Stromerzeugung im Einfamilienhaus

Stromerzeugung mit Solaranlagen

Ende 2023 gab es bereits auf 3,7 Mio. Wohngebäuden in Deutschland Solaranlagen (BSW Solar, 2024). Allein im Jahr 2023 sind ca. 1 Mio. Anlagen hinzugekommen, davon 275.000 Balkonsolaranlagen. Photovoltaik boomt. Und viele der neu gebauten Solaranlagen lohnen sich für die Besitzenden.
Auf Basis der Methodik von Quaschning (2024) lassen sich Stromproduktion, Kosten und Erträge von Solaranlagen abschätzen. Auch mit dem Photovoltaik-Rechner der Stiftung Warentest lässt sich die Rentierlichkeit von Solaranlagen berechnen (Stiftung Warentest, 2022). Oft schon nach ca. 10 Jahren hat sich einen Anlage bezahlt gemacht, über ihre ganze Nutzungsdauer kann sie erhebliche Überschüsse erwirtschaften.
Aber es bleibt die Frage, was einem eine eigene Stromproduktion überhaupt nützt, wenn man z.B. eine Wärmepumpe betreiben will. Denn die Sonne scheint nun mal eher im Sommer und der Wärmeverbrauch findet eher im Winter statt. Geht die Produktion am Bedarf weitgehend vorbei?
Wenn man die Zahlen genau unter die Lupe nimmt, dann sind die Überschneidungen von Erzeugung und Verbrauch überraschend groß. Denn einerseits wird ja auch im Sommer Wärme benötigt, z.B. für das warme Wasser, und andererseits scheint auch ab März und bis weit in den Oktober hinein immer wieder die Sonne.
In einem Haus mit einem Stromverbrauch von 9.500 kWh/a (Haushaltsstrom, Elektroauto und Wärmepumpe), einer Photovoltaikanlage mit 12 kWpeak und einem Heimspeicher mit 12 kWh Kapazität ist ein Autarkiegrad von 63 % zu erreichen. In einem so ausgestatteten Gebäude würden fast zwei von drei Kilowattstunden vom eigenen Dach geerntet werden.
Über das Jahr ergibt sich ein Anteil solarer Selbstversorgung, der je nach dem Verhältnis der Leistung der PV-Anlage, der Kapazität des Speichers und dem Stromverbrauch des Gebäudes zwischen 20 % und 80 % liegen kann. Eine kleine PV-Anlage und ein kleiner Speicher haben niedrige Werte der Selbstversorgung zur Folge. Mit einer sehr großen PV-Anlagen und einem sehr großen Speicher können, wie die Grafik zeigt, etwa 80 % Autarkie erreicht werden. Der Autarkiegrad kann selbst abgeschätzt werden: der Stromverbrauch in MWh (2.000 kWh = 2 MWh) ist dabei die Basis, auf die die Leistung der PV-Anlage in kWpeak und die Kapazität der Batterie in kWh bezogen werden.

Quelle: Tjaden (2022)

Die Funktion des Speichers besteht darin, den Strom aufzubewahren, bis man ihn wirklich benötigt. Wenn also die Sonne tagsüber genug scheint, um den Speicher zu laden, dann steht so auch nachts eigener Strom zur Verfügung.

Quelle: Jessenberger (2018), Rot und Oliv: Lastgang im Haushalt, Oliv: direkter Eigenverbrauch, Gelb: Aufladen des Speichers, Rot: Entladen des Speichers

Die Photovoltaik ist in drei Dimensionen der Einstieg in die gebäudebezogene Energiewende:

Zum einen ermöglicht die eigene Photovoltaikanlage den Einstieg in die Selbstversorgung mit Energie.
Zum zweiten trägt sie zur nationalen Energiewende bei, da das entsprechende Gebäude zukünftig nicht mehr nur Energie verbraucht, sondern auch Energie produziert.
Zum dritten gibt die eigene Photovoltaikanlage oft den Anstoß zu wirksamen Effizienzsteigerungen in Wärmeversorgung und Verkehr durch Wärmepumpe und Elektrofahrzeug.

