mit einem Wechselstromerzeugern gekoppelt werden sollen, wie es zum Beispiel auf abgelegenen Bauernhöfen der Fall sein kann. Gleichzeitig für der Batteriespeicher über einen Dieselgenerator oder ein anderes Verbrennungsaggregat geladen. Diese Systeme sind für höheren Energiebedarf empfehlenswert.
• Mit einer AC-Kopplung, die alle Gleichstromverbraucher und -erzeugerverbindet, können Inselanlagen durch zusätzliche Stromerzeuger modular aufgebaut und erweitert werden. Mit einer AC-gekoppelten Anlage erhöht sich die Leistung maßgeblich und der Anschluss aller elektrischer Verbraucher ist möglich.

Der Fachmann vor Ort hilft bei der Ermittlung des Energiebedarfs und der geplanten jährlichen Nutzungsdauer, berät über die notwendige Leistung der Anlage und das für den Standort und den Einsatzbereich optimale System. Außerdem hilft er bei der Auswahl des optimalen Standortes des Photovoltaik Inselsystems.