DIY: Ein Tiny House mit Solarstrom versorgen
Hier wird das Techie-Herz erwärmt: Diese Serie ist für alle von euch, die sich jeden Tag eine kleine Auszeit von der Weltlage wünschen. Es gibt täglich eine Geschichte für euch - neu oder aus unserem Archiv, aber auf jeden Fall geeignet für ein wenig fröhlichen Eskapismus. Viel Spaß!
Viele Tiny Houses sind an das Strom- und Wassernetz angeschlossen. Aber was, wenn das Häuschen mitten in der Natur steht, abseits von erschlossenen Grundstücken? Wir zeigen, welche Möglichkeiten der Versorgung es gibt und wie sich eine Stromversorgung mit Komponenten von Victron Energy realisieren lässt. Wir werden das in zwei Teilen machen - und starten in diesem, dem ersten Teil mit grundlegenden Fragen wie: Wie viel Strom brauchen wir überhaupt und welche Komponenten sind nötig?
Tiny Houses sind jetzt besonders interessant
Wie der Name verrät, sind Tiny Houses kleine Häuser. Dabei ist klein relativ. Es gibt Häuser mit 12 qm und Häuser mit 65 qm auf zwei Ebenen. Der Trend kommt aus den USA und die Idee ist, sich in Zeiten hoher Eigenheimpreise auf einem Stück gepachtetem oder gekauftem Land für wenig Geld den Traum vom Häuschen im Grünen zu erfüllen. Sehr viele Tiny Houses sind auf einem Anhänger aufgebaut und somit mobil.
Tiny Houses sind in Zeiten knapper Ressourcen, teurer Baumaterialien und hoher Immobilienpreise nicht nur finanziell interessant. Hinsichtlich Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung stellen sie eine neue Lösung für das Problem des Wohnraummangels dar. Wer sich mit dem Thema vertraut machen will, sollte Tiny Homes: Simple Shelter von Lloyd Kahn lesen. Natürlich gibt es auch viele Youtube-Kanäle, die auf das Thema eingehen; ein sehr erfolgreicher ist Living Big in a Tiny House(öffnet im neuen Fenster) .
Mit Photovoltaik ein Tiny House autark betreiben
Damit ein Tiny House als Haus- oder Wohnungsersatz funktionieren kann, müsste eine Anbindung an Strom und Wasser vorhanden sein. Außerhalb einer Stadt ist das aber oft nicht gegeben. Wir stellen hier eine Lösung vor, um ein Tiny House autark (netzunabhängig) mit Strom zu versorgen. Dafür nutzen wir Photovoltaik. Die Ergebnisse sind auch auf Gartenhäuser, Berghütten oder Ferienhäuser übertragbar.
Es gibt sehr viele Möglichkeiten, die Stromversorgung zu realisieren - angefangen mit einer kleinen 12-V-Batterie mit einem flexiblen Solarmodul, die Kleinstverbraucher versorgen kann, bis zu einem System mit großzügig ausgelegten 48-V-LiFePO4-Systemen, mehreren kWp-Solarzellen auf dem Dach und einem 10-kW-Wechselrichter.
Unsere Anlage passt eher in letztere Kategorie und kommt einer Hausanlage sehr nahe, die aber bezahlbar ist. Die Anlage lässt sich leicht modifizieren - eben nach Wunsch. Auch wenn solche Anlagen auf den ersten Blick einfach modular aufgebaut scheinen, sollten elektrische Systeme immer von einem Elektriker angeschlossen und geprüft werden.
Was sind also die Komponenten, die wir brauchen, um eine effiziente Inselanlage zu realisieren - und welche Herausforderungen sind damit verbunden?
Es geht hier um Orte, die nicht ans Stromnetz angeschlossen sind oder an denen das Stromnetz nur schwach ausgebaut ist. Die einzige Lösung ist, die Stromversorgung mithilfe von Photovoltaik selbst zu realisieren. Man baut sich also eine Offgrid(Insel)-Anlage - eine autarke Photovoltaikanlage, die keinen Anschluss an das öffentliche Stromnetz nutzt oder nutzen kann. Für viele Tiny Houses, Berghütten und Wohnmobile ist das die übliche Art, Strom zu generieren.
