Dimensionierung, Verschaltung, Kosten: Ein Tiny House mit Solarstrom versorgen - Teil 2

In Teil 1 ging es um die Komponenten, nun beschäftigen wir uns mit Dimensionierung, Verschaltung, Kosten - und der Frage, wie es mit der Stromversorgung im Winter aussieht.

6. Oktober 2023 um 10:14 Uhr / Eine Anleitung von Dimitar Mitev

Solarstrom fürs Tiny House: Wie kommt man damit über den Winter? Bild: Dimitar Mitev / KI-generiert mit Stable Diffusion

Tiny Houses erfreuen sich großer Beliebtheit, viele davon sieht man inzwischen auch in Deutschland. Meist sind sie an das Strom- und Wassernetz angeschlossen, aber nicht, wenn sie mitten in der Natur stehen, abseits von erschlossenen Grundstücken. Wir beschreiben hier, wie man eine autarke Stromversorgung mit Photovoltaik hinbekommt. Im ersten Teil zeigten wir bereits, wie man den eigenen Bedarf ermittelt und welche Komponenten es braucht.

Im zweiten Teil soll es darum gehen, wie man die Anlage dimensioniert und verschaltet. Außerdem wird erklärt, warum sich die Komponenten von Victron Energy gut eignen, wie viel das alles kostet, wie lange es dauert - und was man im Winter macht, wenn es weniger Licht gibt und die Batterien bei Minusgraden Schaden nehmen könnten.

Wie dimensioniere ich die Anlage?

Allein die Auswahl der Komponenten stellt eine Art Dimensionierung dar. Nun wollen wir auf die bestimmenden Faktoren eingehen. Eine Untersuchung der HWT Berlin ist eine gute Hilfestellung, wobei die Ergebnisse nicht 1:1 übertragen werden können. Die Leistung des Solararrays wird durch die vorhandene Dachfläche beschränkt. Nicht bei einem Ferienhaus mit größerer Dachfläche, aber bei einem Tiny House, dessen Dachfläche manchmal nicht größer ist als 20 qm. Klar, man kann Solarzellen auch in der Vertikale aufstellen, zum Beispiel als Hauswandmodule, sie sind dann jedoch im Sommer nicht bestmöglich zur Sonne ausgerichtet, haben also einen niedrigeren Ertrag.

Verschiedene Punkte wie Verschaltung, Beispiele und Bauvorschläge mit unterschiedlichen Komponenten sind auch in der Broschüre von Victron für Offgrid-Anlagen angesprochen. Mit den gewählten Komponenten hätten wir die Möglichkeit, mit einem 2,5-Kilowatt-Peak-Solarzellenarray einen 7,5-kWh-Lifepo4-Speicher zu laden, und sie mit einem 3000VA-Wechselrichter zu verbrauchen. Das bedeutet, dass man hierzulande im Optimalfall im Sommer tagsüber folgende Kennwerte in Deutschland hat, die von Ort zu Ort variieren können:

- Generierte Solarenergie am Tag von 10 bis 16 Uhr: 12,5 kWh; hier wurden 20 Prozent der maximalen Leistung wegen verschiedener sich negativ auswirkender Einflüsse wie Temperatur, Verschmutzung, Verschattung etc. abgezogen.

- Die Batterie kann innerhalb von 3,5 Stunden vollständig aufgeladen werden und bietet mehr als genug Kapazität für den Abend oder die Nacht (bei optimalen Bedingungen).

- Alle Geräte können parallel betrieben werden, wenn sie die Leistungsgrenze von 2.400 W nicht übersteigen.

- Sobald die Batterie vollgeladen ist und Verbraucher die Leistung nicht abrufen, geht die Energie verloren. Es gibt Möglichkeiten, diese Energie in einem Wasser-Pufferspeicher zu halten oder automatisch ein Haushaltsgerät zu starten, sei es die Klimaanlage oder die Waschmaschine. Falls man diese überschüssige Energie auch noch nutzen will, muss die Energie dann verbraucht werden, wenn sie erzeugt wird.

