Den Strom selber zu produzieren und keine Energie über das Stromnetz zu beziehen, ist elektrische Autarkie. Das ist kaum zu schaffen, da auch Wechselrichter mit dem Stromnetz kommunizieren, indem sie die Netzfrequenz abstimmen müssen. Eine 100% Autarkie würde bedeuten, dass man den Strom-überschuss auch nicht einspeisen kann und man vom Stromnetz komplett abgekoppelt ist.

Da man nicht jeden Tag gleichviel Energie benötigt und der Verbrauch auch zeitlich unterschiedlich ausfällt, benötigt man eine Batterie sowie einen Hausanschluss um den Energiebedarf sicher zu stellen.

Sich vom Stromnetz abzukoppeln erachten wir als keine brauchbare Lösung, da wir mittels Energieüberschuss den Strom verkaufen können und somit eine bessere Amortisation unserer Investitionen erreichen. Zudem stellen wir so im Netz zusätzlichen Ökostrom bereit, welcher für unseren Konsum von extern hergestellten Produkten und Leistungen bereitsteht.

Wie viel Energie brauchen wir?

Bei unserer PV-Anlage haben wir versucht eine möglichst gleichmässige Last zu generieren. So helfen uns Relais, welche durch die einzelnen Wechselrichter anhand der Produktionsdaten die Lasten der Verbraucher schalten, die Autarkie zu erhöhen. Verbraucher welche zwingend gebraucht werden, sind über Zeitschaltuhren geregelt und Server oder andere Geräte, welche eine 24 h Versorgung benötigen, wurden mit zusätzlichen Notstrom-Lösungen geplant. So haben wir in der Produktion sogenannte „Solarsteckdosen“ welche nur bei Sonnenschein und Überproduktion Strom liefern. Daran angeschlossen sind beispielsweise Ladegeräte und ähnliches. Durch die Schaltung werden auch Akkus von Elektrowerkzeugen rein über Solarstrom geladen. Ein weiterer Vorteil ist, dass diese nicht konstant am Ladestrom sind und vor Tiefentladung verschont bleiben. Das erhöht die Lebensdauer der Akkus massiv und unsere Mitarbeiter brauchen sich nicht darum zu kümmern.

Produkte wie Aussenbeleuchtung oder unsere Leuchtreklame wurden auf komplette Autarkie geprüft und teils ganz vom Stromnetz entkoppelt. Alle Stromkreise wurden über mehrere Tage gemessen, Analysiert und die Verbraucher auf Ihren Nutzen optimiert.

Eine grosse Herausforderung war der Boiler. Auch hier ist der Energiebedarf sehr unterschiedlich und Verbrauchsabhängig. Erstens ist die Temperatur, welche uns vom Wasserwerk geliefert wird, immer unterschiedlich und der Verbrauch ebenso. Unser Boiler hat eine maximal-Last von 6 kWh, kann aber auch Ohmsch angesteuert werden. Da wir bei Schlechtwetter nicht an jedem Tag einen Energieüberschuss von 6 kWh sicherstellen können, muss der Boiler gedrosselt werden. Die optimale Heizleistung zu finden war nicht einfach, da an Regentagen auch mal paar Stunden die Sonne stark scheint und somit der Überschuss kurzfristig reicht, während an anderen Tagen die Spitzenleistung nicht ausreicht, und an wieder anderen Tagen haben wir mehrere Stunden perfekten Sonnenschein. Es ist schwierig die optimale Heizleistung zu ermitteln, welche bei jedem Wetter funktioniert. Wir haben uns gegen eine Ohm’sche Überschussaufladung mittels OhmPilot von Fronius entschieden, da der Wirkungsgrad der Warmwasseraufbereitung schlechter ausfällt. Zudem sind die Installationskosten mit rund 800.- CHF kaum zu amortisieren. Dagegen war eine Relais Steuerung mit einem gebrauchten Relais, welches über den Wechselrichter direkt angesteuert wird, um ein vielfaches wirtschaftlicher.