Oft entsteht nach der Inbetriebnahme einer Photovoltaikanlage die Situation, dass zwar ein Teil es eigenen Stromverbrauchs jetzt vom eigenen Dach kommt, eine wesentliche größere Strommenge aber zu einem niedrigen Preis eingespeist wird. Dadurch entsteht der Anreiz, mehr Strom zu verbrauchen. Zwei Felder, in denen viele Haushalte ihren Stromverbrauch deutlich ausweiten können, sind die Mobilität und das Heizen.
Befindet sich die Photovoltaikanlage z.B. auf dem Dach eines durchschnittlichen Einfamilienhauses mit 120 m2 Wohnfläche und einem durchschnittlichen Wärmeverbrauch von 120 kWh/m2, dann könnte durch eine Wärmepumpe der bisherige Verbrauch von Gas oder Öl in Höhe von ca. 15.000 kWh/a vermittels einer Wärmepumpe auf einen Verbrauch von ca. 4.000 kWh/a Strom verlagert werden. Dadurch wird der Haushaltsstromverbrauch von 3.500 kWh/a mehr als verdoppelt. Wird zusätzlich noch elektrischer PKW angeschafft, der 13.500 km/a genutzt wird und zu gut zwei Dritteln an der heimatlichen Wallbox geladen wird, dann werden weitere 2.000 kWh Strom verbraucht. Die insgesamt 2.700 kWh/a Fahrstrom (700 kWh werden auf langen Strecken unterwegs geladen) ersetzen so ca. 9.500 kWh Energie, die vorher in Benzin oder Diesel enthalten waren. Ein erheblicher Teil des selbst produzierten Stroms kann jetzt auch selbst verbraucht werden. Das spart Geld und reduziert die Strommenge, die ins Netz eingespeist und damit sehr billig an den Netzbetreiber abgegeben wird.

Woraus besteht eine Photovoltaikanlage?

Die meisten Photovoltaikanlagen sehen heute ähnlich aus. Zwischen den Dachpfannen werden Haken festgeschraubt, an denen mit einem Montagesystem die Module montiert werden. Der erzeugte Strom wird durch Leitungen zu einem Wechselrichter geführt, der aus dem Gleichstrom aus den PV-Modulen Wechselstrom macht. Dieser Wechselstrom kann dann im Haushalt genutzt oder ins Netz eingespeist werden.

Foto: Stefan Koch

Für die Mietenden ändert sich dadurch nichts. Heizung und Warnwasserversorgung funktionieren genau wie vor dem Umbau. Die Heizung erfolgt jetzt aber nicht mehr mit viel Erdgas, sondern mit wenig Strom. Damit der nicht zu teuer wird, hat die Wohnungsgenossenschaft eine Photovoltaikanlage mit einer Leistung von 20 kWpeak auf eines der Häuser montiert und einen Batteriespeicher mit 25 kWh Kapazität eingebaut. So kann ein gutes Viertel des Strom zu einem kalkulatorischen Strompreis von 12 Cent/kWh selbst erzeugt werden. Das senkt die Wärmekosten für die Mietenden.

Foto: Jens Clausen

Um mehr Strom selbst nutzen zu können kann auch ein Batteriespeicher mit der Anlage gekoppelt werden. Der selbst erzeugte Strom kann dann auch nachts genutzt werden.
Solarmodule können lange halten. Nach 20 Jahren sollte die Leistung der Module noch bei 80 % der Nennleistung liegen. Es wird von Nutzungsdauern von bis zu 30 oder 40 Jahren berichtet. Der Wechselrichter hält aber nicht so lange. Er muss oft schon nach 10 bis 15 Jahren ausgetauscht werden.

