Solarstromer-Tool
Wie viel Solarstrom kann ich im Haus und zum Laden eines Elektroautos selbst nutzen? Dieser Rechner beantwortet Fragen zur solaren Elektromobilität.
Mit unserem Solarstromer-Tool können Sie berechnen, wie hoch das solarelektrische Eigenversorgungspotenzial in Einfamilienhäusern mit einem Elektroauto ist. Der Begriff Solarstromer steht dabei für ein vorrangig mit Solarstrom geladenes Elektroauto, das umgangssprachlich auch als Stromer bezeichnet wird.
Das Solarstromer-Tool gibt unter anderem Antworten auf die folgenden Fragen:
- Wie viel Prozent des Strombedarfs eines Elektroautos kann eine private PV-Dachanlage zeitgleich im Jahresmittel decken?
- Welchen Einfluss hat das Ladeverhalten auf die Höhe des Solarstromanteils am Autostrombedarf?
- Wie stark steigt der Autarkiegrad an, wenn dank eines intelligenten Energiemanagements tagsüber vorrangig überschüssiger Solarstrom zur Ladung des Elektroautos genutzt wird?
- Wie viel Prozent des Autostrombedarfs ist zwischengespeicherter Solarstrom aus einem stationären Batteriespeicher?
Im Vergleich zu anderen Solarrechnern können Sie die Eingangsparameter des Solarstromer-Tools individuell und besser an Ihre Bedingungen anpassen. Die Leistung der PV-Anlage kann bis zu 30 kW betragen. Des Weiteren ist nicht nur die nutzbare Kapazität des Batteriespeichers, sondern auch dessen maximale Leistung veränderbar. Das Tool erfordert zudem mehrere Angaben zur Fahrzeugnutzung. Neben der jährlichen Fahrleistung und dem durchschnittlichen Fahrzeugverbrauch können Sie angeben, wann das Auto zum Laden zu Hause zur Verfügung steht und ob es vorrangig mit solaren Überschüssen geladen wird. Basierend darauf ermittelt das Solarstromer-Tool unterschiedliche Ergebniswerte, anhand derer Sie die Vorteile der Kombination von PV-Batteriesystemen mit Elektrofahrzeugen näher analysieren können.
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Welche Kennwerte kann ich mit dem Solarstromer-Tool berechnen?
Auf Basis von Simulationsberechnungen über ein Jahr ermittelt das Solarstromer-Tool den sogenannten Autarkiegrad und den Eigenverbrauchsanteil. Anhand der Balkendiagramme können Sie analysieren, wie in der Jahresbilanz der selbst erzeugte Solarstrom genutzt und der Stromverbrauch gedeckt wird. Mit Blick auf die einzelnen Segmente der Balkendiagramme erhalten Sie detaillierte Angaben zur Höhe der zeitgleichen Nutzung des Solarstroms sowie der Batterieladung und -entladung. Des Weiteren erfahren Sie, wie viel Kilowattstunden Solarstrom Sie jährlich in das Netz einspeisen und wie viel Sie noch aus dem Stromnetz beziehen. Ergänzend werden die durch das PV-Batteriesystem vermiedenen CO2-Emissionen angezeigt, die aus dem vermiedenen Strombezug aus dem Netz sowie aus der Netzeinspeisung des Solarstroms resultieren.
Weiterhin werden spezielle Kennwerte berechnet, die sich auf das Elektroauto beziehen. Neben dem Solarstromanteil am Autostrombedarf werden auch die solarelektrisch zurückgelegten Kilometer berechnet. Das Balkendiagramm schlüsselt auf, welchen Beitrag der zeitgleiche Direktverbrauch des Solarstroms, der Batteriespeicher sowie das Netz zur Deckung des Autostrombedarfs leisten. Die vom Auto aufgenommene PV-Energie in Kilowattstunden und die durch das Elektroauto vermiedenen CO2-Emissionen können Sie ebenfalls mit dem Solarstromer-Tool berechnen.
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Wie werden die Ergebnisse ermittelt und welche Annahmen wurden getroffen?
