Einleitung
In einem abgelegenen Haus deckt die Photovoltaik mit Speicher den Verbrauch von Frühling bis Herbst gut ab, gerät aber genau dann in Schwierigkeiten, wenn sie am meisten gebraucht wird: im Winter, wenn die Sonneneinstrahlung sinkt und der Bedarf an Wärme und Strom steigt.
Es gibt im Wesentlichen zwei Wege, diese Lücke zu schließen: die Speicherkapazität zu erhöhen oder eine zusätzliche Energiequelle einzubinden. Die richtige Wahl hängt von den Eigenschaften des Gebäudes, vom Verbrauch und von der Nutzungsart ab, wichtig ist jedoch zu verstehen, dass das Problem aus einer strukturellen saisonalen Bedingung entsteht und nicht einfach aus einer zu klein dimensionierten Photovoltaikanlage.
Warum das Problem strukturell ist und keine Frage der Dimensionierung
In den Bergen oder in einer abgelegenen Berghütte ist die winterliche Sonneneinstrahlung durch kürzere Tage, den niedrigeren Sonnenstand über dem Horizont, oft beschattete Hänge und Schnee, der die Module tagelang bedecken kann, reduziert. Genau in dieser Zeit erreicht der Energiebedarf sein Maximum: Der Verbrauch für die Raumheizung, für die Warmwasserbereitung und, bei einem bewohnten Gebäude, auch für Beleuchtung und elektrische Geräte steigt.
Mit anderen Worten: Das Minimum der Photovoltaikproduktion fällt mit dem Maximum des Verbrauchs zusammen. Deshalb löst sich das Problem nicht einfach durch ein paar zusätzliche Module: Eine Anlage, die so dimensioniert wäre, dass sie den winterlichen Bedarf vollständig deckt, wäre in der übrigen Jahreszeit oft übermäßig groß und unterausgelastet.
Die Lösungen, mit realistischen Kosten und Grenzen
Den Batteriespeicher überdimensionieren. Der elektrische Speicher ist sehr wirksam, um einen oder mehrere bewölkte Tage zu überbrücken, wird aber schnell teuer, wenn versucht wird, wochen- oder monatelange Phasen mit geringer Einstrahlung auszugleichen. Um lange Winterperioden abzudecken, wären Batterien mit sehr hoher Kapazität nötig, deren Investition sich in den meisten Off-Grid-Anwendungen kaum rechtfertigen lässt. Zudem löst der elektrische Speicher nicht direkt den wichtigsten winterlichen Energiebedarf: die Wärme.
Backup-Generator (Diesel oder Benzin). Dies ist eine verbreitete Lösung in vom Stromnetz getrennten Systemen. Sie bietet Zuverlässigkeit und geringe Anfangsinvestitionen, hat jedoch einige konkrete Grenzen: Der Lärm kann mit dem nächtlichen Betrieb oder mit der in einer Hütte oder Berghütte gesuchten Ruhe unvereinbar sein, und das System ist auch hinsichtlich der Abgasemissionen sehr belastend. Außerdem wird die vom Motor erzeugte Wärme in der Regel an die Umgebung abgegeben, statt für Heizung oder Warmwasser genutzt zu werden.
Eine Quelle, die Strom und Wärme gemeinsam erzeugt. Dies ist die weniger bekannte, in vielen Fällen aber dem tatsächlichen Problem am stimmigsten Lösung. In einem abgelegenen Gebäude ist der winterliche Wärmebedarf fast immer höher als der Strombedarf. Deshalb kann es sinnvoll sein, eine Technologie zu nutzen, die beide Energieformen gleichzeitig erzeugt, mit nur einem Brennstoff und einer einzigen Anlage.
