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Technik und Einsatz von netzunabhängigen Insel-Solaranlagen

Was ist eine Inselanlage? Was bedeutet netzunabhängiger Betrieb? Welche Komponenten braucht eine Solaranlage, um als "Insel" Solarstrom zu erzeugen? Welche Vor- und Nachteile bringt der Inselbetrieb?

Eine Inselanlage ist ein netzunabhängig (autark) betriebenes System zur Stromversorgung, auch Inselsystem oder Off-grid-System genannt. Die Inselanlage kann fest installiert oder mobil sein. Sie bringt Vorteile, wo der Anschluss ans Stromnetz entweder nicht möglich oder unwirtschaftlich ist.

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Wann bezeichnet man eine Solaranlage als Insel?

Solaranlagen zur Stromerzeugung, auch Solarstromanlagen oder Photovoltaik-Anlage (kurz: PV-Anlage) genannt, lassen sich

  • sowohl netzabhängig als auch
  • netzunabhängig betreiben.
Mehrere kleine Solaranlagen, Lithium-Ionen-Batteriespeicher und Dieselgeneratoren versorgen die maledivische Insel Dhidhoo über ein Micro-Grid-System von enerquinn autark mit Strom. (Foto: enerquinn Energiesystemtechnik GmbH)
Mehrere kleine Solaranlagen, Lithium-Ionen-Batteriespeicher und Dieselgeneratoren versorgen die maledivische Insel Dhidhoo über ein Micro-Grid-System von enerquinn autark mit Strom. (Foto: enerquinn Energiesystemtechnik GmbH)

Netzabhängige Solarstromanlage

Netzabhängig betrieben wird eine Solaranlage, die an das öffentliche Stromnetz angeschlossen ist. Erzeugt sie mehr Strom, als parallel im Stromhaushalt von der Haustechnik und elektrisch betriebenen Geräten (Haushaltsgeräte, Multimedia) verbraucht wird und in einem eventuell vorhandenen Solarstromspeicher zwischengespeichert werden kann, wird der überschüssige PV-Strom in das Stromnetz eingespeist. Dafür erhält der PV-Anlagenbetreiber dann eine Vergütung. Bei Kleinanlagen ist dies i.d.R. die sogenannte Einspeisevergütung.

Aber auch umgekehrt, wenn zu wenig Strom der Solaranlage erzeugt wird, wird das Stromnetz in Anspruch genommen, um diesen Strombedarf entsprechend auszugleichen.

Netzunabhängige Solarstromanlagen

Netzunabhängiger Betrieb heißt dagegen, die Solaranlage ist nicht physisch an das öffentliche Stromnetz angeschlossen und könnte deshalb einen Überschuss an selbst erzeugtem Strom auch nichts ins Stromnetz einspeisen.

Umgekehrt kann auch kein Strom aus dem Stromnetz aufgenommen werden, falls mehr Strom benötigt wird, als die Photovoltaik-Anlage erzeugt. Für solche Solaranlagen, aber auch andere netzunabhängige Stromversorgungseinheiten, hat sich daher die Metapher der Insel als Bezeichnung etabliert.

Eine solche Inselanlage bedarf, um nicht nur dann Strom verbrauchen zu können, wenn die Sonne scheint, immer auch weitere technische Komponenten. Scheint viel Sonne, so bedarf eine funktionstüchtige Inselsolaranlage wiederum eines Stromspeichers, um den von ihr erzeugten Solarstrom für einen späteren Verbrauch zwischenzuspeichern.

Wird weniger Strom erzeugt und ist der Speicher leer, so muss ein Ersatzerzeugungssystem anstelle des Stromnetzes als "Backup" einspringen. Dies sind häufig mit Diesel betriebene (Not)Stromaggregate oder andere regenerative Stromerzeuger (Wind, Biogas, Wasserkraft), die bei Bedarf aktiviert werden können.

Anwendungsbereiche von Inselsolaranlagen Überblick

Stationärer Einsatz

Grundsätzlich werden Inselanlagen meist dort dauerhaft eingesetzt, wo sich ein Anschluss an die öffentliche Stromversorgung wirtschaftlich nicht rechnet, weil der Anschluss - häufig aufgrund der Entfernung zum nächsten Anschlusspunkt - entweder zu aufwendig und teuer oder schlichtweg nicht machbar wäre. Das trifft zum Beispiel auf abgelegene Ferienhäuser, Berghütten, Jagdhütten, Skihütten, Gartenhäuser & Co zu.