Nach Eingabe der erforderlichen Parameter werden Simulationsberechnungen mit einer zeitlichen Auflösung von 5 min durchgeführt. Die Grundlage der Berechnungen bilden real gemessene Wetterdaten sowie elektrische Lastprofile eines Haushalts sowie einer privaten Wallbox, die jeweils über ein gesamtes Jahr vorliegen. Der Haushaltsstromverbrauch (ohne Elektroauto) des Einfamilienhauses wird mit einem typischen Profil abgebildet, das je nach Höhe des jährlichen Strombedarfs linear skaliert wird. Das PV-Erzeugungsprofil wurde auf Basis von meteorologischen Messdaten der Wetterstation Lindenberg in Brandenburg aus dem Jahr 2017 berechnet. Dazu wurde eine unverschattete und um 30° geneigte PV-Anlage auf einem Süddach simuliert. Das abgebildete Batteriesystem hat einen mittleren Gesamtwirkungsgrad von 84 %.
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Wie werden die unterschiedlichen Ankunftszeiten des Elektroautos im Tool abgebildet?
Das Solarstromer-Tool baut auf realen Messdaten der Wallbox eines Einfamilienhaushalts mit einem Elektroauto auf. Es handelt sich dabei um ein Pendlerfahrzeug mit einer jährlichen Fahrleistung von etwa 20 000 km und einer Ladeleistung von maximal 11 kW. Der Fahrzeughalter gibt an, dass rund 80 % der Ladevorgänge zu Hause stattfinden. In den Berechnungen wird unterstellt, dass das Elektroauto ausschließlich zu Hause geladen wird. Die Ladung des Elektroautos beginnt an Werktagen meist in dem Zeitraum zwischen 15:00 Uhr und 19:00 Uhr. Dieses gemessene Ladeprofil, das an jedem Tag unterschiedlich ist, ist im Tool für den Nutzungstyp „nachmittags“ bei deaktiviertem PV-Überschussladen hinterlegt. Zur Abbildung des Nutzungstyps „mittags“ wird das ursprüngliche Profil um 4 h im Tagesverlauf vorgezogen, sodass der Ladevorgang meist zwischen 11:00 Uhr und 15:00 Uhr beginnt. Bei dem Nutzungstyp „abends“ wird angenommen, dass das Fahrzeug zwischen 19:00 Uhr und 23:00 Uhr mit dem Ladevorgang startet. Im Vergleich zum Nutzungstyp „nachmittags“ wird demnach das gemessene Ladeprofil um 4 h nach hinten verschoben. Durch die unterschiedlichen Nutzungstypen können Sie den Einfluss des Startzeitpunkts der Ladung auf den Autarkiegrad und Eigenverbrauchsanteil analysieren.
Die Darstellung zeigt den Anteil der einzelnen Stunden an der jährlichen Energieaufnahme der Wallbox des Nutzungstyps „nachmittags“. Die Messwerte stammen aus einem Haushalt mit einem Elektroauto, das jährlich etwa 20 000 km zurücklegt und zu Hause überwiegend am Nachmittag geladen wird. -
Wie funktioniert der implementierte Algorithmus zum PV-Überschussladen?
Überschussladefähige Wallboxlösungen können die Ladeleistung des Elektroautos dynamisch an die vorhandenen Solarstromüberschüsse anpassen. Wird diese Funktion im Tool deaktiviert, lädt das Elektroauto unabhängig davon, ob momentan Solarstromüberschüsse anfallen. Zur Abbildung der unterschiedlichen Fahrleistungen pro Jahr wird in dem Fall die Höhe des Ladeprofils unter Berücksichtigung des angegebenen Verbrauchs pro 100 km linear skaliert.
Wird im Tool das PV-Überschussladen aktiviert, wird hingegen mithilfe eines entwickelten Algorithmus das Ladeprofil vollständig neu erstellt. Der implementierte Algorithmus ist angelehnt an die Regelstrategien von Wallboxlösungen gängiger Hersteller. Im Rahmen der Simulationsberechnungen werden die Zeiträume der einzelnen Ladevorgänge des ursprünglichen Ladeprofils sowie die je Ladevorgang aufgenommene Energie ermittelt. Der Berechnungsalgorithmus zielt darauf ab, innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums dem Elektroauto die für den jeweiligen Ladevorgang ermittelte Energie zur Verfügung zu stellen. In der Praxis können die Nutzer:innen meistens individuell vorgeben, bis wann das Elektroauto ausreichend beladen sein soll, um eine definierte Reichweite des Fahrzeugs zu erzielen. Im Berechnungsmodell wird dagegen pauschal angenommen, dass sich der potenzielle Zeitraum jedes Ladevorgangs im Vergleich zum gemessenen Ladeprofil um ein Viertel des Zeitraums bis zum nächsten Ladevorgang verlängert.
