LENA Modellhaus – Strom, elektrisch
Elektrischer Strom ist im Alltag der allermeisten Menschen in den Industriestaaten für Anwendungen wie Licht, Wärme/Kälte und mechanische Energie, aber auch zunehmend für die Mobilität unentbehrlich. Die Nutzung von Strom begann erst etwa ab Mitte/Ende des 19. Jahrhunderts im Zusammenhang mit Telegrafie, Galvanik und Beleuchtung und weitete sich bis zum heutigen Tag immer weiter aus.
Der umgangssprachliche Begriff Stromnetz bezeichnet ein Netzwerk zur Übertragung und Verteilung elektrischer Energie. Es besteht im allgemeinen aus elektrischen Freileitungen und Erdkabeln sowie den dazugehörigen Einrichtungen wie Schalt- und Umspannwerke (www.wikipedia.org/Stromnetz). In Deutschland gibt es nur noch sehr wenige sogenannte „Insellagen“ ohne Anschluss an das öffentliche Stromnetz. In der Regel besteht ein solcher Anschluss, heutzutage jedoch meist als erdverlegte Stromleitung (Erdkabel). „In Deutschland existieren für den Transport von Strom vier Netzebenen: Höchstspannungsnetz, Hochspannungsnetz, Mittelspannungsnetz und Niederspannungsnetz. Diese werden von zahlreichen Dienstleistungsunternehmen betrieben, die sich grob in zwei Kategorien einteilen lassen: Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB), die überregionale Netze bewirtschaften, und Verteilnetzbetreiber (VNB), die auf regionaler und lokaler Ebene arbeiten“.
Die Netzbetreiber sind auf ihren jeweiligen Netzebenen für die Balance aus Stromproduktion und Stromverbrauch verantwortlich. „Die Netzbetreiber garantieren ihren Kunden einen diskriminierungsfreien Zugang zu ihren Netzen. Übertragungs- und Verteilernetze bilden natürliche Monopole. Aus diesem Grund kontrolliert und reguliert die Bundesnetzagentur (BNetzA) als staatliche Behörde den bundesdeutschen Netzbetrieb. Derzeit existieren 887 Netzbetreiber in Deutschland (Stand: 28.11.2016)“ (www.next-kraftwerke.de/wissen/netzbetrieb).
Durch den diskriminierungsfreien Netzzugang ist das Recht zur Belieferung einer Entnahmestelle nach vorheriger Einspeisung an anderen Punkten des Netzes gewährleistet. Er ist vom Netzanschluss zu unterscheiden, der ausschließlich die physische beziehungsweise technische Netzanbindung darstellt. Als Gegenleistung für die Netznutzung entrichtet der Netznutzer die Netzentgelte. Die Netzentgelte werden an die Verbraucher weitergegeben (www.bundesnetzagentur.de/ElektrizitaetundGas/Netzzugang_Messwesen/netzzugangundmesswesen.html).
Anlagen zur Stromproduktion aus erneuerbaren Energien oder aus Kraft-Wärme-Kopplung genießen Vorrang bei der Einspeisung ins Stromnetz. Diese vorrangige Zuteilung von Netzkapazitäten ergibt sich aus Sondervorschriften, insbesondere aus § 14 EEG und 7 KraftNAV (www.wdb.fh-sm.de/EnergieRNetzzugang).
Die direkte Umwandlung von Licht in elektrischen Strom wird als Photovoltaik (PV) bezeichnet. Die Module setzen sich aus vielen kleinen Zellen zusammen, die miteinander verschaltet sind. Die häufigste Bauform für Photovoltaikanlagen im Privatbereich ist die Aufdachanlage, bei der das vorhandene Gebäude die Unterkonstruktion für die PV-Anlage trägt. Solarmodule erzeugen Gleichstrom, der mit Hilfe von Wechselrichtern in Wechselstrom umgewandelt wird. Stromüberschüsse in Zeiten ohne Stromabnahme im Haus werden entweder gespeichert oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Dieser Strom wird durch Stromversorgungsunternehmen auf der Grundlage des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) vergütet. Bei Eigennutzung des erzeugten Stroms muss seit 01. Januar 2021 nach der 2021 novellierten Fassung des EEG bei Anlagen größer als 30 kWp eine anteilige EEG-Umlage in Höhe von 40 % für den eigenverbrauchten Strom gezahlt werden.