So heizen wir den Boiler in den Sommermonaten mit 2,7 kWh und in den Wintermonaten mit 1,5 kWh, damit wir nicht kalt duschen müssen. Die Umstellung erfolgt jeweils Ende November und Anfang April und bedingt ein kurzes umschalten am Boiler-Anschluss.

Erstaunlicherweise konnte durch all die aufgeführten Massnahmen auch der Strombedarf an den Wochenenden und in der Nacht massiv reduziert werden, was uns hilft mit einer eher kleineren Batterie durch zukommen.

Verbraucher auf Ihre Nutzung reduzieren

Gruppe 1: Verbraucher mit Planbarkeit oder eigenem Akku/Speicher

Dazu gehören beispielsweise der Wasser Boiler, Akku-Ladegeräte zu Maschinen und Apparaten, das Elektroauto, Druckluft, unsere Druckanlage für Industrie Drucke, Transfer Drucker, Plattenfräse und Schneideplotter, Waschmaschine, Geschirrspüler und mehr.

Diese Produktgruppe benötigt nicht immer Energie und die Prozesse können anhand der Wetter-Daten einfach geplant werden. Bei einem Boiler kann über Temperatur-Reduktion auch viel Energie eingespart werden.

Gruppe 2: Verbraucher für den normalen Arbeitstag/Alltag

Zu dieser Gruppe gehören PC’s, Peripheriegeräte wie Bildschirme, Drucker, Handys, Beleuchtung, Kühlschrank und Gefriertruhe, Lüftung, Telefonanlage und Internet Router.

Diese Produkte müssen während der Arbeitsstunden verfügbar sein und werden bei Nichtgebrauch, in der Nacht oder an Wochenenden über Zeitschaltuhren, Bewegungsmelder oder über Hauptschalter vom Netz genommen. Zeitschaltuhren und Bewegungsmelder entlasten auch Mitarbeiter.

Gruppe 3: Sicherheitsrelevante Verbraucher mit 24 h Betrieb

Dazu gehören Produkte wie Server, Alarmanlage und die Notbeleuchtung.

Diese Produktgruppe wir teils sogar mit Notstrom gesichert, sogenannte USV.

Gruppe 4: Autarke Installationen

Produkte wie Aussenbeleuchtung, Teichpumpe und auch unsere Leuchtreklame haben wir komplett autark gebaut. Diese Produkte sind nicht mehr am Stromnetz und funktionieren über ein eigenes Solarmodul und eine Batterie. Derzeit prüfen wir auch Innenbeleuchtungen über alte Autobatterien autark anzuschliessen. Erste Erfolge zeichnen sich ab. Autobatterien im Innenraum haben bessere Betriebsbedingungen, da sie keinen Temperaturschwankungen unterliegen. Gebrauchte Autobatterien erhalten zudem eine Secund-Live Chance was zusätzlich Ressourcen schont. Das einzige Problem der Batterien ist die Zyklus-Sicherheit. Die Batterien altern rasch, können aber in Garagen meist gratis abgeholt und einfach ersetz werden.

Die Vorteile der Schaltungen, Intelligenz

Durch die Auslegung dieser Gruppen war es uns möglich mit einem kleinen Speicher unsere Autarkie auf über 90% anzuheben. Durch die laufende Analyse und Optimierung steigt der Autarkiegrad laufen an.

Um den Energiebedarf zu optimieren haben wir nun zusätzlich die Nord-West Seite unseres Dachs mit PV-Modulen ergänzt, so haben wir im Durchschnitt eine Stunde länger Stromproduktion, was die Batterie entlastet.

