5. März 2020

Warmwasser dank Photovoltaik

PROJEKT eines PV Anlagen-Aufbau

Dieser Artikel wird nach und nach erweitert, bis das Projekt abgeschlossen ist – etwa Februar 2020 bis August 2020.
Kein Sponsoring o.Ä.

Projektziel ist es möglichst günstig und in Eigenleistung, den Energieverbrauch eines Hauses zu reduzieren. Die Idee dahinter ist, mit Photovoltaik direkt den Warmwasserspeicher der Zentralheizung aufzuwärmen.

Warum Wasserwärmen?

Diese Frage stellt sich schnell und gerne – warum Wasser heizen und nicht den Strom im Haus nutzen? Das hat eine einfache Kosten-Nutzen Rechnung schnell erklärt. Denn eine PV Anlage mit DC/AC Wechselrichter kostet dementsprechend mehr und würde sich nur bei hohem Eigenverbrauch auszahlen. Um das zu erreichen, bräuchte man einen Stromspeicher (Akku) und dieser ist nach wie vor unverhältnismäßig kostspielig. Weiters kann ich die Installation nicht komplett selbst erledigen, was sich wiederum auf den Preis niederschlägt. So stehen also tausende Euro in der Anschaffung gegen eine Stromrechnung, die das erst in Jahrzehnten amortisiert. Wenn nichts kaputt wird. Der Umweltaspekt wiegt beim Strommix des Anbieters in unserer Region dank Wasserkraft auch sehr niedrig.

Auf der anderen Seite der Warmwasserspeicher. Dieser ist bereits ein Energiespeicher im Haus, der momentan nur von der Zentralheizung erwärmt wird und dementsprechende Energie dafür benötigt. Noch dazu wird mit Öl/Holz geheizt, also spielt der Umweltaspekt hier sehr wohl eine Rolle.

Man verzichtet also auf aufwändige Rohre, teure Wechselrichter, noch teurere Akkus und viel Fremdleistung. Wenn die Sonne scheint wird das Wasser erwärmt, wenn das Wasser heiß genug ist, schaltet der Heizstab ab. Und das Wasser lässt sich über Stunden bis in den Abend, oder womöglich bis in den nächsten Tag hinein, nutzen. Einfach = Gut!

Technische Auslegung

Die Auslegung ist sehr simpel gerechnet: Der ELWA Heizstab kann maximal 2000 Watt heizen, also sollte die Anlage knapp darüber sein. 4-8 Module werden empfohlen, je nach Haushaltsgröße. Unsere Anlage wird 7 Module haben, da diese etwas größer sind als andere – 72 statt 60 Zellen.

Der Warmwasserspeicher hat 350 Liter, daraus kann man mit eingerechneten Verlusten auch die mögliche Wassererwärmung errechnen. Da das Dach etwa 25 Grad S/W ausgerichtet ist, kann man mit dem Sonnenstand auch hier ungefähre Berechnungen anstellen.

Grob gesagt braucht man für die Erwärmung von 350 Liter Wasser um einen Grad etwa 0,43 kWh, was bei einem Heizstab mit 2000 Watt wiederum 0,22 Stunden, also 12:13 Minuten dauert.

Zuerst die benötigte Energie berechnen minus 10 % Beispielverlust:
350 Liter * 1 Grad * 4,182 kJ * 1,1 Verlust = 1610 kJ bzw. 1,610 MJ

Dann die Energie in kWh umrechnen:
1,610 MJ / 3,6 (MJ in kWh) = 0,447 kWh

Danach noch die kWh durch die Heizleistung für die Zeit (Dezimal):
0,447 kWh / 2 kW = 0,223 Stunden
oder 13:25 Minuten

Es sollte klar sein, dass die Vollleistung nicht ständig erreicht wird, aber man kann mit dem Rechenweg eine Wahrscheinlichkeit berechnen. Diese ist wiederum abhängig vom tatsächlichen Sonnenschein und dem verbrauchten Warmwasser. Also schwer vorauszusehen, wird interessant dies mit der Realität zu vergleichen. Aber es gibt auch Tools, die einem dabei helfen:

Erwartete Vorhersage für 2 kWp Anlage in Kärnten SW 20°

Dann noch zum Vergleich mit Öl gegengerechnet:
0,447 kWh * 0,10 €/kW = 0,04 €
Ersparnis pro Grad Warmwasser mit PV erwärmt statt mit Öl.