Die elektrische Leistungsfähigkeit einer Photovoltaikanlage wird in Kilowatt-Peak (kWp) angegeben. Sie gibt die maximale Leistung der Solarmodule unter standardisierten Laborbedingungen an und ermöglicht einen Vergleich verschiedener Module. Die tatsächliche Leistung schwankt mit den lokalen Bedingungen, wie Temperatur, Verschattung oder Einstrahlungswinkel der Sonne. In der Regel ist pro Kilowatt-Peak installierter PV-Leistung mit einem Jahresertrag zwischen 900 und 1.100 Kilowattstunden sowie Kosten von ca. 1.500 € zu rechnen. Hierfür werden etwa sechs bis acht Quadratmeter Dachfläche benötigt. Die Einheit Kilowattstunde (kWh) beziffert die nutzbare Energiemenge.
Im Jahr 2019 lag die Stromproduktion aus Photovoltaikanlagen in Sachsen-Anhalt bei einem Anteil von 17 Prozent an den Erneuerbaren Energien. Darüber hinaus stammten im selben Jahr rund 9,7 Prozent des verbrauchten Stroms aus der Solarenergie. Mit einer Stromerzeugung von 2,5 Milliarden Kilowattstunden liegt sie auf Platz drei der Stromerzeuger aus Erneuerbaren Energien, nach der Windenergie und der Biomasse. Die Leistung der Photovoltaik-Anlagen in Sachsen-Anhalt beträgt aktuell insgesamt 2.503 Megawatt. Mit 366,6 Megawatt wird der größte Teil der Leistung im Landkreis Anhalt-Bitterfeld produziert.
Um auf dem eigenen Haus selbst Strom aus Sonnenenergie erzeugen zu können, sollten – zusammen mit einer Energieberatung und dem jeweiligen Fachbetrieb – die individuellen Voraussetzungen geprüft werden:
Für einen optimalen Ertrag benötigen Photovoltaik-Aufdachanlagen eine möglichst verschattungsfreie Dachfläche mit einer stabilen und asbestfreien Abdeckung. Im Idealfall liegen eine Südausrichtung sowie eine Dachneigung von etwa 30 Grad vor. Ist dies nicht der Fall, kann dies den Ertrag und somit die Wirtschaftlichkeit der Anlage mindern. Beispielsweise können Dachneigungen von unter 25 oder über 60 Grad den Stromgewinn um bis zu zehn Prozent verringern.
Photovoltaikanlagen bringen zusätzliche Dachlasten mit sich: Durch das Eigengewicht der Module sowie der Unterkonstruktion entstehen neue Flächenlasten. Zudem können bei windigem Wetter Druck- und Sogkräfte auf die Module und das Dach wirken. Entsprechend sollte im Vorfeld eine Prüfung der Statik des Hauses, vor allem des Daches stattfinden. Oftmals ist eine solche Prüfung Angebotsbestandteil des jeweiligen Solateurs.
Für Aufdachanlagen ist in Sachsen-Anhalt keine zusätzliche Baugenehmigung notwendig. Diese wird laut Landesbauordnung lediglich für gebäudeunabhängige Anlagen mit mehr als 3 m Höhe und 9 m Länge gefordert (BauO LSA § 60 Abs. 2).
Die Stadt- oder Gemeindeverwaltungen geben Informationen zum Denkmalschutz, regionalen Bebauungsplänen oder anderweitig geltenden Vorschriften heraus.