Da wir auf Langlebigkeit setzten, haben wir unsere Schaltung direkt über die Wechselrichter gesteuert, also ohne externe Software. Fronius bietet potenzialfreie Schaltkontakte direkt am Wechselrichter, sowie IOS Schnittstellen, welche digitale Ein- / Ausgänge haben. Durch die 4 Wechselrichter haben wir also über 40 einzelne Schaltmöglichkeiten, wovon wir gerade mal 10 aktiv nutzen. Alle Schaltungen lassen sich über die Produktionsdaten ansteuern. Die Relais werden zentral über eine Fi-Sicherung geschalten, so lassen sich alle Verbraucher während der Urlaubszeit per Knopfdruck ausschalten.

Die Batterie und das E-Auto als Puffer

Es ist wichtig, dass wir in den Morgenstunden einen ersten Ladestrom in die Batterie bringen, umso über den Tag gerade bei Bewölkung mit dem Batteriestrom Spitzenlasten abzufangen. Wenn also die Sonne nicht ausreichend Energie erzeugt und wir beispielsweise eine Fräse oder den Kompressor benötigen, bietet die Batterie Energie für die Spitzenlast. So können wir die Unterschiede der Tages Produktion abfangen und auch bei Schlechtwetter möglichst Autark sein. Ein weiteres Problem bei Sonnenschein ist, dass am Mittag Energieproduktionsspitzen anfallen. Wir haben beispielsweise das Laden vom E-Auto auf die Mittagszeit programmiert, da es mit rund 5-11 kWh die Einspeisespitze in der Mittagszeit glättet. Wenn das Auto aber vollgeladen ist, was dann? So müssen wir die Batterie nutzen um zusätzlich die Stromkurve zu glätten. Die Batterie darf also in den Morgenstunden nicht vollgeladen werden.

Die Wohnung im Firmengebäude hilft der Planung (Vektorkopplung)

Da wir auch eine Einleger-Wohnung haben, werden Verbraucher wie Geschirrspüler und Waschmaschine an sonnigen Tagen genutzt, um Energiespitzen abzufangen. Diese Verbraucher werden am Morgen programmiert und laufen zwischen 11:00 bis 16:00 Uhr.

Im Winter kann der Energieüberschuss für die Wärmepumpe oder zur Heisswasseraufbereitung genutzt werden.

Stromglättung bringt den entscheidenden Vorteil

Die Glättung des Strombedarfs hilft nicht nur unserer Autarkie, auch die EW’s profitieren davon, da sie weniger Lasten zu regeln haben und somit die Trafostation entlastet wird. Phasenkopplung ist auch nicht unwichtig. So haben wir unsere Strom Phasen analysiert, um die einzelnen Phasen gleichermassen auszulasten. Das bedingte ein Umbau der Unterverteilung, ist aber problemlos machbar. Um unsere Zuleitung zu schonen und eine übermässige Energie-Einspeisungen zu reduzieren, haben wir eine Einspeisebegrenzung implementiert. Das ist zwar nicht erstrebenswert, da durch abriegeln der Stromproduktion nicht nur Energie, sondern auch ein Teil des Ertrages verloren geht. Nur so können wir jedoch eine Sicher Stromversorgung gewährleisten, da insbesondere in den Ferien keine Verbraucher am Mittag betrieben werden.

Die Solaranlage wurde auf die Süd-Ost und Nord-West Dachfläche verteilt, so ist die Energiespitze nicht ein kurzfristiges Peak, dieses verteilt sich gleichermassen von 11:00-16:00 Uhr und bietet so eine gleichmässig hohe Stromproduktion. Durch die Süd-Ost Seite haben wir in den Morgenstunden bereits früh Solarstrom und am Abend bietet die Nord-West Seite ebenfalls eine lange Eigenversorgung. Der beste Wirkungsgrad erreicht man auf der Südseite, nur was nutzt eine maximale Leistung in den Mittagsstunden, wenn man in der Zeit die Energie nicht nutzen kann?

