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Aufgrund der jahreszeitlich unterschiedlichen Einstrahlung ist eine 100%ige Deckung für Warmwasser kostentechnisch nicht sinnvoll. Anstrebenswert ist eine Solaranlage mit Heizungsunterstützung. Hier kann ein Teil der überschüssigen Energie die im Sommer bereitgestellt wird, kurzeitig für Überbrückungstage im Pufferspeicher gehalten werden. |
In der Fotovoltaik, auch Photovoltaik (PV) genannt, gibt es die verschiedenen Modultypen:
monokristalline Zellen, polykristalline Zellen und amorphe Zellen.
Monokristalline Solarzellen werden als großer Kristall aus einer Siliziumschmelze gezogen und in dünne
Scheiben geschnitten. Der Wirkungsgrad liegt bei 18 bis 24 % und ist höher als bei polykristallinen und amorphen Zellen.
Bei polykristallinen Zellen wird flüssiges Silizium in Blöcke gegossen. Diese Blöcke ergeben eine Struktur von vielen einzelnen Kristallen.
Auch hier werden die Blöcke in dünne Scheiben geschnitten. Der Wirkungsgrad beträgt ca. 15 bis 17 %.
Amorphe Zellen gehören zur Familie der Dünnschichtzellen. Bei diesem Verfahren wird das Silizium als dünne Schicht auf das Trägermaterial
aufgebracht. Schichtdicken von 1 µm sind für die Umwandlung des Sonnenlichts in elektrische Energie ausreichend.
Nachteilig ist der geringe Wirkungsgrad von 6 bis 10 %. |
Die Nennleistung von Photovoltaikanlagen wird häufig im allgemeinen in kWp (Kilowatt Peak) angegeben und bezieht sich auf die Maximalleistung, welche bei Testbedingungen erzielt werden können.
In der Praxis werden jedoch meistens nur ca. 80 % davon erreicht. |
Aufgrund der fallenden Modulpreise und der niedrigen Einspeisevergütung ist die Bereitschaft zu PV-Anlagen in Ost-West-Ausrichtung stark gestiegen. Die Module erzeugen zwar gegenüber Südausrichtung eine um 19% reduzierte Peak-Leistung und bringen ca. 15 % weniger Ertrag, jedoch zeigt sich ein um bis 17 % längerer Lastzeitraum, sowie eine bessere Lastverteilung. Die Ost-West-Ausrichtung ist somit weitaus besser auf die täglichen Lastspitzen des Netzes abgestimmt. Die Module in Ost-West-Ausrichtung können über einen gemeinsamen Wechselrichter betrieben werden, weisen jedoch hierbei Mismatching-Verluste auf. Die Verluste sind jedoch sehr gering und werden dadurch kompensiert, dass der gemeinsame Wechselrichter meistens in einem höheren Wirkungsgradbereich arbeitet. Für den Eigenstromverbrauch mit Stromspeicher bietet eine Anlage mit Ost-West die Vorteile, dass der Batteriebetrieb später am Abend in den Entladebetrieb geht und schon wieder frühmorgens ein größerer Teil des eigenen Stroms von der PV-Anlage genutzt werden kann. |
Die nachfolgende Grafik verdeutlicht den typischen Stromverbrauch eines berufstätigen Haushaltes in Verbindung mit einer Stromerzeugung durch PV in Südausrichtung der Module. Hier besteht der Nachteil, dass in den bedarfsintensiven Zeiten der Eigenstrom noch unzureichend vorhanden ist, während tagsüber bei verfügbarem PV-Strom kaum Bedarf besteht. Um den Eigenstrom intensiv zu nutzen, müssen große Stromverbraucher wie Waschmaschine, Trockner oder Geschirrspüler über Zeitschaltuhren programmiert werden. Komfortabler geht dies über einen Home Manager, der die Daten der PV-Anlage sowie die Online-Wetterdaten nutzt und daraus den optimalen Schaltzeitpunkt errechnet und für die Endgeräte auswählt. Durch die Nutzung der mittäglichen Sonnenstunden ist eine Steigerung der Eigenverbrauchsquote um bis zu 15% möglich. |
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In Deutschland kann eine Solaranlage im Juli gegenüber dem Dezember einen um bis zu 10fach höheren Ertrag aufweisen. In Süddeutschland ist ein Jahresertrag von ca. 1100 kWh/kWp zu erwarten.
Dies entspricht einen durchschnittlichen Ertrag von 125 W je kWp. |
Bei einem vorhandenen Anschluss an die öffentliche Stromversorgung ist eine 100%ige Autarkie nicht erstrebenswert.
Aus ökonomischer Sicht sollte das Ziel sein, den Eigenverbrauchsanteil durch einen Stromspeicher von 30% auf 60% zu verdoppeln.
Bei höheren Batteriekapazitäten steigt der Eigenverbrauchsanteil nur noch geringfügig.
Dies beruht darauf, dass der Speicher über Nacht nicht immer vollständig entladen wird und somit am nächsten Tag nicht die volle Kapazität zur Speicherung aufnehmen kann.
Das oben aufgeführte Diagramm zeigt anschaulich den Zusammenhang zwischen Autarkie und Eigenverbrauchsanteil.
Je höher die PV-Leistung und der Autarkiegrad vom öffentlichen Versorgungsnetz ist, desto geringer ist der Eigenverbrauchsanteil.
Wie man dem Diagramm zudem entnehmen kann, tritt bei einer PV-Anlage mit Speicherbetrieb ab ca. 80% eine Sättigung ein.