Oft sind die dauerhaft installierten Inselanlagen auch sehr kleine Systeme oder Geräte, die zum Betrieb nur wenig Strom benötigen, darunter Solar-Parkschein-Automaten, Solar-Weidezäune und Solar-Maut-Kontrollbrücken.

Mobiler Einsatz

Kleinere Inselanlagen werden häufig auch mobil eingesetzt. So werden dann Wohnmobile oder Boote mit Strom versorgt. Das Backup-System stellt dann in der Regel die Batterie des Auto- bzw. Bootsmotors dar. Der Strom der Solaranlage wird dabei i.d.R. als Gleichstrom ohne Wechselrichter genutzt. Hierzu sind allerdings entsprechende Endgeräte (Fernseher, Kühlschrank etc.) nötig, die mit Gleichstrom betrieben werden können.

Bei Inselanlagen für Gleichstrom-Verbraucher versorgen ein oder mehrere Solar-Paneele die Verbraucher direkt mit Energie. Zwischen dem Panel und dem Stromverbraucher befindet sich lediglich ein Lade-Regler. Die Gleichstrom-Verbraucher sind direkt mit den Batterien verbunden.

Für Wechselstrom-Verbraucher wird das Gleichstrom-System um einen 230 Volt Ausgang für Wechselstromverbraucher ergänzt. Wenn die Sonne nicht genügend Energie liefert, wird dem System ein Generator hinzugefügt.

In größeren Solar-Inselsystemen wird der Solarstrom sofort in Wechselstrom umgewandelt und den Verbrauchern bzw. dem Stromspeicher zugeführt.

Kleine Mini-Solaranlage zur Stromversorgung der Außenbeleuchtung eines Restaurants am Hafen von Andratx auf der Insel Mallorca. (Foto: energie-experten.org)
Kleine Mini-Solaranlage zur Stromversorgung der Außenbeleuchtung eines Restaurants am Hafen von Andratx auf der Insel Mallorca. (Foto: energie-experten.org)

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Technische Komponenten solarer Inselanlagen

Wie bei einer netzabhängigen Photovoltaikanlage bilden auch bei der netzunabhängigen Inselanlage die zusammengeschalteten Solarmodule, den Solarstromgenerator. Der von ihm erzeugte Solarstrom wird dann primär, sofern Bedarf besteht direkt verbraucht.

Der momentan überschüssige Strom wird in Solarbatterien (Akkumulatoren, kurz: Akkus) zwischengespeichert, bis er benötigt wird. In gewissem Umfang können auch elektrische Heizwärmeerzeuger wie thermische Pufferspeicher mit Heizstab oder z. B. auch Wärmepumpen für eine Verwertung des überschüssigen Solarstroms genutzt werden. Für Inselanlagen können Sie besonders leistungsfähige und zyklenfeste Stromspeicher kaufen.

Außerdem bekommen Sie für Inselanlagen speziell für den Inselbetrieb optimierte Wechselrichter, die den technischen Anforderungen besonders gut gerecht werden. Diese Modelle werden auch Inselwechselrichter genannt. Der Wechselrichter wandelt den vom Solarmodul erzeugten Gleichstrom, so dieser denn nicht sofort verbraucht wird, bei Bedarf in Wechselstrom um.

Für das Laden und Entladen der Stromspeicher braucht die Inselanlage noch eine weitere Komponente: den sogenannten Laderegler. Der soll eine Überladung verhindern.

Als weitere Erzeuger stehen Generatoren mit Verbrennungskraftmaschinen (z. B. Dieselgeneratoren oder Blockheizkraftwerke (BHKW) sowie Wasserkraft- und Windturbinen zur Verfügung. Diese fungieren i.d.R. auch als Backup-System bei einem Ausfall der PV-Inselanlage.

Gemanagt wird die Stromerzeugung und -verwendung in einer Inselanlage dazu über ein Energiemanagementsystem mit Batterie-, Generator- und Lastmanagement. Diese Kontrollfunktion ist bei kleineren Inselanlagen z. B. in den Batterie-Wechselrichter integriert.

Unterscheidung von Inselanlagen nach Systemspannung

Aus technischer Sicht unterscheidet man Photovoltaik-Inselanlagen nach folgenden Konfigurationen: Direkte Kopplung, direkte Kopplung mit Speicher (für DC- bzw. für AC-Anwendungen mit Wechselrichter) und Hybridanlagen, die zusätzlich vom Netz oder von erneuerbaren Energiegeneratoren unterstützt werden.

