Autarke Solaranlage: So machen Sie Ihre Stromversorgung unabhängig

• Unter einer autarken Stromversorgung versteht man eine möglichst unabhängige Versorgung vom Stromnetz. Viele setzen dazu eine größtmöglich dimensionierte PV-Anlage ein. Eine vollständig autarke Stromversorgung liegt vor, wenn die Stromversorgung auch physikalisch vollkommen unabhängig vom öffentlichen Netz gewährleistet wird.
• Was ist der Unterschied zwischen Eigenverbrauch und Autarkie? Der Eigenverbrauch gibt an, wie viel des erzeugten Stroms selbst verbraucht werden kann. Der Autarkiegrad (0-100%) gibt an, wie viel des verbrauchten Stroms selbst erzeugt wird.
• Stromspeicher, Wärmepumpen und Elektroautos erhöhen den Autarkiegrad der Solaranlage insbesondere dann, wenn ein Energiemanager diese Verbraucher dann betreibt, wenn viel Solarstrom produziert wird.
• Eine Umrüstung zur vollständig autarken Stromversorgung - sogenannte Inselanlagen - ist selten wirtschaftlich. Netzunabhängige, Insel- und Off-grid-Systeme sind immer dann notwendig, wenn kein Anschluss an das Stromnetz möglich ist oder man sich mobil auf Booten oder Wohnwagen mit Strom versorgen möchte.
• Unter einer Nulleinspeisung versteht man eine autarke Solaranlage, die keinen überschüssigen Strom in das Stromnetz einspeist. Eine hinsichtlich der Stromerzeugung vom Stromnetz unabhängige PV-Anlage kann aus formalen oder technischen Gründen sinnvoller sein als eine Solaranlage mit hohem Autarkiegrad.

Die steigenden Energiekosten und eine durch Krisen unsicher gewordene Stromversorgung haben in den letzten Jahren das Interesse an einer unabhängigen Stromversorgung erhöht. Eine Möglichkeit, seine Stromversorgung selbst in die Hand zu nehmen und dabei noch die Umwelt zu schonen, ist der Einsatz von Solaranlagen.

Dieser Artikel beleuchtet die Funktionsweise, Vorteile, Anwendungsbereiche und Herausforderungen von autarken Solaranlagen und erklärt, mit welchen technischen Lösungen Sie einen hohen Autarkiegrad erreichen, eine komplette Inselanlage oder eine Nulleinspeisung realisieren

Eine autarke Solaranlage stellt eine unabhängige Stromversorgung dar, die mithilfe von Solarzellen auf dem eigenen Dach oder Grundstück Solarenergie in Strom umwandelt. Vollständig autarke Stromversorgungsnetze werden auch Inselnetze oder Inselanlagen genannt.

Im Gegensatz zur herkömmlichen Stromversorgung, die auf das öffentliche Stromnetz angewiesen ist, gewährleistet eine autarke Solaranlage eine vollständig unabhängige Stromversorgung. Dadurch ist es möglich, den eigenen Strombedarf komplett zu decken und sich unabhängig von Strompreissteigerungen und Netzengpässen zu machen.

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Eine Solaranlage zur autarken Stromversorgung besteht aus mehreren Komponenten, die zusammenarbeiten, um Energie zu erzeugen und zu speichern. Zu den Hauptkomponenten gehören Solarmodule, Wechselrichter, Batteriespeicher, Lade- und Entladeregler sowie Verkabelung und Montagesysteme.

Je nach Anwendungsbereich und Bedarf werden diese Komponenten unterschiedlich dimensioniert und zusammengestellt. Die Planung einer Inselanlage hat das Ziel einer vollständigen autarken Stromversorgung zu jeder Zeit.