Daher sollte man die eigenen Verbrauchsgewohnheiten anpassen, gerade ohne Netzanschluss, und sich am aktuellen Wetter orientieren. Scheint die Sonne und die Batterie ist vollgeladen, sollte Energie verbraucht werden, da sie sonst nicht genutzt würde. Hierbei gilt die triviale Regel: Je umsichtiger ich mit dem Verbrauch umgehe, desto einfacher und günstiger kann die Gesamtanlage aufgebaut werden.

Wer maximalen Komfort und zu jeder Zeit ohne Einschränkung verbrauchen will, benötigt stärkere Komponenten. Da Tiny-House-Besitzer sich aber als anpassungsfähig und originell erwiesen haben, behaupte ich, dass sie diese Mentalität des maximalen Verbrauchs nicht verfolgen. Im Gegenteil: Sie versuchen, mit den Gegebenheiten optimal hauszuhalten, etwa beim Platz und Energieverbrauch.

Mindestens das 1,5-Fache der Solarzellen-Peak-Leistung

Ein weiterer Vorteil gegenüber starren Lösungen wie ein Solargenerator ist, dass die Batterie durch die modulare Bauweise immer erweitert werden kann, in unserem Fall in 2,4-kWh-Schritten. Dieser Erweiterung sind Grenzen gesetzt, sie muss zumindest mit der Größe des Solarzellenarrays Schritt halten. Als Faustformel gilt hier, dass die Batterie mindestens das 1,5-Fache der Solarzellen-Peak-Leistung haben sollte. Wie gesagt, kann man das selbst anpassen. Aber es ist nicht sinnvoll, eine riesige Batterie zu haben, die kaum geladen werden kann, weil die Leistung von den Solarzellen zu klein ist und umgekehrt.

Nach diesen Überlegungen zur Dimensionierung kommen wir zur Verschaltung.

Was bei der Verschaltung zu beachten ist

Bei der Verschaltung ist es wichtig, dass sie nur von fachkundigem technischem Personal vorgenommen werden darf, wie die Prüfung und der Anschluss am Tiny House. Besonders bei den Anschlüssen im 230-V-Bereich sollte darauf geachtet werden. Es gibt eine große Zahl an Schaltungsplänen und Anleitungen von Victron selbst und von privaten und professionellen Anwendern. Um einen ersten Eindruck zu gewinnen, helfen auch Youtube-Videos.

Wir wollen hier eine grobe Übersicht über die Anschlüsse geben und auf einige wichtige Punkte und häufige Fehler hinweisen. Nachdem der Aufstellort der Elektronik ausgewählt wurde, geht es mit der Planung des Zusammenschaltens und der Positionierung der Komponenten weiter.

- Die Batterie sollte so nah wie möglich am Wechselrichter aufgestellt werden.

- Der Kabelquerschnitt des Verbindungskabels von der Batterie zum Wechselrichter sollte großzügig gewählt werden, genaue Angaben gibt es hier .

- Bevor die Komponenten auf die Trägerplatte montiert werden, sollte man sich mit Schablonen die Positionen aufzeichnen und die Kabelwege dazu. Damit kann man verhindern, dass Komponenten zu nah zueinanderstehen oder sich Kabelwege überlappen.

- Alle Kreisläufe sollten Sicherungen und Trennschalter haben.

- Es sollte ein Erdungsstab gelegt und alle Teile der Anlage sollten vorschriftsmäßig geerdet werden (siehe The wiring unlimited ).

- Die Batterie sollte ein paar Mal vollgeladen werden, damit alle Zellen untereinander ausbalanciert werden können. Eine separate Anleitung für die wichtigsten Punkte im Umgang mit Pylontech hat Victron auf seiner Seite zusammengestellt .

- Der Ort für die Batterie sollte so gewählt werden, dass die Umgebungstemperatur nicht unter 0 Grad fällt und im Sommer nicht über 40 Grad steigt. Auch ist darauf zu achten, dass die Luftfeuchtigkeit bestimmte Grenzen nicht übersteigt - maximal 95 Prozent.

- Bei den Ladegrenzen sollten immer Puffer gelassen werden. Die untere Entladeschwelle könnte bei 10 Prozent und die maximale Ladung auf 90 Prozent gesetzt werden. Damit kann man die Lebensdauer der LFP-Batterien signifikant erhöhen.

