Im Folgenden wird eine Photovoltaik-gestützte DC-Versorgung für diverse Kleinverbraucher im Haus dargestellt.
Unter anderem wird über dieses System auch das PiRack versorgt.
System im Betrieb
Allgemeines
Die Energiepreise erreichen jedes Jahr neue Rekorstände und in der Perspektive wird es auch nicht besser. Daher soll im Rahmen dieses Projekts versucht werden, möglichst viele Kleinverbraucher auf eine Niederspannungs-DC-Anlage umzurüsten.
Aber warum?
Der Anschluss einer PV-Anlage an das deutsche Stromnetz erinnert vom bürokratischen Aufwand gesehen eher dem Bau eines konventionellen Kraftwerks als an flexible Energiewende.
Auch ist die Einspeisung ins öffentliche Netz meist nicht wirtschaftlich tragbar, da zwischen dem eigenen Bezugspreis und der Einspeisevergütung ein Faktor von 10 ist, man bekommt nur ein Zehntel des Bezugspreises pro kWh bezahlt.
Also muss das oberste Ziel ein möglichst hoher Eigenverbrauch sein, nur so kann man eine solche Installation irgendwann kostendeckend betreiben.
Auch unter dem Gesichtspunkt der Versorgungssicherheit ist eine Netzgebundene Anlage nicht immer optimal. Sollte es zu einem großflächigeren Stromausfall kommmen, können die meisten PV-Anlagen heute nicht oder nur mit erheblichem Aufwand in den sogenannten Inselbetrieb gehen. In diesem wird Strom aus der PV-Anlage oder dem DC-Akkus auf 230V Netzspannung hochgesetzt und nahezu alle häuslichen Verbraucher könnnen betrieben werden.
Auch die Brandschutzregeln des Wohnorts können Probleme bereiten, da Gemeindebauordnungen PV-Anlagen bei dichter Besiedlung teilweise verbieten, da die hohen Gleichspannungen jenseits der 200V im Brandfall eine Gefahr für die Feuerwehr darstellt.
Ansatz
In diesem Projekt wurde eine Niederspannungs-PV-Anlage errichtet, die für den Insel bzw. USV-Betrieb von Kleinverbrauchern wie Beleuchtung, IT-Hardware (Router, Access-Points, diverse Rasperry PIs, Laptops) geeignet ist.
Ziel war es, auch die Spannungen im gesamten PV-System in einem für die Feuerwehr unkritischen Bereich zu halten.
Als Energiespeicher kommen Lithium-Eisenphosphat Akkus zum Einsatz, die aktuell einen guten Kompromiss aus Lebensdauer, Leistungsdichte und Betriebssicherheit darstellen.
Die Verteilung erfolgt auf einer Spannungsebene von 48V, was sowohl von der elektischen Sicherheit als auch der portentiellen Verlustleistung akzeptabel ist.
So wird 48VDC Power over Ethernet (PoE) zum Betrieb der Access-Points, Switches und teilweise Beleuchtung genutzt.
Laptops werden mit für den Automobilbetrieb geeigneten Adaptern aus lokal herabgesetzten 12V-Kreisen gespeist.
Umsetzung
Generatoren
Auf dem Dach befinden sich zwei PV-Panels mit jeweils 40V-Leerlaufspannung, 33V Nennspannug mit einer Leistung von 320Wp. Diese sind in Reihe geschaltet.
Damit ist die maximale im Strangspannug ca. 80V, diese sollte beim Löschen eines, hoffentlich nie eintretenden, Brandes keine signifikaten Gefahr für die Rettungskräfte darstellen.
Verteilung
Im Arbeitszimmer befindet sich die DC-Verteiltung, diese enthält neben dem PV-Laderegler noch vier DC/DC-Wandler.
Zwischen den Eingangsklemmen für die PV-Panels und dem Laderegler befindet sich ein allpoliger Abschalter zum abtrennen des Laderegles von den PV-Panels.
Der Laderegler arbeitet direkt auf einen unstabilisierten 48V-Kreis der von zwei LiFePo4-Speichern gestützt wird. Auf diesem können im Betrieb zwischen 47V und 53V auftreten.
Diese Spannung wird mittels eines DC/DC-Wandlers auf konstante 48V geregelt um damit PoE-Geräte (Access Points, Switches, etc) zu versorgen.
Aus der Batteriespannung wird auch 24V abgeleitet, diese werden genutzt um das PiRack , Router und Home-Automation-Gateway zu versorgen. Letztere haben noch einmal vorgesetzt DC/DC-Wandler auf 12V bzw. 5V. Diese doppelte Wandlung ist nicht effizient und könnte, so passende Elemente wieder verfügbar werden durch direkte 48V/5V bzw. 48V/12V Wandler ersetzt werden.
Die 48V und Batteriespannung werden über ein 4x1.5mm2-Kabel an den PoE-Injektor auf dem Speicher und zur DC-Unterverteilung im Schlafzimmer weitergereicht.
Selbstverständlich sind alle Stromkreise mit DC-Zugelassenen Sicherungsautomaten abgesichert.
Die Erdung erfolgt nur auf den Zielspannungen, die Batterie und PV-Spannungen sind bewusst nicht erdbezogen, auch um Falles eines Isolationsfehlers die Gefahr eines Stromschlages zu minimieren.
Nachladen
Mittels eines galvanisch trennenden Labor-Schaltnetzteils kann der Batteriekreis im Notfall Leistungsbegrenzt nachgeladen werden. Es ist zu beachten, dass solche Netzteile in Störung gehen, wenn die eingestellte Spannung (hier ca. 50%-Entladespannung, 48.2V) und die angelegte Spannung, also z.B. die Ladespannung von ca. 52V stark abweichen. Daher wurde eine Schottkey-Diode eingebaut, die eine Rückspannung zum Netzteil verhindern soll.
Das Netzteil kann bei konstant vorhergesagtem Sonnnenschein auch ausgeschaltet werden, da dieses auch einen gewissen Eigenverbrauch hat.
Energiespeicher
Zwei 19"-Einbauspeicher mit insgesamt 4.8kWh Kapazität stützten das System bei Dunkelheit bzw. Stromausfall für ca. 2.5 Tage. Damit sollte eine möglichst große Autarkie erreicht werden. Gegebenfalls könnte man hier auch noch nachrüsten.
Schlafzimmer
Im Schlafzimmer befinden sich diverse Kleinverbraucher, also z.B.
- Zwei Leselampen (IKEA JANSJÖ)
- Zwei Laptops
- 4x USB-Ladebuchse für Mobiltelefone und Tablets
Hierzu wird die Batteriespannung mittels eines DC/DC-Wandlers auf 12V herabgesetzt und weiterverteilt. Zwei kleine DC/DC-Wandler stellen daraus wiederum die 4.8V für die LED-Spots her.
Die USB-Ladebuchsen sind aus dem KFZ-Bedarf und könnnen auch hierüber versorgt werden.
Es gibt von Lenovo ein KFZ-Netzteil, welches USB-C PD mit 65W zur Verfügung stellt, hiermit können die Laptops geladen werden.
Fazit
Es konnten innerhalb der ersten zwei Betriebsmonate, etwa 115kWh hergestellt und verbraucht werden. Das Netzteil musste nur zwei Wochen mitlaufen, war dabei aber auch nicht permanent voll ausgelastet.