PV Phasen und Eigennutzung

Eine Waschmaschine mit 2 Kilowatt Anschlusswert verbraucht auch bei einer PV-Leistung von 3 KW noch 1 KW Netzstrom. Und ein Wasserbett mit 600 Watt zieht morgens trotzdem noch Netzstrom, statt rein auf Solar zu heizen. Auch, wenn die eigene PV bereits 800 Watt liefert.

Warum ist das so?

Die meisten Solar-Wechselrichter liefern heute 3-Phasen Drehstrom, passend zu den meist vorhandenen 3 Anschlüssen (Phasen) der Elektrizitätsversorger. Das ist den Stromversorgern sehr lieb, aber auch den Wechselrichter-Herstellern: Eine heute typische 10 KW-Anlage kann ihre Leistung auf 3 Phasen mit deutlich preiswerteren Bauteilen abgeben als wenn die 10 KW auf einer einzigen Phase eingespeist werden müssten.
Diese Betrachtungen beziehen sich alle auf das Europäische Verbund-Stromnetz mit 3 Phasen pro Haushalt. Es gibt auch andere Netze mit 2 oder 1 Phase, wo die folgende Beschreibung nicht oder nur teilweise zutrifft – Siehe Exkurse.

Bei 10 KW auf einer Phase haben wir ca. 43 A (10.000 Watt / 230 Volt) abzugebenden Strom,
bei 3 Phasen jedoch nur noch 8,3 A (10.000 Watt / 400 Volt / 3 Phasen). Auch verteilt sich bei 3 Phasen der abzugebende Strom zeitlich wesentlich gleichmäßiger. Der Wechselrichter muss weniger Leistung in seinen Kondensatoren puffern. Bei einer Phase gibt es 50 Momente (50 Hz Wechselstrom) in einer Sekunde, in denen der Wechselrichter keine Energie in das Stromnetz übertragen kann (Nulldurchgang). Die Solarpannels liefern aber zu jedem Zeitpunkt ihre gerade erzeugbare (besser: Umwandelbare) Energie zum Wechselrichter. Dieser muss also während des Nulldurchgangs die ankomende Leistung puffern (oder ignorieren, d.H. nicht nutzen). Bei 3 Phasen gibt es aber immer 1,5 Phasen, die gerade Energie aufnehmen können. Bei den heute üblichen eisenlosen Wechselrichtern sorgt dies für eine enorme Einsparung an teuren Bauteilen. Die obigen Werte sind für ein leichteres Verständnis etwas vereinfacht dargestellt.

Exkurs eisenloser Wechselrichter

Was ist das, ein eisenloser Wechselrichter? Natürlich hat der auch noch eine Blechhülle, Stahlverschraubungen und all diesen Kram. „Eisenlos“ bezieht sich dabei auf das früher frühere Kernelement: Dem Transformator, welcher die (damals oft noch niedrigere) Gleichspannung mittels einer Wechselschaltung aus Transistoren, Thyristoren oder anderer Halbleiter in 220/230 Volt Wechselstrom erledigte. Diese bis in die 90er Jahre vorherrschende Schaltungstechnik galt als „Alternativlos“, und brauchte sehr wenige, damals noch sehr teure Halbleiter und eben massive, damals noch (im Vergleich) preiswerte kupfergewickelte, mit einem Eisenkern versehene Transformatoren.

Genau diese waren damals immer der leistungsbeschränkende Faktor. Und wurden damit auch immer mehr zum Kostenfaktor: Gerade das Kupfer wurde immer teurer, und es ließen sich auch nicht beliebig große Leistungstransformatoren (nötig für kleine Primärspannungen) bauen. Dann gab es als disruptive Technik den eisenlosen Wechselrichter, ein Gamechanger vom Frauenhofer Institut & Hr. Ivan Riegel, perfektioniert von SMA aus Kassel. Plötzlich konnten -durch den Wegfall des begrenzenden Transformators- die Batterie- und Solarspannungen nahezu beliebig erhöht werden, was die Kosten bei den Kabeln und Reglern enorm senkte. Serienschaltungen wurden die Regel. Und „mehr Leistung“ konnte nun einfach durch die immer preiswerteren Leistungshalbleiter mit ebenso preiswert herzustellenden Kondensatoren mit hoher Kapazität bereitgestellt werden. Die heutige Wind- und Solarenergie gäbe es in dieser Form ohne diese modernen Wechselrichter nicht. Die Moderne E-Motorenregelung, egal ob bei Bahn- oder Autoantrieben, wäre ohne diese Wechselrichter mit praktisch unbegrenzter Leistungsfähigkeit (einfach noch einen Transistor & noch einen Kondensator dazu, fertig) nicht vorstellbar. Die (technisch) gleichen Wechselrichter, welche heute aus dem Strom von Wind- und Solaranlagen den netzverträglichen 50/60Hz Wechselstrom machen, treiben auch Elektroautos und ICE’s an.