Umso teurer das Öl, sowie umso älter der Ölofen, desto höher wird der Preis pro Grad. In einer Beispielrechnung für sonnige Durschnittstage im Jahr, erreiche ich ungefähr 8-33 Grad Wassererwärmung. Ein Schnitt von 21 wird jetzt der Realität wegen halbiert (tatsächliche Sonnentage, tatsächlicher Verbrauch usw.) auf 10,9 Grad pro Tag – bedeutet 4,46 kW und wiederum 0,46 € Öl-Ersparnis/Tag.

Also hat man um die 166 € pro Jahr gespart. Das ist recht negativ gerechnet und sollte alleine schon bei dem sonnigen Winter in den letzten Jahren übertroffen werden. Das bedeutet spätestens 8-10 Jahre für die Amortisation, konservativ gerechnet.

Noch sollte dazu gesagt werden, dass die Planung dahin geht, dass wir in den nächsten Jahren wahrscheinlich einen Schichtenspeicher einbauen, sowie auf Pellets, oder eine Wärmepumpe umsteigen werden. Der 800 Liter Schichtenspeicher wird mit dem Heizstab dann Warmwasser und die Heizung unterstützen. Zwar ist der Gesamtanteil der PV Anlage in er Heizperiode wahrscheinlich verhältnismäßig klein, doch die Effektivität steigt weiter – da einerseits ein Schichtenspeicher diese schon erhöht, und weil der Heizstab wohl nur im Sommer das Wasser auf Abschalttemperatur bekommen kann. Also wird fast jeder Watt vom Dach ins Warmwasser transferiert.

Wichtige Bestandteile

  • Photovoltaik Module
  • Modulbefestigung am Dach
  • Verkabelung & Sicherung
  • ELWA Heizstab

Photovoltaik Module

Auch wenn über die letzten Jahre PV Module immer günstiger geworden sind, so ist es nach wie vor ein teurer Posten. Darum habe ich mich dafür entschieden, gebrauchte Module zu erwerben. Diese wurden von einer Großanlage zurückgebaut und waren etwa 4 Jahre im Einsatz. Der Modulpreis war bei 76 pro Modul für jeweils 280 Watt sehr attraktiv und auch ausschlaggebend für eine preisgünstige Umsetzung.

7 Module, jeweils 72 Zellen pro Modul. Betriebsspannung von 35,54 Volt, also 248,78 Volt gesamt, und dabei 7,88 Ampere. Leerlaufspannung ist auf 44,00 Volt und 8,9 Ampere.

Leider sind sie mit knapp 1 mal 2 Meter etwas größer als der Durchschnitt und mit 25 Kilogramm auch nicht gerade leicht. Das wird bei der Montage wohl nochmal Thema werden. Dafür spart man sich quasi ein Modul in dem Aufbau, da die ELWA nicht mehr Volt schafft.

Der Temperaturkoeffizient beschreibt in dem Fall, dass bei angenommenen -15 Grad, die bei uns auch vorkommen können, die Module anstatt 308 Volt Leerlaufspannung, über 350 Volt liefern. Also würden laut Betriebsspannung sogar 9 Module funktionieren, die Leerlaufspannung bei -15 Grad wäre dann aber bei 454,61 Volt – und würde die ELWA “brutzeln” lassen.

Demnächst mehr…

Modulbefestigung am Dach

Demnächst…

Verkabelung und Sicherheit

Als Verkabelung sind momentan ein 4 mm² Kabel angedacht, das vom Dach in den Keller verläuft. Dieses ist wiederum in einem Schutzschlauch, um eventuelle Tierangriffe abzuwehren. Die Anlage wird seriell geschalten, also summiert sich die Voltanzahl auf knapp 250 Volt, der Strom bleibt bei ungefähr 7,8 Ampere.