- Man kann mit jedem internetfähigen Gerät die Statuswebseite lokal abrufen, als Anzeige kann also jedes Tablet oder Smartphone benutzt werden. Victron hat auch eine eigene Lösung, das GX Touch 50&70.

- Beim Zusammenbau werden alle stromführenden Leitungen miteinander verbunden, danach die Datenleitungen. Man sollte immer darauf achten, dass die Anlage stromfrei ist, bevor man Änderungen an den Anschlüssen vornimmt.

- Alle Kabelenden sollten mit Kabelschuhen oder einem passenden Endstück gepresst werden, um einen bestmöglichen Kontakt zu bieten. Die Datenleitungen sind an sich selbsterklärend, da alle Geräte mit der zentralen Steuereinheit CerboGX verbunden werden müssen.

- Bei Nicht-Victron-Komponenten müssen bestimmte Protokolle und Anschlussarten beachtet werden. Generatoren sind, wie schon erwähnt, bei dem Setup mitbedacht und können angesteuert werden. Es gibt bei Victron Anleitungen über kompatible Modelle und deren Anschluss.

Nach dem fertigen Anschluss und der Abnahme der Anlage kann das System gestartet werden. Dabei sollte man beachten, dass Victron die Ladung der Pylontech-Batterie auf 52,4 V begrenzt - anfangs kann es daher zu Fehlermeldungen wegen Überladung kommen.

Theoretisch kann man die Batterien laut Hersteller bis 53,5 V laden. Die Energiemenge, die zwischen 52,4 V und 53,5 V gespeichert werden kann, ist gering, die abgesenkte Ladespannung sorgt für ein stabileres System. Danach ist es wichtig, das System auf Belastung zu prüfen und Verbraucher mit hohen Leistungen zu testen, um zu sehen, ob das System die Last tragen kann. Falls Fehlermeldungen auftauchen, werden diese in dem Interface des CerboGX gesammelt und angezeigt.

Firmware-Updates einspielen

Als letzten Schritt kann man die Anlage bei Victrons Portal registrieren. Sobald sie registriert und per Internet verbunden ist, kann man sie vom Browser steuern, ablesen und Firmware-Updates aus der Ferne einspielen, eine stabile Internetverbindung vorausgesetzt.

Gerade Firmware-Updates sollten mit Bedacht aufgespielt werden. Bei einer zentralen Komponente wie dem Multiplus 2 kann es dazu kommen, dass Konfigurationen schlimmstenfalls nach dem Firmwareupgrade weg sind. Daher gilt, die vorhandenen Konfigurationsdateien immer zu speichern - das berühmte obligatorische Backup. Die Software Victron Connect bietet verschiedene der erwähnten Funktionen, um die Konfigurationen am PC ändern, speichern und aufspielen zu können .

Der Markt für Photovoltaikanlagen ist groß, daher stellt sich natürlich die Frage, warum wir ausgerechnet die Komponenten von Victron Energy gewählt haben.

Warum Victron Energy?

Ein großer Vorteil von Victron Energy: Bei diesen Systemen ist alles aus einem Guss. Alle Komponenten sind darauf ausgelegt, miteinander optimal zu funktionieren. Die Produktpalette ist stark modular aufgebaut. Der Garantieservice von Victron ist gut ausgebaut. Ich hatte bisher keine technischen Probleme mit Victron und kann über den Service nichts berichten. Doch wie man liest, soll er sehr gut sein, besonders für Kunden aus Europa.

Da sich Victron schon frühzeitig mit batteriegestützten Systemen beschäftigte, sind die Produkte ausgereift und bieten eine Reihe von Optionen, die andere Hersteller nicht haben. Man kann auch zyklenfeste Bleisäure- oder AGM-Batterien an den Leistungskomponenten betreiben. Victron bietet voreingestellte Profile in den Multiplus 2 an. Bei Bauweise und technischer Ausführung machen die Produkte einen soliden Eindruck. Die Bauweise ist eher schwer und robust gehalten, es wird mehr auf Metall denn auf Plastik gesetzt.