Ab einer Anlagengröße von 30 kWp oder einem jährlichen solaren Eigenverbrauch von 30 MWh ist eine anteilige EEG-Umlage in Höhe von 40 % auf den eigenverbrauchten Strom zu zahlen.
PV-Anlagen müssen gemeldet werden: Beim jeweiligen regionalen Stromnetzbetreiber ist vor Montagebeginn eine Anmeldung der Anlage sowie des Netzanschlusses nowendig. Bei der Bundesnetzagentur (BNetzA) hingegen erfolgt eine Aufnahme der PV-Anlage in das sogenannte Marktstammdatenregister (MaStR). Diese muss spätestens einen Monat nach Inbetriebnahme der Anlage erfolgen. Darüber hinaus sind in Abhängigkeit von Eigenbedarfsanteil und Anlagengröße gewerbe- und steuerliche Gesichtspunkte zu beachten. Hierzu beraten zum Beispiel Solateure, Energieberater, Verbraucherzentrale, Steuerberater.
Mit Errichtung und Inbetriebnahme einer eigenen Photovoltaik-Anlage eröffnen sich zwei Wege, den erzeugten Strom zu nutzen:
Nach erfolgter Anmeldung der Anlage beim Netzbetreiber (siehe oben) kann überschüssiger Strom direkt ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Hierfür ist aus dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) eine feste, aber degressive Vergütung je Kilowattstunde erhältlich. Die Höhe des Vergütungssatzes richtet sich sowohl nach dem Monat der Inbetriebnahme als auch der Anlagengröße und ist für insgesamt 20 Kalenderjahre festgeschrieben. Für Anlagen, die im Dezember 2021 ans Netz gehen, ist beispielsweise eine Vergütung in Höhe von 6,93 Cent/kWh definiert.
Alternativ kann der selbst erzeugte Strom auch vorrangig selbst genutzt werden und somit den teureren Strombezug aus dem öffentlichen Netz senken. In diesem Fall können für die Berechnung der Wirtschaftlichkeit die derzeitigen Einkaufskosten für Strom herangezogen werden, die für Haushaltskunden aktuell bei ca. 31 - 32 Cent/kWh liegen.
Oftmals ist die Konsultation von Energieberatern hilfreich. Diese haben einen Blick für das Ganze und können sowohl bei der Anlagendimensionierung bzw. -optimierung unterstützen (Eigenverbrauch) als auch Hinweise auf potenzielle Synergien am Gebäude geben. Bei der Verbraucherzentrale Sachsen-Anhalt e.V. kann ein Erstgespräch hierzu geführt werden. Die Angebote zum Thema „Energie“ sind umfangreich und aufgrund der Bundesförderung mit einem Eigenanteil von 30 € günstig (Link).
Um mit der eigenen Photovoltaikanlage produzierte elektrische Energie möglichst selbst zu verbrauchen und nicht ins öffentliche Stromnetz einzuspeisen, sind Batteriespeicher essentiell: Der Sonnenstrom wird tagsüber produziert, während der Großteil des elektrischen Verbrauchs in den Morgen- und Abendstunden stattfindet. Ohne die Nutzung eines Speichers erreicht ein durchschnittlicher Haushalt einen Eigenverbrauchsanteil von ca. 30 Prozent - mit Batteriespeicher hingegen können es bis zu 60 Prozent oder mehr sein. Mit Blick auf die stetig sinkende EEG-Einspeisevergütung sowie die steigenden Strompreise ist dies eine attraktive Option.
Stromspeicher für den privaten Gebrauch sind überwiegend mit Lithium-Ionen-Batterien ausgestattet. Aufgrund ihrer deutlichen Vorteile, beispielsweise den hohen Wirkungsgrad und die lange Lebensdauer, haben sich diese gegenüber handelsüblichen Blei-Akkus durchgesetzt. Die vollständige Speichereinheit wird Batteriespeichersystem genannt und besteht aus
- den Lithiumbatterien
- einem Batteriemanagementsystem
- der Elektronik zur Anbindung an das Internet und zum Monitoring sowie
- einem Wechselrichter.