Unterscheiden nach ihrer System-Spannung differenziert man zwischen DC- und AC-Systemen:

  • In DC-gekoppelten Systemen wird der PV-Generator über spezielle DC/DC-Laderegler eingebunden.
  • In AC-gekoppelten Systemen kommt ein konventioneller PV-Wechselrichter zur Netzeinspeisung zum Einsatz. Er gewährleistet zu jedem Zeitpunkt das Gleichgewicht von erzeugter und verbrauchter Leistung, indem er zu viel Energie in den Batterien zwischenspeichert oder diese bei höherem Bedarf entlädt.

DC-Kopplung

Bei der DC-Kopplung werden alle Verbraucher und Erzeuger ausschließlich auf der Batteriespannungsebene gekoppelt. Eine Gleichspannungsversorgung auf 12-Volt-Basis bietet sich für einfache Systemkonstellationen an. Vor allem dann, wenn der Stromverbrauch primär für die Beleuchtung genutzt werden soll. Tagsüber speichert die Batterie die vom PV-Generator zur Verfügung gestellte Energie, die dann abends für den Betrieb der Beleuchtung wieder zur Verfügung steht. Unterstützt durch einen zusätzlichen kleinen Wechselrichter kann der Nutzer im DC-Inselsystem auch konventionelle AC-Stromverbraucher einsetzen.

Schematische Darstellung eines kleinen Inselsystems mit der Möglichkeit, Wechselstrom zur Verfügung zu stellen. (Grafik: energie-experten.org)
Schematische Darstellung eines kleinen Inselsystems mit der Möglichkeit, Wechselstrom zur Verfügung zu stellen. (Grafik: energie-experten.org)

DC-/AC-Mischsysteme

DC-/AC-Mischsysteme eignen sich besonders, um AC-Verbraucher des mittleren Leistungsbereichs mit DC-Erzeugern zu koppeln. Gleichzeitig kann so die Batterie auf der DC-Seite über ein Verbrennungsaggregat aufgeladen werden. Mischsysteme dienen der Versorgung entlegener Verbraucher und werden einem höheren Energiebedarf gerecht. Dementsprechend kommen DC-/AC-Systeme in Farmhäusern, kleineren Betrieben oder Bauernhöfen zum Einsatz.

Bei der Anlagenauslegung sollte man berücksichtigen, dass die Wechselrichter-Leistung der notwendigen Verbraucherleistung entsprechen muss: Auch wenn mehr Energie aus PV und Wind zur Verfügung steht, begrenzt der Wechselrichter die AC-seitig zur Verfügung stehende Leistung.

AC-Kopplung

Durch die Kopplung aller Verbraucher und Erzeuger auf der AC-Seite lassen sich PV-Inselanlagen flexibel und modular mit standardisierten Komponenten aufbauen oder erweitern. Je nach Anwendung und verfügbaren Energiequellen können erneuerbare, aber auch konventionelle Energieträger eingebunden werden. Das ist insbesondere bei schwacher Netzstruktur vorteilhaft.

Die angeschlossenen Energiequellen laden die Batterien und stellen im Bedarfsfall Energie zur Verfügung. Sind die Wechselrichter und Verbrennungsaggregate dafür vorgesehen, ist auch ein Anschluss an das öffentliche Netz möglich. Das System lässt sich durch zusätzliche Stromerzeuger einfach ausbauen. Damit wird es einem steigenden Energiebedarf gerecht.

Hinzugeschaltete AC-Quellen führen AC-seitig zu einer echten Leistungsaddition. AC-gekoppelte Anlagen können zur Versorgung aller elektrischen Verbraucher genutzt werden. Damit eignen sie sich hervorragend für den Einsatz in ländlichen Regionen von Entwicklungs- und Schwellenländern.

Planung und Auslegung eines Inselsystems

Bei der Planung und Auslegung eines Inselsystems müssen verschiedene Randbedingungen berücksichtigt werden. So hängt die optimale Auslegung eines Stromversorgungssystems vor allem von folgenden fünf Faktoren ab: 

  • Notwendige Anschlussleistung
  • Energieverbrauch
  • Art der Verbraucher
  • Nutzungszeitraum
  • Meteorologische Randbedingungen

Eine Inselanlage sollte insbesondere möglichst bedarfsgerecht ausgelegt sein, denn nur dann rechnet sie sich ökonomisch wie ökologisch. Da kein Überschuss ins öffentliche Netz gespeist werden kann, sollte der solar erzeugte Strom möglichst zu 100 Prozent verbraucht werden, sofort oder nach der Zwischenlagerung im Stromspeicher.