Diese Produkte haben ihren Preis, aber im Vergleich zu den aktuellen, stark beworbenen Batteriegeneratoren den großen Vorteil, dass bei einem Defekt nur das defekte Teil ausgetauscht werden muss. Bei einem Batteriegenerator, wo auf der Hauptplatine Solarladeregler, Wechselrichter und BMS (Batterie Management System) sitzen, ist ein Defekt oft ein Totalschaden. Hier muss die gesamte Einheit ausgetauscht werden. Das kann zu einem wochenlangen Ausfall der gesamten Anlage führen.

Aus meiner Sicht entspricht das nicht dem Nachhaltigkeitsgedanken, den wir im 21. Jahrhundert verfolgen sollten. Natürlich versucht man bei vielen Produkten, alles auf einer Platine zu verbauen, um die Kosten zu drücken, das ist schon aus dem IT-Markt bekannt. Gerade bei Energietechnik würde ich das als die drittbeste Lösung ansehen.

Wie bereits erwähnt, bietet Victron auch integrierte Systeme wie den Multiplus GX oder Easysolar an, da stecken diese Komponenten in einem Gehäuse. Das ist explizit gewünscht, um die Installation zu erleichtern und nicht, um Kosten zu sparen.

Auch für Einsteiger geeignet

Die Komponenten bieten eine hohe Kompatibilität mit Drittherstellern an. Für Pylontech werden Anleitungen erstellt und gepflegt. Das gilt nicht nur für Batterien, sondern auch für andere Komponenten wie Wechselrichter. Wer das vorgestellte Setup mit einem der aktuellen Batteriegeneratoren vergleicht, wird sehen, dass das System viele Vorteile hat; die betreffen nicht zuletzt den Preis.

Die Solarzellen sind bei den Batteriegeneratoren nicht im Preis enthalten - wenn doch, dann werden eher Lösungen mit Leistungen bis 500 Watt-Peak als tragbare Solarzellen angeboten. Zudem ist das Händlernetz von Victron in Deutschland ausgezeichnet, so dass Komponenten einfach und schnell zu beschaffen sind.

Ein letzter Punkt: Victron Energy möchte mit der Produktpalette alle Kunden ansprechen. Man bietet Lösungen für Nutzer mit kleinem Budget und für Nutzer im industriellen Bereich mit großen finanziellen Möglichkeiten. Damit macht man den Einstieg gerade Anfängern einfach.

Was kostet das Ganze nun und wie lange dauert es, bis es in Betrieb genommen werden kann?

Zeitaufwand und Kosten

Sobald man alle Komponenten vor sich hat und eine Fachkraft die Installation vornehmen kann, dauert es ein paar Stunden, bis die gesamte Anlage aufgestellt ist. Eingerechnet sind die Aufstellzeiten für das Anbringen der Solarzellen auf dem Dach. Das Verschalten der Komponenten ist in weniger als zwei Stunden möglich, hinzu kommt das Testen und Konfigurieren der Anlage am Computer. Hier dauert die Konfiguration nicht länger als eine Stunde, wenn man alle nötigen Daten hat.

Zu den Kosten folgt eine Liste der Komponentenpreise für Privatanwender:

1. Victron Multiplus 2 3000VA 1.074 Euro
2. Victron Smart Solar 250/60 504 Euro
3. 3x Pylontech US2000c Lifepo4 = 7,5 kWh 48V 2.187 Euro
4. Victron Cerbo GX 310 Euro
5. Victron Lynx Busbar 180 Euro
6. 6x Trina Solar Vertex S TSM-425DE09R.08W 425Wp =2.550Wp 800 Euro
7. Kabel, Sicherungen, Kleinteile 400 Euro

Gesamtkosten: 5.450 Euro

Für Batterien und Montagematerial können die Preise aktuell variieren. Erfreulicherweise sinken die Batteriepreise zurzeit eher, die von Pylontech (Us2000c) sind laut dem Preisportal gh.de im vergangenen Jahr von 1.199 auf 675 Euro gefallen.