Größe, Leistung und Komplexität der Anlagen können sich erheblich unterscheiden, die Komponentenliste bleibt aber oft gleich: Wechselrichter, Batterie und Laderegler.
Die Inselanlage unterscheidet sich von einer Photovoltaikanlage für ein (Einfamilien-)Haus, das am öffentlichen Netz (Grid) angeschlossen ist, bezüglich der Dimensionierung deutlich. Hier werden zwischen erzeugter und verbrauchter Energie ganz andere Verhältnisse angenommen und erwartet als bei Photovoltaikanlagen für Einfamilienhäuser. Es ist also wichtig, auch die Verbraucher mit Bedacht zu wählen.
Zur Orientierung bei den Investitionskosten reden wir hier, grob gesagt, über drei Fälle.
Wie viel Versorgung wollen wir - und wie viel kostet das?
Wir haben auch gleich dazu geschrieben, wie viel es ungefähr kostet, diese Anlagen umzusetzen.
1. Minimalversorgung bis 2.500 Euro
2. Standardversorgung bis 5.500 Euro
3. Überversorgung / Plus-Energie-Haus über 10.000 Euro
Fall 1: Minimalversorgung
Hier geht es nur darum, das Allernötigste an Stromversorgung zu haben, beispielsweise, um kleine elektronische Geräte, Handys, Laptops, Licht oder Wasserpumpen zu betreiben. Diese Lösung ist natürlich am günstigsten, aber stark eingeschränkt, was Wasseraufbereitung und Küchengeräte angeht. Diese müssten dann mithilfe von fossilem Energieträger realisiert werden. Meistens ist das Gas oder Diesel.
Fall 2: Standardversorgung
Standardversorgung bedeutet, dass man de facto auf nichts verzichten muss, was man auch in einer ans Netz angebundenen Wohnung (oder einem Haus) elektrisch nutzen kann.
Technisch ist das kein Problem, jedoch steigt der Preis des Projekts durch immer noch sehr teure Komponenten wie die LiFePO4-Batterie rasant. Dazu aber später mehr.
Hier können Warmwasser und Küchengeräte elektrisch betrieben werden, man sollte aber auf Leistung, Größe und Bauweise achten.
Fall 3: Überversorgung / Plus-Energie-Haus
Solche Lösungen sind so gut dimensioniert, dass die Leistung selbst im Winter und beim Betrieb von Industriemaschinen oder E-Autos ausreicht. Das Budget wird hier um ein Vielfaches höher sein als in Fall 2.
Dafür stellt die Lösung aber auch eine technische Realisierung der Anlage mit sehr hohen Reserven bereit. Wofür man sich auch entscheidet: Die Lösung sollte modular aufgebaut sein. Denn eine modular aufgebaute Anlage erlaubt es, das System nachträglich modifizieren zu können. Dabei kann man genau die Komponenten austauschen, die verbessert oder erneuert werden müssen.
Natürlich muss der gewählte Hersteller das durch eine breite Palette an Produkten ermöglichen - sonst ist der Wunsch nach modularer Bauweise schnell dahin. Eine Firma mit einer solch breiten Produktpalette ist Victron Energy.
Warum Victron Energy?
Victron Energy wurde 1975 in den Niederlanden gegründet und bietet Leistungen im Bereich Energieversorgung und Photovoltaik an. Es gibt Solarladeregler, Wechselrichter, Batteriemodule, Tools für Monitoring und vieles mehr. Die Auswahl ist in den vergangenen Jahren stetig gewachsen.