Ohne Stromspeicher würde die Autarkierate bei Südausrichtung bei ca. 30% bzw. bei einer Ost-West-Ausrichtung bei ca. 35% liegen.
Um einen netzstabilen und ausreichenden Eigenstrom zu erzeugen, müsste zur Versorgungssicherheit ein Vielfaches in die PV-Anlage und in das Speichersystem investiert werden.
Damit die Anlage möglichst günstig Strom erzeugt, muss die Speicherleistung an die Leistung der PV-Module angepasst werden. |
Solarertrag in Abhängigkeit von Modulausrichtung und Modulneigung |
Der beste Ertrag wird bei voller Südausrichtung mit einer Modulneigung zwischen 20 Grad bis 30 Grad erreicht.
Um die höchste jährliche Einstrahlung zur Stromproduktion zu nutzen, wird eine Neigung von 10 bis 50 Grad empfohlen.
Je weiter das Modul von der optimalen Modulausrichtung abweicht, desto flacher sollte es montiert werden.
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Standort | Ausrichtung | Neigung | Modultyp | Fläche in qm | |||
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Für die Windenergie wird die kinetische Energie von Wind, das heißt die bewegten Luftmassen in der Atmosphäre, technisch genutzt.
Zur Stromerzeugung kommen nur Gebiete mit ausreichender Windgeschwindigkeit in Betracht. Ab einer mittleren Windgeschwindigkeit von 4-5 m/s über das ganze Jahr gleichmäßig verteilt,
kann eine gute Leistung erzielt werden und die Windkraft ist geeignet wirtschaftlich Elektrizität bereitzustellen.
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Das Betzsche Gesetz besagt, dass eine Windkraftanlage höchstens 16/27 bzw. 59,3 % der kinetischen Energie des Windes in mechanische Energie umwandeln kann.
Bislang erreichen moderne Windkraftanlagen mit horizontaler Achse ca. 85 % dieses Bestwertes. Anlagen mit vertikaler Achse bleiben aus physikalischen Gründen unter diesen Werten.
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kinetische Energie aus Windkraft | |||||||
Windstärke |
Bezeichnung |
Erscheinung |
Geschwindigkeit (m/s) |
Energiegehalt (W/m2) |
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0 |
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1 |
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2 |
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3 |
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4 |
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5 |
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6 |
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7 |
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8 |
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9 |
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Rauigkeitslängen für verschiedene Geländeklassen nach Davenport | |||||||
Geländeklasse |
Rauigkeitslänge |
Oberflächenbeschreibung |
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Berechnungstool zur Abschätzung der Windleistung und des Jahresertrages | |||||||
Bei der Berechnung handelt es sich nur um eine sehr grobe Abschätzung, die keine genaue Planung und Analyse ersetzen kann. Alle Angaben erfolgen ohne Gewähr. | |||||||
Windenergienutzung | mittlere Windgeschwindigkeit | Windfläche | Windgüte | ||||
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Methoden für die Nutzung der Wasserkraft | |||||||
Typ |
Bemerkung |
Fallhöhe |
Wirkungsgrad |
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unterschlächtiges Wasserrad |
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mittelschlächtiges Kropfrad |
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oberschlächtiges Wasserrad |
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Banki-Turbine |
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Propeller-Turbine |
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Pelton-Turbine |
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Francis-Turbine |
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Kaplan-Turbine |
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Faustzahlen für Jahreserträge bei Biogas | |||||||
Typ |
Biomasse |
Gasmenge |
elektr. Energiegehalt |
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Milchkuh |
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Mastrind |
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Reitpferd |
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Legehenne |
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Silomais 1 ha |
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Zuckerrüben 1 ha |
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Getreide 1 ha |
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Grünland 1 ha |
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Faustzahlen für Biogaserträge pro Tonne[1] | |||||||
Biomasse |
Biogasertrag |
Methangehalt |
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Grassilage |
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Maissilage |
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Zuckerrüben |
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Bioabfall |
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Hühnermist |
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Schweinemist |
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Rindermist |
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Schweinegülle |
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Rindergülle |
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Grüner Wasserstoff | |
Grüner Wasserstoff wird ausschließlich mit Strom aus erneuerbaren Energien erzeugt und ist nur komplett klimaneutral,
wenn Wasser mit Hilfe erneuerbaren Stroms (z.B. aus Windkraftanlagen oder PV-Anlagen) durch die Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird.
Der Wirkungsgrad der Wasserstoffherstellung per Elektrolyse liegt bei ca. 67 %, d. h. ein Drittel der eingesetzten elektrischen Energie gehen verloren.
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Regenerative Nahwärme | |
![]() Stand 1/2020 Quelle: Agentur für Erneuerbare Energien |
Ein Schattendasein zu den anderen erneuerbaren Arten der Wärmeerzeugungen ist die regenerative Nahwärmeversorgung.
Nur etwa jede Vierzigste Haushalt in Deutschland bezieht seine Wärme nicht von einer ökologischen Heizungsanlage im Keller, sondern über ein Nahwärmenetz.
Voraussetzung für den ökologlischen Betrieb ist die Einspeisung der Energiequelle aus Biomasse, Biogas, Solarwärme, Geothermie oder Abwärmenutzung.
Der Vorteil liegt in der Wärmeerzeugung in großen Anlagen, die zwischengespeichert oder direkt über ein Leitungsnetz zu den an das Wärmenetz angeschlossenen Anlagen fließt.
Eine große Erzeugungsanlage ist günstiger, effizienter und umweltfreundlicher als hunderte kleine Anlage, jedoch sollte das Leitungsnetz der Nahwärme nicht zu weitmaschig sein.
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