Im Gegensatz zu netzgekoppelten Solaranlagen, die überschüssigen Strom ins öffentliche Stromnetz einspeisen, ist bei autarken Solaranlagen die Speicherung von überschüssigem Strom von großer Bedeutung. Eine Solaranlage muss für eine autarke Stromversorgung daher so ausgelegt sein, dass sie auch in Zeiten mit wenig Sonneneinstrahlung genügend Strom erzeugen und speichern kann, um den Energiebedarf zu decken.

So muss eine autarke Solaranlage nach der geringsten Sonneneinstrahlung und dem "Worst-Case-Szenario" für bewölkte Tage im Jahr ausgelegt werden.

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Autarke Solaranlagen bieten einige Vorteile im Vergleich zu netzgekoppelten Solaranlagen. Hier sind die wichtigsten Vorteile:

• Unabhängigkeit von Energieversorgern: Mit einer autarken Solaranlage sind Sie unabhängig von Energieversorgern und deren Preisentwicklungen.
• Unabhängigkeit von Netzbetreibern: In Regionen mit maximal ausgelasteten Niederspannungsnetzen können ohne Netzausbau keine weiteren Solaranlagen angeschlossen werden. Mit einer autarken Stromversorgung durch Photovoltaik sind in einem Inselnetz jegliche Netzanschlussbedingungen und -einschränkungen egal.
• Mögliche Einsparungen bei Energiekosten: Autarke Solaranlagen können helfen, die Energiekosten erheblich zu senken, insbesondere in Regionen mit hohen Strompreisen.
• Umweltfreundlichkeit: Solarenergie ist eine saubere, erneuerbare Energiequelle, die keine Treibhausgase ausstößt und somit zur Reduzierung der Umweltbelastung beiträgt.

Neben den Vorteilen gibt es jedoch auch einige Nachteile und Schwierigkeiten bei der Installation von autarken Solaranlagen. Besonders für private Haushalte können folgende Faktoren problematisch sein:

• Hohe Investitionskosten: Die Installation einer autarken Solaranlage erfordert eine erhebliche Investition, die sich nur selten langfristig auszahlt.
• Schwankungen bei der Stromverfügbarkeit: Der Energieertrag von Solaranlagen schwankt je nach Sonneneinstrahlung, was zu Schwankungen in der Stromversorgung führen kann, sofern keine erhebliche Überdimensionierung der Solarleistung oder entsprechend große Speicher installiert sind.
• Speicherung von überschüssigem Strom: Um in Zeiten mit wenig Sonneneinstrahlung genügend Strom zur Verfügung zu haben, muss überschüssiger Strom in Batteriespeichern gespeichert werden, was zusätzliche Kosten verursacht.

Trotz dieser Herausforderungen werden autarke Solaranlagen immer beliebter und bieten eine Alternative zur herkömmlichen Stromversorgung über das öffentliche Netz.

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Autarke Solaranlagen können in vielen verschiedenen Bereichen realisiert werden. Eine autarke Stromversorgung gewährleistet insbesondere in abgelegenen Gebieten, wo der Anschluss an das öffentliche Stromnetzschwierig oder teuer sein kann, eine günstige Stromversorgung.

Besonders Wohnmobile, Camper und umgebaute Vans profitieren von autarken Solaranlagen. Meist bestehen diese aus einem Solarmodul, einem Maximum-Power-Point Tracker (MPPT), Laderegler und Batterie. Camper mit Solarstrom ermöglichen eine vollständige Autarkie.

In der Landwirtschaft stellen autarke Solaranlagen einfache Lösungen zur Stromversorgung von Pumpen und Belüftungsanlagen dar. Auch bei der Bewässerung von Feldern und Pflanzen bieten autarke Solaranlagen eine günstige und zuverlässige Lösung. Zudem arbeiten Betriebe in der Landwirtschaft durch die Installation von Solaranlagen wirtschaftlicher, da sie ihre Energiekosten durch den höheren Autarkiegrad senken.