Ich bin vor mehr als 15 Jahren auf Victron gekommen, als ich anfing, mich mit Photovoltaikanlagen zu beschäftigen. Damals waren Lithium-Ionen-Batterien fast unbezahlbar. Und bezahlbare Komponenten, um Inselanlagen zu bauen, waren Mangelware. Schnell stieß ich auf die Wechselrichter von Victron, die damals wie heute Multiplus heißen.
Victron hatte sich zu der Zeit mit den Ausstattungen von elektrischen Systemen in Booten und mit Offgrid-Anlagen einen guten Namen gemacht. Die Vorteile: eine sehr gute Verarbeitung und sehr hohe Zuverlässigkeit.
Victron gebraucht zu kaufen, war und ist relativ schwierig, da online fast keine gebrauchten Komponenten zu finden sind. Das spricht dafür, dass Nutzer ihre Anlagen lange behalten und nicht verkaufen wollen oder müssen - ein Indiz für die Kundenzufriedenheit.
Das Unternehmen nutzt bei seiner aktuellen Wechselrichterserie Multiplus2 immer noch einen massiven Ringkerntrafo, aber von dem früheren Image, dass man bei digitalen Komponenten nicht auf der Höhe der Zeit sei, hat sich die Firma längst gelöst.
Es gibt schon seit Längerem Produkte wie GerboGX und VenusGX, die mit dem eigenen Betriebssystem Venus OS laufen(öffnet im neuen Fenster) und eine Reihe von Funktionen bieten, um die Anlage zu steuern (Red Node, Signal K).
Diese Anlagen monitoren und loggen alles, was an den angeschlossenen Komponenten von Victron passiert. Man kann das System via Internet direkt an das Portal anbinden(öffnet im neuen Fenster) und damit eine Fernüberwachung realisieren.
Der entscheidende Vorteil eines modularen Systems ist aus meiner Sicht, dass nicht alles auf eine Platine gegossen ist und dass man jede Komponente einzeln austauschen und mit anderen kombinieren kann. Somit kann man sehr komplexe Anlagen installieren oder kleine Systeme aufbauen. Außerdem schont das die Umwelt und den Geldbeutel und ist nachhaltig, was ich als sehr wichtig ansehe.
Die Technik von Victron Energy ist intuitiv. Es gibt eine große Community im Internet, deren Mitglieder einander unterstützen und sachkundig Fragen beantworten. Hier sei auch das Photovoltaik-Forum(öffnet im neuen Fenster) erwähnt, das viele wertvolle Informationen bietet.
Nun aber zum praktischen Teil: Wir machen unser Tiny House unabhängig - und gehen dabei von Fall 2, der Standardversorgung aus. Die nächste wichtige Frage ist nun, welche Verbraucher ich gerne anschließen würde.
Wie viel Leistung brauche ich für mein Tiny House?
Bei der Planung einer Insel-Photovoltaikanlage muss im Voraus geplant werden, was an elektrischen Verbrauchern genutzt werden soll. Ein Netz, das im Notfall einspringt, gibt es bei Offgrid-Anlagen nicht.
Ist die Anlage falsch geplant, sitzt man womöglich in der dunklen Jahreszeit auch mal im Dunklen. Hier sollte man immer eine Backup-Lösung haben, dazu aber später mehr.
Nicht sinnvoll ist es etwa, Großverbraucher wie einen Elektroherd (6-8 kW) oder Durchlauferhitzer mit über 20 kW dreiphasigem Verbrauch einzubauen.
Das wäre eine Komponente, die die gesamte Anlage unnötig belastet und die Planung erschwert und verteuert. Heißt das, dass ein Tiny House keine normale Küche haben kann? Nein, aber der Herd muss dann speziell ausgesucht werden.
Es gibt kleinere Elektroherde mit einer Leistung bis 2 kW, die genauso gut funktionieren. Ähnliches gilt für alle weiteren Geräte im Haushalt. Hier hilft ausprobieren, aber auch ein Strommessgerät oder Energiemesser.