Die Auswirkungen auf die Kosten und die Treibhausgasemissionen
Kann man durch die Investition in einer Solaranlage Geld sparen? Um dies zu ermitteln, müssen zahlreiche Annahmen getroffen werden. Im Folgenden werden eine kleine und eine große Anlage durchgerechnet. Beide sind mit 30 ° Dachneigung nach Süden ausgerichtet. Die kleine Anlage verfügt über 5 kWpeak Leistung und einen Speicher mit 5 kWh Kapazität. Die große hat über 12 kWpeak Leistung und einen Speicher mit 12 kWh Kapazität. Die meisten Werte sind direkt von Quaschning (2024) übernommen. Nur bei den Kosten des Stromspeichers wurden aktuelle Kosten von Online-Shops ermittelt, die ungefähr um 50 % unter denen von Quaschning angesetzten Kosten liegen. Bei beiden Anlagen liegt der Schwerpunkt auf möglichst hohem Eigenverbrauch des erzeugten Stroms.

Wirtschaftlichkeitsberechnung Solaranlage mit Stromspeicher

	Kleine Anlage	Große Anlage
Leistung in kW_peak	5	12
Speichergröße in kWh	5	12
Stromverbrauch Haushaltsstrom in kWh/a	2.500	3.500
Stromverbrauch Elektroauto in kWh/a	1.500	2.000
Stromverbrauch Wärmepumpe in kWh/a		4.000
Summe Stromverbrauch in kWh/a	4.000	9.500
Eigenverbrauchsanteil in %	54	53
Autarkiegrad in %	63	63
Anlagenkosten in €	7.500	18.000
Speicherkosten in €	3.500	8.400
Summe Investitionskosten in €	11.000	26.400
Einspeisetarif in Cent/kWh	8	8
Strombezugstarif in Cent/kWh	30	30
Anlagen-Stromertrag in kWh	5.125	12.300
Netzeinspeisung in kWh	2.358	5.781
Eigenverbrauch in kWh	2.520	5.985
Netzbezug in kWh	1.480	3.515
Einsparung durch vermiedenen Netzbezug (25 Jahre) in €	24.238	57.565
Erlös durch Einspeisevergütung (20 Jahre) in €	3.773	9.259
Überschuss	17.011	40.415

Errechnet auf Basis der Methodik von Quaschning (2024) unter Ansatz von Batteriekosten von 700 €/kWh

Es zeigt sich deutlich, dass die Investition in eine eigene Photovoltaikanlage sehr rentierlich sein kann. Dabei wird der Ertrag umso höher, je mehr Strom im Haushalt für unterschiedliche Funktionen wie Haushalt, Mobilität oder Wärme verbraucht wird.

Und was wäre, wenn das jeder machen würde?

Die Auswirkung einer hohen Verbreitung von Photovoltaikanlagen auf Wohnhäusern lässt sich auf Basis des gesamten Energieverbrauchs aller privaten Haushalte eindrucksvoll zeigen. Ausgangspunkt ist der gesamt Energieverbrauch der privaten Haushalte (AG Energiebilanzen, 2021), wobei auch der private Autoverkehr anteilig berücksichtigt wird (BMDV, 2022). Im Folgenden wird angenommen, dass alle Haushalte sich (im Falle von Etagenwohnungen anteilig) durch PV-Strom versorgen sowie alle mit Wärmepumpe und Elektroauto ausgestattet werden.
Heute verbrauchen die privaten Haushalte 538 TWh Energie für Heizung und Warmwasser, 322 TWh Kraftstoffe für das Autofahren und nur 127 TWh Strom.

Energieverbrauch der privaten Haushalte in TWh/a

Quelle: AG Energiebilanzen (2021)

Durch eine Umstellung aller Haushalte auf die Erzeugung von Heizwärme und Warmwasser mit der Wärmepumpe ließe sich der Energiebedarf hierfür auf jährlich 165 TWh senken. Ähnlich würde durch die Umstellung auf Elektromobilität der Energiebedarf für das Autofahren auf 80 TWh/a fallen.