Dadurch ist ein 4 mm² Kabel bereits überdimensioniert und eher für zukünftige Veränderungen angedacht. Außerdem ist noch eine 1000V DC Sicherung mit 10 A eingebaut, was nicht unbedingt notwendig ist, aber so kann man sich etwas sicherer fühlen, vor allem wenn wirklich was passiert. Auch die ELWA begrenzt sich selbst bei über 10 Ampere.

An der ELWA ist direkt ein MC4 Stecker und eine Buchse, also auch hier kein Problem mit der Verkabelung. Wichtig ist zu bedenken, dass die Verkabelung zuerst gemacht werden muss, bevor die Module angesteckt werden – denn 250 Volt Gleichstrom sind nicht zu unterschätzen.

Mehr demnächst…

ELWA Heizstab von my-PV

Als Heizstab wurde die ELWA ausgewählt, weil sie ohne Umwandler, direkt an die PV Anlage angeschlossen werden kann. Das vereinfacht und vergünstigt die Anlage, sowie sorgt sie für einen anmeldungsfreien Inselbetrieb.

Packungsinhalt

Weiters kann der Heizstab auch per Steckdose betrieben werden, was ist für mich aber nur im Notfall bzw. Zentralheizungsausfall angedacht ist. Im normalen Betrieb muss sie nicht angesteckt werden. Viel gibt es nicht zu sagen: Man montiert sie im Wasserspeicher, stellt die gewünschte Temperatur ein, schließt sie an die PV Anlage und das war es dann auch schon. Schichtspeicherbetrieb ist mit zwei ELWA auch möglich, das ist auch nicht schwer zu verkabeln, vielleicht für die Zukunft interessant.

Die ELWA kann via Infrarot/USB Interface auch ausgelesen werden, dies wird auch für Vergleichswerte sorgen. Neu ab Frühjahr 2020 wird es eine Cloud-Plattform geben, die mit dem USB Interface und dem kommenden Cloud-Connect Ertragsdaten Live und online einsehbar macht.

Kleines Video zum Aufbau und Lieferumfang

Sobald vorhanden, werde ich hier die Werte auch preisgeben. Laut my-PV hat der ELWA einen Datenspeicher für etwa 8 Jahre – das sollte ausreichen für eine gute Übersicht. Interessant für mich sind natürlich die tatsächlichen Ertragswerte und die daraus resultierende Amortisationszeit – denn die Anlage soll sich ja auch rechnen und nicht nur ein Bastelprojekt sein.

Schätzungen und Ertrag

Hier wird es erst interessant, wenn die Anlage läuft. Vorerst kann ich meine groben Schätzungen angeben.

Meine Schätzungen beruhen auf der geplanten Anlage, Sonnenstand und daraus geschätzten Ertrag. Ein Verlust von 10 Prozent ist immer eingerechnet.

Hier eine Liste mit dem erwarteten Ertrag für einen Sonnigen 01. März.
2,2 kWp in Kärnten, 25 Grad Dachschräge und SW Ausrichtung.

UhrzeitErw. Ø Ertrag kWGrad/Stunde
8 Uhr0,10,22
9 Uhr0,30,67
10 Uhr0,61,31
11 Uhr0,92,00
12 Uhr12,24
13 Uhr12,24
14 Uhr0,92,00
15 Uhr0,81,79
16 Uhr0,61,34
17 Uhr0,51,12
18 Uhr00
Gesamt 6,3 kW14,98 Grad/Tag

Wie erwähnt sind das nur Schätzungen, aber basierend auf Berechnungen von Wetterdiensten, die Ort, Ausrichtung und kWp berücksichtigen. Der 1. März ist ein guter Tag für diese Berechnungen, da ich annehme, dass die Übergangszeit sehr wertvoll sein wird.

Demnächst mehr…

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