Ähnlich verhält es sich mit Solarzellen. Hier kann man bei Angeboten ein 415-W-Glass-Modul schon ab 100 Euro bekommen. Bei den Kabeln lässt sich nur pauschal ein Preis nennen, da abhängig vom Setup die Längen und Durchmesser variieren können. Je nachdem, wie man das Setup gestallten möchte, lassen sich auch zusätzliche Komponenten einbauen. Das System kann ganz den eigenen Bedürfnissen angepasst werden.

Regenerative Energiequellen sind zukunftsweisend. Man darf aber nicht vergessen, dass es auch hier bei der Verfügbarkeit von Energie Schwierigkeiten geben kann. Deshalb noch ein paar Bemerkungen zu den Bedingungen im Winter.

Bedingungen im Winter und Dunkelflauten

Gerade im Winter werden fast alle Solaranlagenbetreiber auf die Probe gestellt. Das gilt hauptsächlich für die in nördlichen Ländern. Nicht nur die schwache Sonneneinstrahlung durch den niedrigeren Einfallswinkel sorgen für schwache Erträge. Hinzu kommen das wechselhafte und bewölkte, oft regnerische Wetter oder ein kompletter Ausfall von Solarleistung, wenn die Module mit Eis und Schnee bedeckt sind.

Wie sorgt man trotzdem für volle Batterien? Eine triviale Lösung gibt es leider nicht. Auch wenn der Anspruch ist, selbst in dieser Phase nur regenerative Energiequellen zu nutzen, so ist das oft nicht realisierbar. Wir sehen uns an, welche technischen Möglichkeiten bestehen, um trotz der wenigeren Sonnenstunden das System am Laufen zu halten.

Man kann die Solaranlage überdimensionieren, so dass selbst im Winter genug Energie verfügbar ist. Das ist weder wirtschaftlich sinnvoll noch mit der nutzbaren Fläche immer möglich.

Ein Beispiel: Im Winter stehen an einem sonnigen Tag etwa zehn Prozent der verfügbaren Peak-Leistung der Solarmodule zur Verfügung. Das würde bedeuten, dass wir die Peak-Leistung auf ungefähr 25 kWp erhöhen müssten, um weiter 2,5 kW Leistung generieren zu können. Selbst dann ist aufgrund der höheren Anzahl von Wolken- und Regentagen die Endsumme der erbrachten Monatsleistung weit unter den Erträgen im Sommer anzusetzen.

Wenn man nur auf solar setzen will, liegt eine Lösung darin, den Überfluss an verfügbarer Energie aus dem Sommer für den Winter zu speichern. Diese Lösung ist mit Lithiumbatterien aber noch unbezahlbar und weit von einer Realisierung entfernt.

Wasserstoffsysteme bringen spezielle Herausforderungen mit und sind aktuell sehr teuer in der Anschaffung. Es gibt Lösungen mit Solarthermie, die sich das Prinzip zueigen machen, überschüssige Energie aus dem Sommer zu speichern und die Wärme in den Herbst und teilweise in den Winter transportieren zu können. Das Prinzip setzt aber auf riesige (Wasser-)Speichertanks und ist für uns keine Lösung. Die gespeicherte Energie kann auch dann nur für das Beheizen des Wohnbereichs genutzt werden, die Batterien können wir damit nicht laden.

Verbrauch an die Jahreszeit anpassen

Egal, wie man es betrachtet: Aktuell sind für die Stromproduktion im Winter in unseren Breiten noch fossile Energieträger notwendig. Eine Variante ist ein Benzin- oder Dieselgenerator, um die Batterien für die dunklen Tage aufladen zu können. Allerdings sind Dieselgeneratoren teurer in der Anschaffung und schlechter in der Umweltbilanz. Zieht man sie dennoch in Betracht, wäre für unser Beispiel ein Generator bis 3 kW passend; die Leistung des Benzingenerators sollte nicht die maximale Leistung des Multiplus 2 übersteigen. Der lässt sich am CerboGX anschließen und entsprechend konfigurieren.

Nicht zuletzt müssen Verbraucher selbst ihr Verhalten in dieser Jahreszeit anpassen. Umso mehr gilt es, an sonnigen Tagen die Haushaltsverbraucher zu nutzen, um die wenige vorhandene Sonnenenergie optimal einzusetzen.