Aber 3 KW sind doch immer noch 3 KW, oder? 

Jein.
Der Unterschied kommt durch die haushaltsüblichen Verbraucher zustande. Dies sind durch die Bank weg reine Wechselstromverbraucher. Sie belasten bei Betrieb also immer nur eine einzige Phase des Netzstroms. Für die Energieerzeuger ist dies nicht von großer Bedeutung, da eine Waschmaschine bei Ihnen vielleicht die 1. Phase belastet, bei ihrem Nachbarn aber rein zufällig die 3. Phase. Im statistischen Mittel werden so alle 3 Phasen des Stromnetzes recht gleichmäßig belastet.

Exkurs – Wieso eigentlich Drehstrom?

In Deutschland sind wir es gewohnt, in jedem Haushalt über 400V (fürher 380V) Drehstrom (Drei Phasen Stromnetz) zu verfügen. Wie geschrieben: Praktisch 100% unserer Verbraucher, von Durchlauferhitzern mal abgesehen) sind aber Wechselstromverbraucher! Siehe Toaster, Fernseher, Bügeleisen. In den meisten Ländern dieser Erde werden Haushalte nun aber nur mit Wechselstrom versorgt, was auch die hier beschriebenen Nachteile zwischen 3-Phasen Wechselrichtern und 1Phasen Verbraucher gar nicht erst auftreten lassen würde. Warum haben so wenig Länder ein Drehstrom-Haushaltsnetz, und so viele ein Wechseltrom Haushaltsnetz? Und dazu auch noch der Unterschied zwischen 110/115 Volt und 220/230 Volt? Und dann auch noch 50Hz oder 60Hz?

Hier erst einmal das erste „Geheimnis“: Praktisch alle Länder dieser Welt haben ein Drehstromnetz auf der Verteiler (Hoch- und Mittelspannung). Der Grund ist ganz einfach: Kosten! Wenn Leistung (Strom x Spannung) transportiert wird, braucht man -egal ob Gleich oder Wechselspannung!- 2 Leiter für die Verbindung zwischen Leistungsquelle (Generator, Kraftwerk) und Konsument (Verbraucher, Dein Haus, Deine Waschmaschine). Beide Leitungen müssen den gleichen Querschnitt aufweisen, um den Strom auf dem Hin- und Rückweg zu transportieren.
Was ist mit „Erde“? Strom kann doch durch die Erde zurück zum Kraftwerk fließen, dann brauchen wir nur einen Leiter, ein Kabel! Ja, so hat man das noch in der Schule gelernt… oder zumindest verstanden. Das war und ist schon immer größtenteils falsch! Lediglich in Australien wird diese Technik (Earth-return) meines Wissens nach noch eingesetzt. hat aber die grundsätzlichen probleme wie überall auf der Welt: Die Erde ist ein ganz ganz schlechter Leiter! Daher müssen hier sehr hohe Spannungen genutzt werden, und nicht jede Gegend (abhängig von der Erdbeschaffenheit!!) kann an so ein Netz angeschlossen werden. Erdungsleiter müssen in sehr feuchter Erde (nicht Wasser oder Steine selbst. Feuchte Erde!) landen, was sehr tiefe konstruktionen nötig machen kann.
Daher also mindestens 2 Leiter: Hin und zurück, egal ob Gleichstrom (welcher übrigens Erdleiter zersetzen würde, Elektrolyse) oder Wechselstrom.

Braucht man mehr Leistung auf dieser Leitung (Dorf, Stadt, nicht nur Deine Waschmaschine), braucht man bald 2 Leitungen nebeneinander = 4 Leiter, weil die Kabelquerschnitte sonst einfach zu starr oder auch zu schwer würden. Und noch mehr Leistung? Dann eben 3 Leitungen = 6 Leiter. Und so weiter.