Um die Investitionskosten und damit die Amortisationszeit so gering wie nötig zu halten, sollte der Batteriespeicher passend dimensioniert werden. Als Faustregel wird mit 1 Kilowattstunde Batteriekapazität sowie etwa 1 Kilowattpeak PV-Leistung je 1.000 kWh Jahresstromverbrauch gerechnet. Hierfür ist mit Kosten zwischen 800 und 1.300 Euro, inkl. Umsatzsteuer und Installation, zu rechnen. Im Falle eines Haushalts mit einem Strombedarf von ca. 5.000 kWh ist somit ein Speicher mit einer Kapazität von 5 kWh zu verbauen, der durch eine PV-Anlage mit etwa 5-6 kWp gespeist wird.
In dieser Konstellation liegt der Eigenverbrauchsanteil bei rund 63 Prozent. Zwar führen größere Speicher durchaus zu einem höheren Eigenverbrauchsanteil, jedoch auch zu wesentlich höheren Kosten: Würde im genannten Fall ein doppelt so großer Speicher verbaut werden, müssten noch immer 27 % des Strombedarfs eingekauft werden (Quelle: Gebäudeenergieberater 08/2021). In der Praxis werden häufig viel zu große Speicher installiert. Neben unnötig hohen Kosten führt dies dazu, dass der Ladezustand der Batterie zwischen halb voll und voll schwankt und somit der Alterungsprozess der Batterie stark beschleunigt wird. Darüber hinaus kostet ungenutzte Kapazität unnötig Geld und verschwendet Rohstoffe und Ressourcen, die bei der Produktion des Speichers aufgewendet werden.
Gegenüber Solarmodulen erreichen handelsübliche Batteriespeicher mit 10 bis 15 Jahren nur die Hälfte der Lebensdauer von Solarmodulen und erzeugen – über einen gemittelten Betrachtungszeitraum von 20 bis 30 Jahren – ein doppeltes Investitionsaufkommen. Dies begründet sich vorrangig mit chemischen Prozessen, die im Inneren der Lithium-Ionen-Batterien stattfinden und so zu einer fortwährenden Alterung der verbauten Materialien führt. Diese Prozesse finden sowohl beim Laden und Entladen (sogenanntes Lithium-Plating, (Link) als auch unabhängig davon statt und führen im Lauf der Zeit zu einer immer schneller sinkenden Speicherkapazität (Link). Lithiumbatterien eignen sich gut für eine intensive Nutzung und sollten über die Lebenszeit möglichst häufig geladen und entladen werden. Entsprechend wichtig ist die richtige Dimensionierung der Anlagentechnik, sowohl aus finanzieller als auch aus ökologischer Sicht.
Elektromobilität ist ein wichtiger Faktor für klimafreundliche Mobilität und Innovation. Dies gilt insbesondere in Kombination mit Strom aus Erneuerbaren Energien. Unter dieser Voraussetzung emittiert der reguläre Betrieb von Elektrofahrzeugen wesentlich weniger klimaschädliche Treibhausgase als derjenige herkömmlicher Kraftfahrzeuge. Zusätzlich bieten Elektrofahrzeuge mit ihren Batteriespeichern das Potenzial, Schwankungen von Wind- und Sonnenkraft auszugleichen und auf diese Weise den Ausbau und die Marktintegration dieser Energiequellen zu unterstützen. Die eMobilität benötigt eine gut ausgebaute, öffentliche Ladesäuleninfrastruktur. Im Juli 2021 gab es in Sachsen-Anhalt 396 Ladesäulen mit insgesamt 754 öffentlich zugänglichen Ladepunkten (Quelle: Bundesnetzagentur 2021). Eine Übersichtskarte findet sich im Energieatlas unter www.sachsen-anhalt.energie.de/ladesaeulenregister-sachsen-anhalt.html