Unsere Installation:

1. Wechselrichter Fronius Symo Hybrid 5.0 mit Batterie LG Chem RESU 10, 1 Mpp Tracker und 2 Strings, Nennleistung 4,68 kWp, Module 260 Wp Viessmann. Ausrichtung: Süd-Ost
2. Wechselrichter Fronius Symo 17.5, 2 MPP Tracker und 6 Strings, Nennleistung 17,93 kWp, Module 260 Wp Viessmann. Ausrichtung: Süd-Ost
3. Wechselrichter Fronius Symo 12.5, 2 MPP Tracker und 5 Strings, Nennleistung 11,42 kWp, Module 260 Wp Viessmann. Ausrichtung: 3 Strings Süd-Ost / 2 Strings Nord-West
4. Wechselrichter Fronius Symo 12.5, 2 MPP Tracker und 4 Strings, Nennleistung 12,1 kWp, Module 275 Wp JaSolar. Ausrichtung: 3 Strings Süd-Ost / 2 Strings Nord-West

Die Batterie

Batterien benötigen mehrere Sekunden Zeit um vom Lade- zum Entlade-Status zu schalten, daher macht es Sinn, eine Batterie möglichst langsam zu laden, damit möglichst wenige Schaltzyklen entstehen. Während der Schaltung wird eine geringe Menge an Netzstrom benötigt, um den Lastwechsel zu überbrücken. Das beschneidet unsere Autarkie. Auch schont eine langsame Ladung die Batterie und erhöht die Lebensdauer.

Wechselrichter mit direktem Batterieanschluss, zur Ladung von sogenannten DC Batterien, sind aktuell eher Leistungsarm. Fronius bietet derzeit nur einen 5 kWp Wechselrichter mit einem DC-Batterie-anschluss.

Bei Installationen von mehreren Wechselrichtern neigt man dazu, die Batterie in den Morgenstunden maximal zu laden, was jedoch bedeutet, dass der Strom aller Wechselrichter erst vom PV-Modul ins Wechselstromnetz gewandelt werden muss (Wirkungsgrad rund 96%), danach wieder über den Gleichrichter in die Batterie geladen wird (Wirkungsgrad rund 94%). Bei Gebrauch der Energie aus der Batterie muss erneut über den Wechselrichter der Strom in Wechselstrom gewandelt werden (Wirkungsgrad rund 96%), damit er in der Steckdose nutzbar wird. Jeder Wandel hat Verlustleistung, somit reduziert man den Gesamtwirkungsgrad um insgesamt rund 12-15%, was bedeutet, dass die PV-Anlage grösser ausgelegt werden muss und somit die Gesamtinvestition entsprechend höher ausfällt.

Der zweite Wechselrichter wird im Bild beispielsweise mit -286 W angezeigt. Das bedeutet dass er von den anderen Systemen über das AC Netz Energie bezieht um die Batterie zu laden, was mit Verlusten verbunden ist.

Ein intelligentes Batterie-Management priorisiert daher die Ladung aus dem Wechselrichter, welcher direkten DC-Stroms vom Solarmodul zur Batterieladung nutz, bietet jedoch bei Schlechtwetter die Möglichkeit, auch andere Wechselrichter zur Ladung zu nutzen. Mit dem 5 kWp Fronius Wechselrichter würden wir bei Schlechtwetter die Batterie nicht voll bekommen.

Daher haben wir ein gestaffeltes Laden und entladen analysiert und umgesetzt. (Optimierungen finden laufend statt)

In der Tabelle werden je nach Tageszeit unterschiedliche Lade- und Entlade-Leistungen eingetragen, damit das ganze möglichst reibungslos funktioniert. Auch hier sind noch Veränderungen und Anpassungen nötig um eine möglichst hohe Autarkie über das ganze Jahr sicherzustellen. Durch die Veränderung konnten wir den Wirkungsgrad der Batterieladung um über 7% verbessern, was uns täglich mindestens 700 Wh Energie spart. Der Jahresertrag bei Einspeisung verbessert sich daher um rund 18.- CHF und bei Eigenbedarf um bis zu 52.- CHF. Somit liegt der genaue ertrag irgendwo dazwischen und dieser ist auch für die Amortisation der Batterie mit rund 500.- CHF in den 15 Jahren durchschnittlicher Betriebszeit nicht unerheblich.