Die Biomasse-Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung wandelt Pellets, Holz oder Hackschnitzel in Strom und Wärme um und funktioniert auch ohne Netzanschluss. In einem Berg- oder abgelegenen Kontext bietet dieser Ansatz zwei wesentliche Vorteile. Zum einen kann der Brennstoff lokal beschafft oder aus in der Nähe verfügbarer Biomasse hergestellt werden, was die Abhängigkeit von weit transportierten fossilen Brennstoffen verringert. Zum anderen ist die erzeugte Wärme kein Abfallprodukt, sondern wird für Heizung und Warmwasser genutzt, die normalerweise den größten Anteil des winterlichen Energieverbrauchs ausmachen.
Dennoch muss betont werden, dass es keine universelle Lösung gibt. Wird eine Hütte nur an wenigen Wochenenden im Jahr genutzt, mit geringem Verbrauch und ohne praktische Handhabung der Biomasse, kann ein Backup-Generator die einfachste und wirtschaftlichste Wahl bleiben. Die Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung entfaltet ihr Potenzial hingegen in durchgehend, auch saisonal, genutzten Gebäuden mit einem erheblichen Wärmebedarf. Unter diesen Bedingungen wird der Vorteil der gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Wärme konkret.
Ein anschaulicher Fall: eine im Winter bewohnte Berghütte
Um eine realistische Größenordnung zu liefern, betrachten wir den Fall einer gut isolierten Berghütte, die im Winter durchgehend bewohnt ist. An einem kalten Tag kann der Wärmebedarf für Heizung und Warmwasser in der Größenordnung von 70 kWh/Tag liegen, während der Stromverbrauch für Beleuchtung, Kühlschrank, Wasserpumpe und kleine Elektrogeräte bei etwa 8 kWh/Tag liegen kann.
Als Beispiel betrachten wir den Einsatz eines BioGS-1.0-Mikro-Blockheizkraftwerks. Das System kann bis zu etwa 24 kWh elektrisch und 140 kWh thermisch pro Tag erzeugen, bei einem Verhältnis von Strom zu Wärme von etwa 1:6. Um einen Wärmebedarf von 70 kWh/Tag zu decken, genügt ein Betrieb von etwa 12 Stunden. Im selben Zeitraum erzeugt das System etwa 12 kWh Strom, mehr als die von der Struktur benötigten 8 kWh: Der Überschuss von etwa 4 kWh kann in den Batterien gespeichert oder in zusätzliche Wärmeenergie umgewandelt werden. Der tägliche Pelletbedarf liegt bei etwa 26 kg/Tag, was in der kältesten Zeit etwas mehr als 780 kg/Monat entspricht.
Die genannten Werte sind rein indikativ und hängen von Faktoren wie lokalem Klima, Gebäudedämmung, Nutzungsart der Struktur und Betriebsbedingungen der Anlage ab.
Energiespeicher
Ein Pufferspeicher mit 700-800 L ermöglicht es, die während der Betriebsstunden des Generators erzeugte Wärme über den gesamten Tag zu verteilen. Dies reduziert die Anzahl der Ein- und Ausschaltvorgänge und verbessert die Betriebsstabilität des Systems. Mehr dazu im entsprechenden Artikel: Pufferspeicher: was er ist und warum man ihn nutzt.
In einer solchen Konfiguration muss die Batterie nicht den gesamten Tagesenergiebedarf decken, wie es bei einer ausschließlich photovoltaischen Anlage der Fall ist. Sie muss stattdessen vor allem den Verbrauch abdecken, der in den Stunden entsteht, in denen das Mikro-Blockheizkraftwerk nicht in Betrieb ist. Bei einem durchschnittlichen Verbrauch von etwa 8-10 kWh, verteilt über 24 Stunden, stellt eine Batterie mit 8 kWh nutzbarer Kapazität in der Regel einen vernünftigen Kompromiss zwischen Autonomie und Kosten dar. Die Dimensionierung sollte natürlich auch anhand der momentanen Leistungsspitzen überprüft werden und nicht nur anhand des täglichen Energieverbrauchs.