Und genau hier kommt die „Magie“ von Drehstrom in’s Spiel! Bei Drehstrom sind die Phasen so (natürlicherweise) gegeneinander versetzt, das der Stromfluss (und damit der Leistungstransport) Immer von einer Hauptphase hin zum Verbraucher geht… und auf den anderen beiden Phasen = anderen beiden Leitungen/Kabeln zurück geht. Je nach Phasenwinkel ist das etwas stark vereinfacht, reicht aber für das Verständnis oder Vorstellung aus, ohne gleich ein Physikstudium belegen zu müssen. Bei Drehstrom kann die gleiche Leistung, für die sonst 6 Leitungen benötigt würden, eben auf drei Leitungen transportiert werden – das ist wirklich magisch, und halbiert mal eben die Materialkosten und vereinfacht Stromtrassen um 50%!

Und 110/220 Volt?

Die Grundspannung, der alle Stromnetze zugrunde liegen, war 50-55Volt. Warum? Eine Lichtbogenlampe war einmal die stärkste Lichtquelle, die es gab (lange vor LED 🙂 ). Und „Licht“ war der einzige Antrieb zum Aufbau von Stromnetzen. Elektromotoren, und damit Staubsauger, Aufzüge oder Waschmaschinen, kamen erst sehr viel später hinzu. Lichtbogenlampen „brennen“ bei Wechselstrom bei etwa 50 Volt. Zwei Lichtbogenlampen in Serie benötigten so 100, oder, für etwas mehr Brenn/Zündsicherheit 110 Volt. Die Stromstärke war auch damals schon ein großes Problem, daher war es einfacher zu handeln, 2 Kohlebogenlampen in Serienschaltung bei 100-110 Volt zu betreiben als zwei Leuchten bei 50-55 Volt in Parallelschaltung.

Dies ließ sich aber nicht einfach auf 4 Lampen in Serie = 220 Volt übertragen, das Zünden war das Problem.

Später gab es dann die Kohlefadenlampe, bei der ein Kohlefaden im Vakuum praktisch einen Kurzschluss erzeugte, und dabei so heiß wurde, das er glühte – wegen dem fehlendem Sauerstoff aber nicht verglühte. Im Gegensatz zu den in Privathand unglaublich gefährlichen Lichtbogenlampen (der Lichtbogen hat eine Temperatur von ca. 10.000°, siehe auch Plasmaschweißen!) konnte nun elektrisches Licht nicht nur draußen auf der Straße, sondern eben auch im Haushalt genutzt werden: Ein gigantischer Markt war geboren!
Wie es der Zufall wollte, waren 100-110 Volt Netzspannung auch ganz hervorragend geeignet für diese neuen Leuchtmittel, und verbreiteten sich sehr schnell. Allerdings noch auf Gleichstromebene, weil Thomas Edison meinte, das wäre toll. Die Weltausstellung in Chicago trat dann als Gamechanger auf: Tesla mit der Westinghouse konnte diese Weltausstellung vieeeel preiswerter mit Energie aus einem weit entfernten Wasserkraftwerk (Hört Hört!) versorgen, weil er die Leistung durch hohe Spannung und niedrigen Strom über sehr preiswerte Kabel aus der Ferne heranbringen konnte. Das Verändern von Strom und Spannung über Transformatoren war aber einzig und allein durch Wechselstrom statt Gleichstrom möglich! Daher haben wir heute überall Teslas Wechselstrom, während Edisons Gleichstrom die Energieversorgung durch Solaranlagen viel einfacher gemacht hätte…

Somit war Wechselstrom ab nun gesetzt. 50 Hz ergaben sich aus dem Kompromiss das Gleichstrom für die damals aufkommenden Elektromotoren noch „langsam“ genug war (sehr vereinfacht), aber schon transformierbar war. Höhere Frequenz = kleinere Transformatoren, daher sind die Netze mit 60Hz preiswerter – wieder einmal der Preis. Übrigens auch der Grund, warum die Bahn z.B. in Deutschland mit 16 2/3 Hz fährt: Gleichstrom wäre cool, aber ist eben nicht transformierbar. Aus heutiger Sicht nicht optimal, aber es gab damals eben nur die Elektromotoren, die es da gab. Wechselrichter gab es noch gar nicht, von deren heutiger Leistung war nicht einmal zu träumen.

OK, 110V/50Hz, alle Glücklich. Aber 220/230 Volt?