Die meisten Einzelgeräte begnügen sich mit Leistungsaufnahmen von bis zu 2,5 kW. Dabei geht der allgemeine Trend zu immer niedrigerer Spannung und Leistungsaufnahmen. Die Multimedia-Verbraucher benötigen ein Bruchteil der Leistung eines Elektroherdes, Fernsehers, Computers oder einer Musik- oder Satellitenanlage.
Sobald wir etwas erhitzen wollen - ob Wasser, Nahrungsmittel oder Umgebungsluft -, steigt die Leistungsaufnahme. In der Küche sind das oft der erwähnte Herd, der Wasserkocher, der Mixer oder die Kaffeemaschine.
Sie können üblicherweise eine Leistung von bis zu 2,5 kW oder mehr fordern. Um Leistung und Verbrauch zu minimieren, müssen die Geräte wohlüberlegt ausgesucht werden.
Angenommen, ich lasse einen Herd zwei Stunden mit einem Verbrauch von 2kW laufen, habe ich schnell 4kWh verbraucht. So viel sollte tagsüber von den Solarzellen generiert und nur im Ausnahmefall von der Batterie abgezogen werden. Das heißt aber, dass wir mindestens 2kWp an Solarzellen installiert haben müssen.
Nun geht es an die Auswahl der Komponenten.
Welche Komponenten kommen in Frage?
Natürlich sind die zentralen Komponenten eines Photovoltaiksystems in der einen oder anderen Form dabei - ich gehe hier davon aus, dass sie den Lesern bereits bekannt sind, so dass ich hier nicht im Detail auf die einzelnen Aufgaben der Komponenten eingehe.
Es handelt sich um Solarzellen, Wechselrichter, einen Solarladeregler, ein oder mehrere Batteriemodule, ein Steuersystem/Solarlog und natürlich etliche Kabel, Sicherungen und Anschlüsse. Victron bietet wie erwähnt eine große Anzahl von Komponenten für verschiedene Leistungsbereiche an. Wir betrachten zunächst die Hauptkomponenten genauer und präsentieren danach eine Vorauswahl.
1. Solarzellen
Um Leistung zu nutzen, muss diese auch generiert werden, wobei der wichtigste Faktor die installierten Solarzellen sind. Abhängig von der Anzahl der Zellen und der gewünschten Leistung gibt es vielfältige Lösungen.
Wenn es sich um ein Tiny House handelt, das einen festen Standort hat, also nicht auf einem Anhänger aufgebaut ist, können wir die Zellen an einem optimal gewählten Ort aufstellen (Bodenaufstellung). Falls die Zellen auf dem Dach befestigt werden sollen, ist die vorhandene Dachfläche der begrenzende Faktor. Als Faustformel können wir bei einer Fläche von 5,6 qm mit 1 Kilowatt-Peak (kWP) rechnen. Das heißt, dass bei Dachflächen von 15 qm Größe 3-kWp-Anlagen möglich sind.
Im Sommer kann bei 6 bis 8 Stunden Sonneneinstrahlung und optimal ausgerichteten Solarzellen einen Tagesertrag von 18 bis 20 kW generiert werden. Abhängig vom Nutzungsverhalten ist das genug, um den Tagesverbrauch eines Zwei-Personen-Haushalts zu decken.
Aktuell sind monokristalline Halbzellen-Module mit um die 400 Watt am günstigsten. Die Module sind schnell 1 m x 1,8 m groß und wiegen 19 kg. Falls das zu schwer ist, gibt es auch flexible oder halbflexible Solarzellen. Hier sind aber die Leistungen auf 200 Watt pro Modul beschränkt und die Preise um einiges höher.
Für eine optimale Ausbeute sollten die Zellen in Südrichtung ausgelegt werden. Man kann natürlich und eine Ost-West-Ausrichtung wählen, wenn man annimmt, dass man eher morgens oder abends den meisten Strom zu verbraucht.