Was kostet die Autarkie?

Die Gesamtinvestition lag bei rund 75’000 CHF. Die Förderung betrug rund 28’000.- CHF und die Steuererleichterung nicht ganz 15’000.- CHF, es bleibt eine effektive Investition um die 32’000.- CHF. Man muss dazu sagen, dass wir auch viel Eigenleistung rein gesteckt haben und die Schaltungen selber mit gebrauchten Relais umgesetzt haben.

Durch die Analyse konnten wir ohne grosse Veränderungen massiv Energie einsparen. Mit der PV Anlage erreichen wir eine jährliche Stromkosten-Reduktion von rund 5000 – 6000.- CHF. Die Elektro-mobilität wird ebenfalls vom Dach bereitgestellt, was zusätzlich rund 5000.- CHF Benzin oder Diesel pro Jahr einspart. Der jährliche Energieüberschuss, welcher uns vergütet wird, liegt je nach Wetter zwischen 1800 – 2500.- CHF pro Jahr. Somit ist eine Einsparung um die 12’000.- CHF realistisch.

Eine Amortisation von 3 Jahren ist auch für Industrieanwendungen eine top Rendite, zudem haben Solche Investitionen bei geringem Unterhalt eine Lebenserwartung von rund 40 Jahren.

Bei privaten Solaranlagen sehen wir diese Schritte auch als Altersvorsorge, da durch Strompreis-Erhöhungen (Durchschnitt der letzten Jahre rund 4% p.a.) und sinkende Zinsen kaum ein Rentenfond solche Renditen bietet und uns im Alter durch Autarkie mehr Geld zum Leben übrig bleibt.

energetische Autarkie bedingt etwas Planung

Um das Ziel einer möglichst hohen Energetischen-Autarkie zu erreichen, berücksichtigen wir den Wetterbericht bei unserer Produktionsplanung. Das war zu Beginn ein grosses Thema und führte intern zu heftigen Diskussionen. Jedoch in der Umsetzung merkten wir rasch, dass es unsere Prozesse gar nicht so stark beeinträchtigt, wie vermutet. Eigentlich ist es eine Periode von Anfang Dezember bis Ende Februar, wo es uns an manchen Tagen etwas einschränkt. Da wir im Investitionsgüterbereich unterwegs sind und bei vielen Kunden das Budget in der Zeit noch nicht bereitsteht, ist das eher eine ruhige Zeit, und somit gut machbar.

Auszug digitale Energie-Überwachung

Monats-Analyse

Die beiden Grafiken zeigen die Energie-Produktion und den Verbrauch unserer Unternehmung. Grün stellt den Energieüberschuss dar, grau den direkten Verbrauch, gelb ist die Batterieladung und rot zeigt den externen Strombezug. Wir zeigen hier einen durchschnittlichen Monat wie den März 2019. Wie unschwer zu erkennen ist, sind die Verbraucher bestmöglich in die Solarproduktion eingebunden. So sind wir auch an Regentagen wie dem 1ten, dem 14ten oder 15ten März 2019 kaum auf externen Strom angewiesen, da wir an diesen Tagen auf Büroarbeit umstellten.

 

Unserem Verbrauch im März 2019 von ca. 930 kWh steht die Energieproduktion von rund 3100 kWh gegenüber. Der Eigenverbrauch liegt bei 30%. Was für einen März sehr gut ist. Die elektrische Autarkie lag bei 99%, wir haben lediglich 9.6 kWh aus dem Stromnetz bezogen. So stellen wir auch sicher, dass die Energie in den Wintermonaten ausreicht. Betrachtet man die Roten Balken mal genau, so sind die externen Energiebezüge nicht an den Regentagen, sie sind oft auf grosse Lastwechsel in der Produktion zurückzuführen und das meist an Sonnigen Tagen. Auch hier braucht es noch Optimierungen.