Energieverbrauch der privaten Haushalte in TWh incl. Transformation der Wärmebereitstellung von Fossil auf Wärmepumpe und Umstellung auf PKW-Elektromobilität

Quelle: AG Energiebilanzen (2021), umgerechnet von PJ in TWh, Wärmeversorgung durch Wärmepumpen mit JAZ 3,5 (Heizung) und 3,0 (Warmwasser), kalkulierter Verbrauch eines Elektroautos mit 18 kWh/100 km statt des Benzin/Dieselverbrauchs von 8,6 l bzw. 73 kWh auf 100km.

Der von Energieversorgern bereitzustellende Energieverbrauch der privaten Haushalte würde aufgrund der Arbeitszahl der Wärmepumpen und der Effizienz der Elektroautos nun sogar um insgesamt ca. 66 % fallen. Nur noch 372 TWh/a statt vorher 987 TWh/a würden von den Haushalten verbraucht. Unter Berücksichtigung der Erzeugung von 50 % des Stroms für Haushaltsstrom, Wärme und Auto durch die Photovoltaikanlagen der Gebäude würde die durch das Stromnetz bereitzustellende Energiemenge auf ca. 185 TWh/a fallen. Ebenfalls 185 TWh würden von den Wohngebäuden ins Stromnetz eingespeist. Aus Sicht der Haushalte hätte das Stromnetz dadurch fast nur noch eine Funktion als Saisonalspeicher.

Energieverbrauch der privaten Haushalte in TWh ohne und mit PV-Anlage, mit Wärmebereitstellung durch Wärmepumpe und PKW-Elektromobilität.

Grafik: Borderstep

Die eigene PV-Anlage wird damit nicht nur ein kleiner Beitrag zur Stromerzeugung, sondern der Einstieg in eine umfassende Elektrifizierung, die aufgrund der hohen Effizienz elektrischer Geräte das Potenzial hat, den gesamten Energiebedarf der privaten Haushalte um ca. zwei Drittel zu reduzieren.
Darüber hinaus führt sie dazu, dass die privaten Haushalte Energie in genau dem Umfang ins Stromnetz einspeisen, in dem sie auch Strom verbrauchen.

Quellen

AG Energiebilanzen. (2021). Anwendungsbilanzen zur Energiebilanz Deutschland. Endenergieverbrauch nach Energieträgern und Anwendungszwecken. Berlin. Zugriff am 5.9.2022. Verfügbar unter: https://ag-energiebilanzen.de/wp-content/uploads/2020/10/ageb_20v_v1.pdf
BMDV. (2022). Verkehr in Zahlen 2022/2023. Berlin: Bundesministerium für Digitales und Verkehr. Zugriff am 21.11.2023. Verfügbar unter: https://bmdv.bund.de/SharedDocs/DE/Artikel/G/verkehr-in-zahlen.html
BSW Solar. (2024). Statistische Zahlen der deutschen Solarstrombranche (Photovoltaik) Januar 2024. Berlin. Zugriff am 10.1.2024. Verfügbar unter: https://www.solarwirtschaft.de/presse/marktdaten/
Jessenberger, A. (2018, Mai 8). Nutzung des Solarstromes vom eigenen Dach. Rhaunen. Zugriff am 3.7.2024. Verfügbar unter: https://www.energieagentur.rlp.de/fileadmin/user_upload/20180508_Rhaunen-PV.pdf
Quaschning, V. (2024). Ertragsanalyse für Photovoltaikanlagen. Zugriff am 3.7.2024. Verfügbar unter: https://www.volker-quaschning.de/software/pvertrag/index.php
Stiftung Warentest. (2022). Berechnen Sie die Rendite Ihrer Solaranlage. test.de. Zugriff am 21.11.2023. Verfügbar unter: https://www.test.de/Photovoltaik-Rechner-1391893-0/
Tjaden, T. (2022, Oktober 29). Strom, Wärme, E-Mobilität Mehrwert durch effiziente Komponenten und vernetzten Betrieb. Gehalten auf der Lehrter Energiewende, Lehrte. Zugriff am 11.6.2024. Verfügbar unter: https://hof-zwoelf-lehrte.de/energiewende/vortrag-tjarko-tjaden