Der Einsatz von Solaranlagen zur Steigerung der Autarkie ist auch im Gewerbe und in der Industrie sinnvoll. Besonders Betriebe mit hohem Energiebedarf, wie beispielsweise Supermärkte oder Produktionsbetriebe, senken durch die Installation von Solaranlagen ihre Energiekosten und erhöhen somit ihre Wettbewerbsfähigkeit.

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Definition: Der Autarkiegrad gibt an, in welchem Umfang eine Solaranlage zur autarken Stromversorgung beiträgt. Er wird in Prozent gemessen. Während der Eigenverbrauch angibt, wie viel des erzeugten Stroms selbst verbraucht werden kann, definiert sich der Autarkiegrad danach, wie viel des verbrauchten Stroms selbst erzeugt wird.

Um den Autarkiegrad zu berechnen, wird der Eigenverbrauch des selbst erzeugten Solarstroms durch den Gesamtstromverbrauch im gleichen Zeitraum geteilt und mit 100 multipliziert.

Beispiel: In einem Jahr werden 4.000 kWh Strom verbraucht und die Solaranlage 2.000 kWh Strom produziert, der Eigenverbrauch beträgt 1.500 kWh. Der Autarkiegrad berechnet sich wie folgt:

Eigenverbrauch / Gesamtverbrauch x 100 = Autarkiegrad in Prozent

1.500 kWh / 4.000 kWh x 100 = 37,5 %

Um den Autarkiegrad zu erhöhen, kann man entweder die Größe der Solaranlage steigern oder den Stromverbrauch reduzieren. Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung des direkten Eigenverbrauchs und somit des Autarkiegrades ist die Installation eines Batteriespeichers, der den Solarstrom speichert und bei Bedarf zur Verfügung stellt.

Ein intelligentes Lastmanagement im Gebäude bietet zusätzlich die Möglichkeit den Autarkiegrad zu steigern. Die eigene Solarstromerzeugung soll immer maximal ausgenutzt werden. Lädt beispielsweise das Elektroauto, während die Sonne scheint, kann der Netzbezug bei Ladung über Nacht minimiert und damit der Autarkiegrad erhöht werden.

Um den Autarkiegrad im Vorfeld zu berechnen, gibt es auch Online-Rechner bzw. Autarkie-Rechner. Nach Eingabe der Größe der Solaranlage und des Batteriespeichers sowie des voraussichtlichen Stromverbrauchs erhält man eine Einschätzung des Autarkiegrades.

Eine vollständige Autarkie des eigenen Energiesystems ist, wenn nicht anders lösbar, wirtschaftlich nicht empfehlenswert. Eine absolute Autarkie durch Solarstrom ist nur über eine große PV-Leistung in Kombination mit einem Energiespeicher umsetzbar.

Eine Überdimensionierung der technischen Komponenten zur Deckung des Strombedarfs zu jeder Zeit im Jahr (auch nachts und im Winter) treibt die Kosten in die Höhe. Es ist allerdings ratsam, die maximal mögliche Anlagengröße zu wählen.

Wenn Sie wissen wollen, wie viel kW_p Sie benötigen, um zumindest bilanziell den eigenen Strombedarf zu generieren, können Sie folgende Formel anwenden:

Leistung kW_p=(Strombedarf [kWh/a]∙Solareinstrahlung unter STC [1 kW/m² ])/(Globale horizontale Einstrahlung [kWh/m²/a]∙Performance Ratio [dezimal])

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Auch Elektroautos können den Autarkiegrad erhöhen, da sie als zusätzlicher Speicher für den erzeugten Solarstrom genutzt werden können. Bidirektionales Laden mit einer intelligenten Steuerung stellt hierbei sicher, dass das Auto immer mit ausreichend Strom geladen ist und gleichzeitig der Stromverbrauch im Haushalt optimiert wird.

Ein Elektroauto erhöht jedoch massiv den Stromverbrauch, sodass bei gewünschter autarker Stromversorgung deutlich größere Speicher- und Erzeugungskapazitäten erforderlich wären.