Tages-Analyse

Eigentlich wollten wir den 21.März aufzeigen, da dies der Tag der Sonnenwende ist. An dem Tag war aber das Wetter zu schön um die Details sichtbar zu machen. Daher nutzen wir den 19.März 2019, ein leicht Bewölkten Dienstag, der eine optimierte Energie-Planung sichtbar macht. Lediglich die Batterie-Ladung ist zu dem Zeitpunkt noch nicht optimiert und lädt am Morgen komplett auf. Gut ersichtlich ist jedoch wie gleichmässig unser Eigenverbrauch auf den Tag verteilt ist und wir nahezu alle Verbraucher direkt über den Energieüberschuss der PV-Anlage nutzen.

Die Autarkie liegt an dem Tag bei 99% und der Eigenverbrauch bei 29%. Das eine Prozent, welches bei der Autarkie verloren geht, liegt am Frequenzabgleich der Wechselrichter, welche regelmässig mit dem Netz abgeglichen und so geringe Mengen an Strom beziehen. Zudem sehen wir in den Morgenstunden (gelber Punkt) einen kurzen Unterbruch der Batterie, ja auch sowas gibt’s.

Der genaue Netz Bezug an dem Tag lag bei 0,23 kWh, in Franken: um die 6 Rappen.

Grundsätzlich sprechen wir in unserem Betrieb von einer Autarkie um die 90%, das ist kein „tiefstapeln“ sondern hat damit zu tun, dass wir im vergangenen Winter bei einigen Annahmen falsch lagen und so der Autarkie-Faktor negativ beeinträchtigt wurde. Diese Punkte wurden logischerweise rasch korrigiert, so dass wir im aktuellen Jahr mit einer Autarkie um 94% rechnen.

Weitere CO2 Reduktionen stehen an, wie weitere Elektro-Autos und der Ersatz unsere Heizung mittels Wärmepumpe und Solarthermie. Auch diese sollen Autark betrieben werden und so wird sich unsere Optimierung noch weiterziehen müssen. Dazu wurde die PV-Anlage bereits diesen Juli erweitert um ausreichend Energie bereitzustellen. Auch eine Windkraftanlage mit 2,3 kWp wurde im 2018 installiert, da es jedoch keine Gesetzesgrundlage gibt, eine Windkraftanlage auf das Dach zu bauen, musste diese wieder rück gebaut werden. Es wäre eine super Ergänzung, da bei Schlechtwetter und geringer Sonneneinstrahlung meist ausreichend Wind ansteht für die Grundversorgung.

Einfach nur die Heizung umzubauen, ist auch kein Garant für eine energetische Verbesserung. Die Energiemenge ist entscheidend! So wurde erst die Gebäudehülle untersucht und es wurden Isolationen verbessert. So wurde im 2018 in der Produktion die Fensterfront auf 3-fache Verglasung erneuert. Weitere Verbesserungen stehen noch an. Eine bessere Gebäudehülle reduziert die Heizleistung und somit kann eine kleinere Wärmepumpe eingesetzt werden. Das senkt die Investition und schont auch die Umwelt.

Ein weiterer Schritt ist die Wärmepumpe mit zusätzlicher Solarthermie zu koppeln. So reduzieren wie den Strombedarf und können in der Übergangszeit mit reiner Solarthermie heizen. Dazu wurden 20 m2 Dachfläche vorgesehen, was reichen sollte einen 5000 Liter Wärmespeicher in der Übergangszeit warm zu halten.

Der integrierte Brauchwasserspeicher ersetzt dann auch unseren heutigen Elektroboiler was zusätzlich um 3-6 kWh pro Tag Energieeinsparung bedeutet und somit unsere Autarkie verbessert.

CO2 Neutral sind wir rechnerisch bereits heute, CO2 frei zu werden ist das Ziel.