Die oft kleine Dachfläche eines Tiny Houses setzt hier aber Grenzen, vor allem bei einem Satteldach. Für die Südausrichtung wäre wohl ein Pultdach optimal. Mit einer 2,6-kW-Anlage könnte man (in Norddeutschland) pro Jahr 2.500 kWh erzeugen. Das wäre auch der durchschnittliche Jahresverbrauch eines Zwei-Personen-Haushalts.
2. Wechselrichterleistung
Hier spielt der größte Verbraucher im Haushalt die ausschlaggebende Rolle. Victron bietet mit dem Multiplus 2 mehrere Varianten an, für uns sind die Varianten 3000VA und 5000VA interessant. Beide Wechselrichter setzen auf Batteriemodule mit 48 V Spannung. Das bedeutet, dass bei 5 kw 100 Ampere (A) Strom von der Batterie bis zum Wechselrichter fließen können. Hier sind entsprechend große Kabelquerschnitte (35 mm bei 5 m Länge) und Sicherungen erforderlich.
Einfacher wird es bei der kleineren Leistung, wo nur mit 50 A abgesichert werden müssen und die Leitungen mit 16 mm auch dünner ausfallen können. Natürlich sind beide Varianten entsprechend abzusichern, in unserem Beispiel also mit 100-A- und 50-A-Sicherungen, zum Beispiel einer Mega Fuse.
Beide Lösungen sind möglich, ich finde die 3000VA-Variante aber vollkommen ausreichend. Der Multiplus 2 ist ein vielseitig einsetzbares Gerät. Er ist nicht nur ein Wechselrichter, sondern kann auch die Batterie mit einer externen Stromquelle mit 32 A laden (Netzanschluss). Es sind ein AcIn- und zwei AcOut-Anschlüsse verbaut. Mithilfe der zentralen Steuereinheit Cerbo/Venus können hier vielfältige Szenarien realisiert werden.
Das Gerät ist sehr effizient. Im Ruhemodus verbraucht es gerade einmal 11 W, diese Verbrauchsdaten lassen sich durch Einstellungen (Anpassung der Sinuskurve) sogar noch weiter senken. Weitere Anschlüsse etwa für programmierbare Relais (5),eine VE-Bus-Schnittstelle Com Port etc. sind natürlich vorhanden. Der Anschluss und Steuerung von einem Generator kann ebenfalls integriert werden.
Batteriemodule, Monitoring und Steuerung
3. Batteriemodule
Die teuerste Komponente einer Offgrid-Anlage und das Herzstück ist zweifelsohne die Batterie. Die Preise sind hier in den vergangenen Jahren stark gesunken(öffnet im neuen Fenster) , auch für die aktuelle Variante von Lithium-Ionen-Batterien, die Lithium-Ionen-Ferrit-Zellen (LiFePO4).
Sie zeichnen sich durch eine hohe Zyklenfestigkeit aus (bis zu 6.000 Zyklen) und sind nicht so anfällig für Brände und Überhitzungen. Die Preise dafür sind von 550 Euro pro kW im Jahr 2010 auf 89 Euro pro kW im Jahr 2021 gesunken. Die Preise für stationäre Speicher sind um einiges höher, folgen aber diesem Trend.
Das von uns ausgewählte Batteriemodul von Pylontech, US2000c, ist nur eine von vielen Lösungen. Es ist für unter 550 Euro für eine Nennkapazität von 50 Amperestunden (Ah) und 2,4 kW Speicher zu haben. Hier sind die 19 Prozent der Mehrwertsteuer für Privatpersonen schon rausgerechnet (Regelung seit Januar 2023).
Es gibt auch preislich attraktivere Lösungen. Man kann bereits 12,5 kW für unter 2.000 Euro kaufen. Dabei kommt der Speicher auf Rollen, denn wir kommen hier auf 159 kg.
Daher bevorzuge ich die kleineren, aber handlicheren Batteriemodule von Pylontech sowie anderer Hersteller wie BYD etc. Ist man bereit, die Batterie selbst zusammenzubauen und das Batterie-Management-System (BMS) anzuschließen, kann man EVE-Batteriezellen mit 3,2 V und bis zu 310 Ah zusammenbauen.