Wechselrichter
Der Generator liefert eine relativ geringe kontinuierliche elektrische Leistung in der Größenordnung von 1 kW. Die typischen Momentanspitzen eines Haushalts, etwa beim Anlaufen einer Pumpe oder beim gleichzeitigen Einschalten mehrerer Geräte, können jedoch deutlich höhere Leistungen erfordern. Deshalb muss der Wechselrichter auf die maximal vom Verbraucher benötigte Leistung ausgelegt sein und nicht auf die Nennleistung des Mikro-Blockheizkraftwerks. Für eine Berghütte dieser Größe stellt ein Hybrid-Wechselrichter mit 6 kW in der Regel eine geeignete Lösung dar.
Der Jahresverlauf: Photovoltaik und Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung gleichen sich aus
Ziel der Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung ist es nicht, die Photovoltaik zu ersetzen, sondern deren saisonale Grenze auszugleichen. In der warmen Jahreszeit bleibt die Photovoltaik dank der hohen verfügbaren Sonneneinstrahlung normalerweise die wichtigste Stromquelle. In dieser Zeit beschränkt sich der Wärmebedarf fast ausschließlich auf die Warmwasserbereitung, weshalb das Mikro-Blockheizkraftwerk nur wenige Stunden läuft und entsprechend wenig Strom erzeugt.
Im Winter ist es umgekehrt: Der Wärmebedarf steigt deutlich an, und das Mikro-Blockheizkraftwerk arbeitet mehr Stunden am Tag. Damit steigt automatisch auch die Stromproduktion, und zwar genau in den Monaten, in denen der Beitrag der Photovoltaik abnimmt. Die beiden Technologien zeigen also eine natürliche Komplementarität: Die eine folgt der Sonnenverfügbarkeit, die andere dem Wärmebedarf.
Was für die Installation in einem abgelegenen Kontext nötig ist
Neben der korrekten Dimensionierung von Batterie und Wärmespeicher erfordert eine Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlage einige sorgfältig zu bewertende logistische Aspekte:
- ausreichend Platz für die Lagerung der Biomasse;
- Zugänglichkeit für die regelmäßige Brennstoffnachlieferung;
- Zugänglichkeit für die routinemäßige Wartung;
- Verwaltung der Biochar-Entleerung, die etwa alle 60 Stunden Betrieb erfolgen sollte;
- Bewertung der Transportmöglichkeiten des Brennstoffs bis zum Standort.
Bei vielen Installationen in großer Höhe ist es gerade die Brennstofflogistik, die den wichtigsten Planungsfaktor darstellt, mitunter bedeutender als die Technologie selbst.
Fazit
Für ein abgelegenes Haus gibt es keine universell gültige Einheitslösung. Photovoltaik mit Speicher bleibt für einen Großteil des Jahres oft die einfachste und wirksamste Wahl, stößt aber im Winter, besonders in den Bergen, an deutliche Grenzen, wenn die Sonnenproduktion sinkt, während der Energieverbrauch sein Maximum erreicht.
Ist der Wärmebedarf hoch und wird die Struktur mit einer gewissen Kontinuität genutzt, kann die Biomasse-Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung eine besonders interessante Ergänzung darstellen, da sie es ermöglicht, mit nur einer Energiequelle gleichzeitig Strom und Wärme zu erzeugen. So lässt sich die Abhängigkeit von großen Speichersystemen verringern, der Einsatz von Notstromgeneratoren einschränken und die Energieautarkie in den für die Photovoltaik kritischsten Jahresphasen verbessern.
Die endgültige Wahl sollte stets nicht nur die Anfangsinvestition berücksichtigen, sondern auch die Verfügbarkeit des Brennstoffs, die Logistikkosten, den Wartungsaufwand und den vom Gebäude geforderten Grad an Versorgungskontinuität. Die gemeinsame Bewertung dieser Faktoren ermöglicht es, die für den eigenen Kontext passendste Lösung zu finden und ein wirklich zuverlässiges Energiesystem für das ganze Jahr zu realisieren.
Für weitere praktische und anwendungsbezogene Aspekte lesen Sie auch die Häufig gestellte Fragen zum BioGS-1.0.