Der betrachtete jährliche Strombedarf eines Einfamilienhauses beträgt 5.000 kWh. Für ein Elektroauto mit jährlicher Fahrleistung von 10.000 km sind in diesem Beispiel rund 1.690 kWh Strom erforderlich.

Regelmäßige Ladevorgänge mit einer Leistung von 3,5 kW charakterisieren den zusätzlichen Strombedarf im Lastprofil. Der tägliche Strombedarf des Elektroautos liegt bei 4,6 kWh. Damit pendelt ein Familienmitglied täglich rund 26,5 km. Der Fronius Online-Rechner erlaubt die Abschätzung des Autarkiegrads mit Elektroauto. Der Batteriespeicher verfügt im Beispiel über 6 kWh Speicherkapazität.

Sicher muss eine gewisse Anlagengröße gewährleistet sein, damit ein Elektroauto ebenfalls mit Solarstrom versorgt werden kann. Der Zeitpunkt der Ladung bestimmt jedoch in einem größeren Maß, ob und wie hoch der Solarstrom direkt genutzt werden kann. Ein intelligentes Lademanagement erhöht demnach den Autarkiegrad.

Eine Wärmepumpe stellt einen großen Stromverbraucher im Haushalt dar. Durch den Einsatz einer Solaranlage kann jedoch ein großer Teil des benötigten Stroms direkt vor Ort produziert werden, was zu einer erheblichen Reduzierung der Stromkosten führen kann. Ein Autarkiegrad von 100 % ist hierbei allerdings schwierig zu erreichen, da im Winter bei niedrigen Temperaturen ein höherer Energiebedarf für die Heizung benötigt wird.

Eine Wärmepumpe bedarf je nach Anlagenart und -größe und erforderlicher Heizleistung unterschiedlich viel Strom. Maßgebliche Werte sind hier die Jahresarbeitszahl (JAZ), die Heizleistung der Wärmepumpe und die Heizstunden im Jahr.

Für einen Haushalt mit durchschnittlichem Stromverbrauch von 4.000 kWh fallen zusätzlich 4.000 kWh im Jahr für die Heizung durch eine Sole-Wasser-Wärmepumpe an. Der Autarkiegrad durch eine 8 kW_p Solaranlage bei einem Jahres-Stromverbrauch von 8.000 kWh beträgt 45 %. Der individuelle Autarkiegrad durch Solar kann mithilfe des Online-Rechners von Varta spielerisch berechnet werden.

Durch den Einsatz von Batteriespeichern kann der erzeugte Solarstrom zwischengespeichert werden, um ihn zu einem späteren Zeitpunkt zu nutzen. Das erhöht den Autarkiegrad, da auch bei schlechtem Wetter oder in der Nacht Solarstrom genutzt werden kann.

Die Größe eines Batteriespeichers für die erweiterte Nutzung einer Photovoltaikanlage hängt von unterschiedlichen Faktoren ab. Wird ein gewisser Autarkiegrad oder Eigenverbrauchsanteil angestrebt oder soll eine möglichst wirtschaftliche PV-Anlage mit Stromspeicher gefunden werden? Die Frage muss individuell beantwortet werden.

Auf Basis von Online-Rechnern für Stromspeicher-Größen der HTW Berlin, in Kooperation mit Testvolt oder Varta, lassen sich unterschiedliche Szenarien für PV-Speicher-Größen berechnen.

Für einen Haushalt mit jährlichem Stromverbrauch von 4.000 kWh ergeben sich folgende Werte für Eigenverbrauch und Autarkiegrad, in Abhängigkeit der Solarspeicher-Größe und der installierten PV-Anlage.

Mit dem Unabhängigkeitsrechner der HTW Berlin lassen sich Autarkiegrad und Eigenverbrauchsanteil spielerisch berechnen. Hier wird schnell deutlich, wie unverhältnismäßig die technischen Komponenten dimensioniert sein müssen, um eine nahezu vollständig autarke Stromversorgung zu erreichen.