Die nachfolgende Abbildung vergleicht die berechnete Leistungsaufnahme der Wallbox mit und ohne aktiviertem PV-Überschussladen an einem Beispieltag. Die PV-Überschussleistung resultiert aus der Leistungsabgabe der PV-Anlage abzüglich der elektrischen Haushaltslast (ohne Elektroauto). Ohne Berücksichtigung der aktuell vorhandenen PV-Überschüsse lädt das Elektroauto mit knapp 11 kW im Zeitraum zwischen 8:45 Uhr und 12:15 Uhr. Nur ein Teil der vom Elektroauto aufgenommenen Energie wird zeitgleich durch die PV-Anlage bereitgestellt. Beim PV-Überschussladen wird die Leistungsaufnahme des Elektroautos dynamisch an die vorhandene Überschussleistung angepasst, sofern diese den Schwellenwert von 1,4 kW überschreitet. Steht eine Überschussleistung von mehr als 1,4 kW zur Verfügung, wird das Auto je nach Höhe der Überschussleistung mit 1,4 kW bis maximal 11 kW geladen. Fällt die Überschussleistung unter 1,4 kW, kann der Ladevorgang des Elektroautos durch die Unterstützung eines gegebenenfalls vorhandenen Batteriespeichers fortgesetzt werden. An dem dargestellten Beispieltag tritt diese Situation das erste Mal gegen 14:00 Uhr auf. Im Modell wird hierzu die Wallboxleistung so angepasst, dass der Leistungsbedarf des Elektroautos sowie der Haushaltsgeräte die PV-Überschussleistung zuzüglich der maximalen Entladeleistung des Batteriesystems nicht überschreitet. Der abgebildete Algorithmus lädt das Elektroauto zudem dann mit 11 kW, wenn innerhalb des vorgegebenen Ladezeitraums andernfalls die nötige Ladeenergie nicht mehr aufgenommen werden könnte.
Beispieltag mit und ohne PV-Überschussladen des Elektroautos (PV-Leistung 10 kW, Haushaltsstromverbrauch 5000 kWh, Batteriekapazität 10 kWh, Batterieleistung 5 kW, Fahrleistung 17 000 km, Elektroautoverbrauch 20 kWh je 100 km). -
Wie werden die vermiedenen Treibhausgasemissionen ermittelt?
Um das CO2-Vermeidungspotenzial von PV-Speichersystemen in Deutschland zu ermitteln, wird üblicherweise die Einsatzreihenfolge des deutschen Kraftwerkparks zur Deckung des Stromverbrauchs berücksichtigt. Dabei wird davon ausgegangen, dass sich der Einsatz eines PV-Speichersystems auf die Stromproduktion des Grenzkraftwerks auswirkt und dessen CO2-Emissionen verringert. Zur Ermittlung der vermiedenen CO2-Emissionen wurde daher ein Datensatz mit sogenannten marginalen CO2-Emissionsfaktoren für Deutschland von electricitymap.com verwendet. Im Mittel lag der CO2-Emissionsfaktor des marginalen Kraftwerks im Jahr 2017 bei 477 g/kWh. Im Jahresverlauf hat der marginale CO2-Emissionsfaktor Werte zwischen 319 g/kWh und 586 g/kWh angenommen. Um die vermiedenen CO2-Emissionen zu ermitteln, wurden die durch die Nutzung des Solarstroms vermiedenen CO2-Emissionen und die durch die Netzeinspeisung der PV-Anlage vermiedenen CO2-Emissionen addiert.
Die durch das Elektroauto vermiedenen CO2-Emissionen beziehen sich auf dessen Nutzung. Zum einen sind darin die Emissionen berücksichtigt, die aufgrund der Ladung des Elektroautos mit Netz- und Solarstrom entstehen. Zum anderen sind die CO2-Emissionen berücksichtigt, die durch die Nutzung des Elektroautos anstelle eines Diesel-Verbrennerfahrzeugs vermieden werden. Dazu wird ein Dieselauto mit einem gemäß Kraftfahrt-Bundesamt durchschnittlichen Verbrauch von 7,0 l je 100 km herangezogen. Der mittlere CO2-Emissionsfaktor von Diesel beträgt laut Umweltbundesamt 0,266 kg/kWh bei einem Heizwert von 9,97 kWh/l. Die CO2-Emissionen aus Herstellung, Transport und Entsorgung der Fahrzeuge werden dabei nicht berücksichtigt.