Wieder einmal war es die Beleuchtung, die diesen Wechsel antrieb! Die neue Tungsten-Leuchte (Deutsch: Wolfram) konnte erstmals auf preiswerte (Ja ja, der Preis…) Weise ein deutlich helleres und dennoch sicheres Licht abgeben als die verbreiteten Kohlefaserleuchtmittel. Und: Sie konnte bei deutlich höheren Spannungen betrieben werden! Höhere Spannung = niedrigerer Strom. Niedrigerer Strom = Preiswertere Leitungen & Transformatoren (der „Wechselstrom“ war eh schon als Standard gesetzt!). Und hier passierte nun etwas ganz irres: Viele der neuen Energieerzeuger in der Welt bezahlten (Ja!) ihre Kunden dafür, ihre alten Kohlefaserlampen gegen die modernen Wolframlampen auszutauschen. So konnte in Europa und Deutschland die vor allem von Siemens neu gelieferten 220 Volt Technik zur Kostenersparnis (und auch weniger Stromverlust = höherer Wirkungsgrad) eingesetzt werden. Warum nicht in den USA? Weil dort die Verbreitung der Kohlefaserlampen schon viel zu weit fortgeschritten war! Die USA waren ein Opfer ihres Fortschritts, die Umstellung wäre zu teuer gekommen.

USA = 220 Volt?

Ja, in der Tat sind die Verteilernetze in den USA 220 Volt Netze! In jedem Haushalt in den USA werden 220 Volt geliefert. Allerdings werden aus historischen Gründen (siehe letzter Absatz) in den Sicherungskästen (erst dort!) die meisten Verbraucher auf eine Phase gegen Nullleiter geklemmt. So entstehen die üblichen und bekannten 110V. Überall in den USA kann man die Sicherung („Breaker“) auch gegen einen Line 2 Line Breaker austauschen, dieser klemmt dann zwischen den beiden Hauptleitern, und heraus kommt… 220 Volt/60 Hz Wechselstrom!

Warum 50Hz/60Hz?

Fast schon Zufall. Die Frequenz war von den Generatoren & Polen (=Wicklungsbündel) der Generatoren sowie deren Rotationsgeschwindigkeit abhängig. Siemens als Marktführer hat hier 50Hz vorgegeben (es hätten auch 48Hz oder 56 Hz sein können!), was sich dann auch stark in der Welt verbreitet hat. Westinghouse in Amerika bevorzugte 60 Hertz. Aus Transformationssicht (höhere Frequenz = effektivere und kleiner = preiswertere Transformatoren) wären 60Hz oder mehr wünschenswert, aus damaliger Elektromorensicht währen geringere Frequenzen (bis runter auf Gleichstrom) wünschenswert. Somit ist 50Hz bis 60Hz der beste Kompromiss gewesen. Heute würde man das anders bewerten, aber die Netze sind nicht mehr austauschbar und zu eng miteinander vernetzt.

Genug mit Exkursen.

Zurück zum Wechselrichter

Liefert die PV-Anlage 3 KW, so speist der Wechselrichter nun pro Phase 1 KW in das Hausnetz ein. 3 x 1 = 3 KW. Ihre Waschmaschine zieht nun aber aus einer einzigen Phase 2 KW (während sie heizt, im Normalfall benötigt sie deutlich weniger Strom). Das bedeutet, das Ihre PV-Anlage auf den beiden anderen Phasen 2 KW in das Stromnetz einspeist, während auf der dritten Phase 1 KW Leistung von der eigenen PV und 1 KW vom öffentlichen Stromnetz verbraucht werden. (Auch diese Werte sind hier vereinfacht dargestellt).

Dies betrifft jeden Verbraucher mit einer Stromaufnahme von mehr als 1/3 der momentanen PV-Leistung.

Würde die PV in obigem Beispiel gerade 6 KW produzieren (=Licht zu Strom umwandeln), so würden Sie wie erwartet 4 KW in das öffentliche Netz einspeisen, und 2 KW selbst verbrauchen, ohne dafür Netzstrom beziehen/bezahlen zu müssen.

Wie können Sie die Eigennutzung steigern?

A) Weniger ist mehr

Für eine bessere Eigennutzung von selbst produziertem Strom bietet es sich an, Verbraucher mit möglichst geringer maximaler Stromaufnahme einzusetzen. Meist sind die Wärmegeräte dafür am lohnenswertesten, z.B. Waschmaschine, Geschirrspüler, Trockner, Föhn, Herd, Backofen, Mikrowelle.