Im Vergleich stehen eine Photovoltaikanlage mit 6 kW_p Leistung und eine PV-Anlage mit 10 kW_p installierte Leistung. Die Tabelle gibt den Autarkiegrad in Abhängigkeit des jährlichen Stromverbrauchs und der Stromspeicher-Größe an. Zum Vergleich: eine Solaranlage mit 20 kW_p und 20 kWh Speicherkapazität erreicht bei einem jährlichen Stromverbrauch von 2.000 kWh einen Autarkiegrad von 99 %.

Die Wirtschaftlichkeit einer autarken Stromversorgung kann nur gewährleistet werden, wenn die Netzanschlusskosten und die Strombezugskosten die Investitionen in technische Komponenten zur autarken Stromversorgung übersteigen.

Die Stromgestehungskosten lassen einen Vergleich von Stromversorgungssystemen zu. So kann der Preis für eine Kilowattstunde aus dem öffentlichen Netz mit einer Kilowattstunde aus einem autarken Inselnetz verglichen werden. Im genannten Beispiel einer Solaranlage mit 20 kW_p und 20 kWh Speicherkapazität bei jährlichem Strombedarf von 2.000 kWh fallen vereinfacht folgende Kosten an:

• Rund 900 Euro pro kWh Speicherkapazität in 2023 (Speichermonitoring der RWTH Aachen)
• 1.100 Euro pro kW_p PV-Leistung (Aktuelle Fakten zur PV, Fraunhofer ISE)
• Speicherkosten von 18.000 Euro
• Kosten von 22.000 Euro für Solaranlage

Die individuelle Planung und Berechnung der optimalen autarken Stromversorgung sollte durch lokale Fachunternehmen übernommen werden. Nur so erfahren Sie, ob eine autarke Stromversorgung durch eine PV-Anlage für Sie wirtschaftlich ist oder eine Kostenfalle darstellt.

Mit einer Mindestgröße von einem Solarmodul und einer maximalen Wirkleistung von 600 W_p (gesetzlich limitiert), stellen Steckersolargeräte (auch: Balkonkraftwerke) die kleinsten Photovoltaikanlagen dar. Mit der kleinstmöglichen Solaranlage kann der Strombezug aus dem Netz verringert und damit der Autarkiegrad erhöht werden. Eine autarke Stromversorgung ist durch Balkonkraftwerke jedoch nicht möglich.

Mit dem Stecker-Solar-Simulator der Forschungsgruppe Solarspeichersysteme (HTW Berlin) können Sie das Potential für die kleinsten Photovoltaikanlagen ermitteln. So erfahren Sie, ab wann sich die PV-Anlage lohnt, mit welchen jährlichen Ersparnissen Sie rechnen können und wie hoch vermiedene CO₂-Emissionen sind.

Die Kalkulation dient lediglich der Orientierung und ersetzt keine fachgerechte Planung unter der Berücksichtigung individueller Bedingungen. Jedoch wird deutlich, dass auch eine Solaranlage mit einer minimalen Größe den Autarkiegrad der Stromversorgung erhöhen kann.

Unabhängigkeit durch Balkonkraftwerk steigern, ein Beispiel:

Wohnung, 2 Personen, Stromverbrauch 2.100 kWh, Süd-Ausrichtung Balkon/Wand, Neigungswinkel 90°, 33 ct pro kWh Netzbezug

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Der Begriff Nulleinspeisung bezeichnet eine Betriebsform von Photovoltaikanlagen. Ist ein Energiesystem mit Solaranlage und ggfls. Energiespeicher auf Nulleinspeisung ausgelegt, erfolgt keine Einspeisung des Stroms in das öffentliche Netz. Die Systemkomponenten verhindern aktiv die (Überschuss-)Einspeisung der PV-Anlage. Weitere Formen der Einspeisung sind die Volleinspeisung und die Überschusseinspeisung.