Daher ist der tägliche Energiebedarf ein wichtiger Anhaltspunkt, der zuerst bestimmt werden sollte. Wie viel elektrischen Strom Sie pro Tag brauchen, erfahren Sie, wenn Sie die einzelnen Verbraucher in Ihrem Haushalt samt deren Verbrauchsdaten auflisten, also beispielsweise Beleuchtungsanlage, Radio oder Kühlschrank – jeweils mit ihrer Nennleistung, der täglichen Betriebszeit und der Nutztage pro Woche. Damit Sie weder zu wenige noch zu viele Inselmodule installieren, sollten Sie den Energiebedarf eher großzügiger als zu kleinlich berechnen. Im Zweifelsfall fragen Sie hierzu einen Fachmann um Rat!

Der optimale Solarertrag der Inselanlage hängt von den Standortbedingungen ab, die am Installationsort herrschen. Ebenso spielen die Neigung der Solarmodule gen Sonne und ihre Ausrichtung eine Rolle, wenn es um den Solarertrag geht. Mobile Inselanlagen auf Wohnmobilen haben meist einen Anstellwinkel von null Grad, sind also waagerecht zur Sonne angeordnet, während Inselanlagen, die Sie an die Fassade Ihrer Berghütte oder Ihres Gartenhauses montieren, dort im 90-Grad-Winkel zur Sonne hängen.

Als weiterer Stromerzeuger werden in größeren Anlagen insbesondere Dieselgeneratoren (PV-Diesel-Hybrid Inselsysteme) eingesetzt. Diese dienen nicht nur als Back Up, sondern reduzieren auch die für einen autarken Inselbetrieb nötige PV-Anlagengröße und verbessern so die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems.

Aus ökonomischer Sicht sind Inselsysteme mit Batteriespeicher im kW-Leistungsbereich deutlich günstiger als Anlagen, bei denen ausschließlich Dieselgeneratoren eingesetzt werden. Sogar größere Hybridsysteme, bei denen ein Dieselgenerator zur Vermeidung langfristiger Batteriespeicherung eingesetzt wird, können zu geringeren Kosten betrieben werden als Stationen, die ausschließlich mit Dieselaggregaten arbeiten. Dies ist auf den hohen Wartungsaufwand, die kurze Lebensdauer und den sehr schlechten Teillastwirkungsgrad von Dieselgeneratoren zurückzuführen.

Preise und Kosten von kleinen Insel-Komplettanlagen

Aus den vorhergehenden Aussagen wird klar, wie wichtig es für den wirtschaftlich rentablen Betrieb einer Inselanlage ist, dass die Komponenten optimal aufeinander und in Summe auf den Energiebedarf abgestimmt sind, den die Inselanlage decken soll. Im Handel werden die einzelnen Komponenten daher oft als Set beziehungsweise Komplettpaket angeboten.

Viele Hersteller von Inselanlagen stellen ihre Inselanlagen-Sets auch spezifisch für den jeweiligen Stromverbraucher zusammen. Sie finden in der Kategorie „Inselanlage“ daher auch Inselanlagen für Solar-Kühlsysteme und Solar-Tiefkühlsysteme (Tiefkühltruhen).

Die Kosten dieser kleinen Komplettanlagen lassen sich in der Regel gut dreiteilen: Jeweils ein Drittel der Gesamtkosten kosten die Solarmodule und die Akkus. Das dritte Drittel ergibt sich aus den einzelnen Kosten für die anderen Komponenten, die Kosten der Montage der Inselanlage sowie die Kosten von Beratung und Inbetriebnahme.

Die Preise von Inselanlagen richten sich nach der Leistung, die die Anlagen erzielen. Oft wird hier stufenweise in kleine, mittlere und große Insel-Komplettanlagen unterschieden. Kleine Inselanlagen mit einem Kennwert von 60 Watt gibt es schon für weniger als 400 Euro.

Nach oben hin sind sowohl Leistung als auch der daraus resultierende Preis offen. Komplette Anlagen liegen schnell im Bereich 8.000 bis 11.000 Euro. Eine Einsteiger-Inselanlage fürs Wohnmobil mit 50 Watt Leistung kostet heute weniger als 240 Euro.

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"PV-Inselanlagen: Technik & Anwendungen" wurde am 23.07.2017 das letzte Mal aktualisiert.