Wärmepumpe eignet sich nur bedingt zum Heizen

Bisher haben wir hauptsächlich über die Stromversorgung im Winter gesprochen. Das Beheizen der Wohnräume wäre mit einer Wärmepumpe möglich. Im Winter, wenn Solarenergie eh knapp ist, würde das häufig damit enden, dass die Wärmepumpe mit dem Generator betrieben würde. Um das Tiny House im Winter zu beheizen, wäre auch eine Gas- oder Holz-/Pelletheizung möglich.

Das Heizen im Winter wird in vielen Tiny Houses mit einem kleinen Kaminofen oder einer Gasheizung realisiert. Aufgrund der kleineren beheizbaren Flächen funktioniert das gut. Die Auswahl an kleinen Kaminöfen ist riesig, die Auswahl abhängig von der Wohnsituation. Es gibt sogar wassergeführte Kamine, mit denen ein Wassertank aufgeheizt und die gewonnene Wärme für das Heizen während der Nacht eingesetzt werden kann, während der Kamin aktiv ist.

Lagerung der Batterien und Fazit

Die Batterien müssen entsprechend gelagert werden. Auf keinen Fall sollten sie in einer Holzkiste oder an einem Ort lagern, wo die Temperaturen fast wie draußen sind. Die Batterien sollten sich in einem zumindest gut isolierten oder teilbeheizten Bereich befinden.

Unter 0 Grad wird das Laden der Zellen nicht empfohlen, sie verlieren bei Minustemperaturen einen Teil der gespeicherten Ladung. Außerdem wird die Lebensdauer der Batterien dadurch beeinträchtigt. Bekannt ist der Effekt auch bei Elektroautos. Die einfachste Variante ist, die Batterien im Innenraum zu lagern, wo die Temperaturen 0 Grad nicht erreichen. Hier muss genau überlegt werden, wo ein Aufstellort realisiert werden kann. Auch Sicherheitsaspekte sollten bedacht werden, wie der Brandschutz.

Fazit

Es ist inzwischen einfacher geworden, ein Solarprojekt für ein Tiny House oder eine Berghütte umzusetzen. Während früher schwere und große, wartungsintensive Bleisäure-Batteriebänke nötig waren, ist es aktuell mit den wenigen aufgeführten Komponenten getan.

Durch den technischen Fortschritt bei Energiespeicherung und Solarenergieerzeugung bleibt die Investitionssumme überschaubar. Es gibt viele weitere Hersteller und Realisierungsoptionen für das gleiche Ziel, die auch zum Erfolg führen würden. Da die Aufmerksamkeit sich derzeit stark auf regenerative und umweltfreundliche Technologien richtet, sorgt das erfreulicherweise für mehr Produkte und Lösungen, die wiederum eine breitere Produktpalette und sinkende Preise für den Kunden bedeuten.

Es ist zu erwarten, dass in nächster Zeit die Preise für Lithiumbatterien weiter fallen; mit den neuen Natrium-Zellen von Catl könnten sich die Preise schlagartig um die Hälfte pro kWh absenken.

Wenn die Batteriepreise stark sinken, sind ganz neue technische Lösungen zur privaten Energieversorgung und -nutzung vorstellbar. Man kann nur hoffen, dass die dynamische Entwicklung im Energiesektor sich weiterhin so verhält und dass die Neuentwicklungen immer schneller auf den Markt kommen.

Klar ist aber auch: 100-prozentige Autarkie ist schwierig zu erreichen, wenn man sich in einem finanziell realistischen Rahmen bewegen möchte. Das soll allerdings nicht das absolute Ziel sein. Wer es mit ähnlichen Projekten und Überlegungen schafft, einen Autarkiegrad von 80 Prozent zu erreichen, hat Großes geschafft: für den eigenen Geldbeutel und für die Umwelt.

Es bleibt abzuwarten, welche Technologien sich in nächster Zeit durchsetzen und wie sie den täglichen Umgang mit Energie beeinflussen werden. Eines ist sicher, es wird eine sehr interessante Zeit.