Ein Geschirrspüler mit 1,5 KW maximaler Aufnahmeleistung (die er ja nur beim Aufheizen zieht) kann bei einer Energieerzeugung von 4,5 KW (egal ob Kraftwärmekopplung, Windenergie oder Solarstrom) schon zu 100% ohne zugekauften Netzstrom betrieben werden.

Für einen Wäschetrockner, der bis zu 2KW zieht (das aber praktisch durchgehend), sind dafür bereits 6 KW an Eigenleistung nötig.

Es wird sich nie rechnen, eine funktionierende Waschmaschine auszusondern und dafür ein leistungsärmeres Gerät anzuschaffen.

Aber bei der nächsten Ersatzbeschaffung kann man ja einmal im Campingzubehörkatalog nachschauen, ob es Alternativen gibt. Natürlich macht dies nur Sinn, wenn das entsprechende Gerät auch zu Zeiten genutzt wird, in der eigenproduzierte Leistung zur Verfügung steht.

Wenn der einzige Föhn im Haus nur abends von der Tochter kurz vor der Disko angeschaltet wird, also zu einer Zeit ohne selbst produzierte Photovoltaikenergie, wird der 800 Watt Haartrockner gegenüber dem 2000 Watt Model wegen der längeren Laufzeit keine Ersparnis bringen.

B) Verteilen.

Hier müssen wir zwischen zeitlicher Verteilung und Phasenverteilung unterscheiden.

Zeitliche Verteilung

Wenn ERST die Waschmaschine benutzt wird und DANACH der Wäschetrockner, können beide Geräte vom selbst produzierten Strom profitieren. Laufen Sie gleichzeitig, wird ihre Energieaufnahme zusammen die verfügbare Leistung überschreiten.
Beachten Sie dies auch in verschiedenen Räumen, also Unterhaltungstechnik im Wohnzimmer <> Backofen in der Küche <> Waschmaschine im Keller <> Spielekonsole im Kinderzimmer.

Phasenverteilung

Achten Sie darauf, dass vor allem Ihre regelmässigen Verbraucher (Kühlschrank, Tiefkühltruhe, Heizung, Wasserbett, Umwälzpumpe, Router…) möglichst gleichmäßig über die 3 Phasen verteilt sind.

Dafür ist es sehr hilfreich, wenn Sie

a) Ihre Steckdosen mit der jeweiligen Phasennummer beschriften (die „echte“ Phase spielt hier keine Rolle, es geht nur um die Zuordnung der Verbraucher zu den 3 einzelnen vorhandenen Phasen) und

b) diese Verbraucher in einer Liste aufführen, mit Hauptbetriebszeit und Leistungsaufnahme.

Es kann schon hilfreich sein, wenn Sie den oft tagsüber betriebenen Computer auf einer anderen Phase als den zur gleichen Zeit betriebenen Monitor betreiben. Und optimalerweise den Drucker auf der 3. Phase. So könnte eine 300 Watt Computeranlage auch in den frühen Morgenstunden oder späten Abendstunden noch zu 100% aus Photovoltaik-Strom betrieben werden.

Konzentrieren Sie sich am Anfang auf die ständigen Verbraucher wie Heizung, (Tief-)Kühlschränke, Router, NAS. Wenn Sie z.B. die Heizung mit ca. 100 Watt Verbrauch, den Kühlschrank mit ca. 80 Watt, den Router mit ca. 10 Watt etc. gleichmäßig verteilen, so können Sie die Dauerlastgeräte sogar im Winter bei bewölktem Himmel noch vom kostenlosen Solarstrom betreiben lassen. Das bringt Ihnen deutlich mehr als der Wasserkocher mit 2 KW, der nur 2x in der Woche für 5 Minuten angeschaltet wird. Bei einem Dual-Wasserbett kann es z.B. hilfreich sein, die erste Heizung morgens um 9 starten zu lassen, wenn die PV Anlage schon 900 Watt oder mehr liefert. Die 2. Heizung schaltet dann gegen 12 Uhr zu. Bis zum Abend ist das Bett dann sicher wieder vollständig auf Betriebstemperatur, und nachts sind beide Heizungen aus. Noch ein Vorteil: Sie schlafen nicht mehr auf einem Wechsel-Magnetfeld.