Für eine DIY-Batterie ist aber viel Fingerspitzengefühl nötig, das ist nicht jedermanns Sache. Zudem muss auch in den Rohzellen ein BMS installiert werden. Das ist nur etwas für Menschen, die sich mit Elektrotechnik sehr gut auskennen.
Alle fertigen Lösungen haben natürlich ein BMS integriert, das direkt mit Wechselrichter kommunizieren kann. Das BMS hat die Aufgabe, die optimale Leistungsfähigkeit und die maximale Lebensdauer der Batterie sicherzustellen. Dazu überwacht es permanent den Batteriezustand anhand der Batteriespannung, des Batteriestroms sowie der Batterietemperatur. Das heißt, man muss Batterie-Spannung und -strom nicht über einen Shunt abfragen. Das erleichtert das Monitoring ungemein. Zur Kapazitätsgröße und den verbundenen Grenzen mehr im zweiten Teil unserer Reihe.
Es ist wichtig, noch anzumerken, dass auch LFP-Batterien anfällig für Kälte sind. Das bedeutet, dass die Zellen nicht einfach draußen benutzt werden können. Die Batterien können eine Lagertemperatur von -20 bis +60 °C aushalten, die vom Hersteller angegebene Arbeitstemperatur liegt bei 0 bis 50 °C. Es ist bekannt, dass Elektroautos, die draußen stehen, im Winter erheblich an Ladung verlieren, das gilt auch bei stationären Batterien. Man sollte sich also Gedanken über die Lagerung machen. Auf die meisten Batterien werden zehn Jahre Garantie geboten.
4. Monitoring und Steuerung
Lange Zeit war das Monitoring eine teure Komponente in einer Solaranlage, inzwischen haben aber alle Hersteller eine Lösung dafür. Die Lösung von Victron ist aus meiner Sicht sehr gut. Hier wird eine zentrale Steuereinheit eingesetzt, die eigentlich ein kleiner SBC (Single Board Computer, Einplatinencomputer) ist und mit einem eigenen Betriebssystem kommt: Venus OS. Die Steuereinheit (hier gibt es mehrere Modelle/Varianten) heißt Cerbo GX oder Venus GX, an sie werden alle Komponenten angeschlossen. Hier lassen sich bequem über einen Touchscreen-Monitor die Komponenten steuern und alle Werte anzeigen.
Weiterhin gibt es die Möglichkeit, mit dem Venus OS Large Setups zu erstellen. Dazu werden Tools wie RED Node und Signal K benötigt. Hier kann man zum Beispiel genau bestimmen, was passieren soll, wenn die Batterie leer oder voll ist, also, welche Geräte dann gestartet und gestoppt werden sollen. Damit lassen sich sehr komplexe Szenarien verständlich und leicht aufbauen und abbilden.
.png)
Damit ergibt sich für uns folgende Komponentenliste:
1. Victron Multiplus 2 48V 3000VA(öffnet im neuen Fenster)
2. Victron Smart Solar 250/60(öffnet im neuen Fenster)
3. 3x Pylontech US2000c LiFePO4(öffnet im neuen Fenster) (7,4 kW)
4. Victron Cerbo GX(öffnet im neuen Fenster)
5. Victron Lynx Busbar(öffnet im neuen Fenster)
6. 6 x Trina Solar Vertex S(öffnet im neuen Fenster) TSM-425DE09R.08W 425Wp=2550Wp
7. Kabel (4 mm / 6 mm), Sicherungen (Mega Fuse), Kleinteile
Wir wissen nun also, welche Komponenten wir brauchen. Jetzt stellt sich die Frage, wie wir unsere Anlage dimensionieren wollen. Darum soll es im zweiten Teil gehen. Dann werden wir auch beschreiben, wie wir alles verschalten, wie lange das dauert und wie viel es kostet.
Update:
Der Artikel wurde auf seine Aktualität überprüft.