Balkonkraftwerk Teil 17: Ost-West, rechnet sich das?

Helmut 6. November 2024 0 Kommentare

DIY, Photovoltaik, Selbstbau, Solarenergie

In diesem Unterartikel zur Themenreihe Balkonkraftwerk Ost-West-Ausrichtung gehe ich der Frage nach, ob es sich lohnt, Solarmodule anders als nach Süden auszurichten.

Dabei betrachte ich jeweils vier Solarmodule (mit je 450Wp) an einem typischen Balkonkraftwerks-Wechselrichter mit 800W. Vier Module deshalb, weil klar ist, dass mit zwei Modulen, also eines nach Osten und das andere nach Westen, die 800 Watt des Wechselrichters (fast) nie erreicht werden können. Es braucht also, wenn wir überhaupt an eine Ost-West-Ausrichtung mit einem 800W Wechselrichter denken wollen, immer ein solares Overpanneling in Form von drei oder besser vier Modulen.

Klar ist auch, dass eine Ost-West-Ausrichtung bei der reinen Betrachtung der Solarstromproduktion immer (!) im Hintertreffen gegenüber einer reinen Südausrichtung ist. Deshalb kann sich ein möglicher Vorteil nur daraus ergeben, dass die Ost-West-Ausrichtung besser zum Verbrauchsprofil des Anwenders passt.

Wer mit dem bisher Gesagten gedanklich noch Probleme hat, dem empfehle ich einen Schritt zurück zu machen und zuerst den übergeordneten Artikel über die Ost-West-Ausrichtung zu lesen.

Methodik

Was bedeutet hier genau, ob sich eine Ost-West-Ausrichtung „rechnet“?

Bevor es an die Berechnungen geht, braucht es zuerst eine Definition, was das denn bedeutet, dass sich eine bestimmte Modulausrichtung rechnet, oder lohnt. Vergleichsmaßstab ist dabei immer die reine Südausrichtung aller Module, denn sie gewährleistet den höchsten Ertrag (also Energie in kWh). Eine alternative Ausrichtung muss also um sich zu rechnen, dem Betreiber einen größeren Vorteil bieten, als die klassische Südausrichtung aller Module. Dabei können wir nicht einfach die Energieproduktionen der verschiedenen Ausrichtungen vergleichen, denn da ist die Südausrichtung immer im Vorteil, es muss auch der Energieverbrauch mit eingerechnet werden. Grund: Bei einem Balkonkraftwerk hat der Betreiber nur dann einen Nutzen, wenn er die Energie, die er erzeugt, zum gleichen Zeitpunkt auch verbrauchen kann. Denn nur die gleichzeitige Nutzung der selbst erzeugten Energie senkt den Energiebezug aus dem Netz und somit die Stromkosten. Es gilt also für unterschiedliche Modulausrichtungen jeweils die Eigennutzung zu ermitteln und die Einzelwerte auf ein ganzes Jahr zu summieren. Wenn dann für die Ost-West-Ausrichtung ein höherer Jahres-Eigennutzungswert ermittelt würde, als für die Südausrichtung, dann wäre die Ost-West-Ausrichtung im Vorteil und wir könnten sagen, dass sie sich rechnet.

Definieren wir noch die Eigennutzung:

Wird in einem Moment mehr Solarenergie erzeugt, als gleichzeitig verbraucht wird, dann ist die Eigennutzung gleich dem Verbrauch. Wir haben in diesem Moment eine vollständige Verbrauchsdeckung durch das BKW.
Wird jedoch zu einer Zeit weniger Solarenergie erzeugt, als gleichzeitig benötigt wird, so muss die Differenz aus dem Netz hinzugeladen werden. Die Eigennutzung ist dann gleich der Solarenergieerzeugung. Der Verbrauch wird nur zum Teil gedeckt.

Welche Daten werden verwendet?

Erzeugungsdaten

Die Quelle für die Solarenergie-Produktionsdaten ist das Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS) der Europäischen Kommission (Urheberrechtshinweis).

In diesem interaktiven Tool verwende ich als Standort eines gedachten Balkonkraftwerks die geografische Mitte Deutschlands (nach der Mitte der Längen- und Breitengrade), das ist der Ort Niederdorla in Thüringen. Dazu rufe ich Jahreszeitreihen in Stundenauflösung für die Richtungen W, SW, S, SO und O mit unterschiedlichen Neigungen in 10 Grad-Abständen ab. Als Solarmodul wird eines aus kristallinem Silizium mit einer Leistung von 450Wp angenommen.

Verbrauchsprofile

Die Verbrauchsdaten (Lastprofile) werden bereitgestellt von der Hochschule für Technik und Wirtschaft
(HTW) Berlin unter: https://pvspeicher.htw-berlin.de/veroeffentlichungen/daten/lastprofile/
Urheberrechtshinweise: Tjaden, T.; Bergner, J.; Weniger, J.; Quaschning, V.: „Repräsentative elektrische Lastprofile für Einfamilienhäuser in Deutschland auf 1-sekündiger Datenbasis“, Datensatz, Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) Berlin, Lizenz: CC-BY-NC-4.0, heruntergeladen am 8. Oktober 2024.

Der Datensatz bietet 74 verschiedene Lastprofile über ein Jahr mit einer Auflösung von einer Sekunde.

Wie wird gerechnet?

Vier Module (in gleicher oder unterschiedlicher Ausrichtung) werden rechnerisch einem 800W Wechselrichter mit zwei Eingängen zugeführt, wobei für jeweils Module 1 und 2, sowie für 3 und 4 eine Parallelschaltung angenommen wird. Der resultierende Leistungswert ist für eine Stunde gültig und wird auf Sekundenbasis den Verbrauchsdaten gegenübergestellt. Die Eigennutzung wird dann über das Jahr aufsummiert und als Kilowattstunden-Wert ausgegeben. So können verschiedene Ausrichtungskombinationen (S-S:S-S, O-W:O-W, SO-S:S-SW, …) mit jeweils 74 unterschiedlichen Verbrauchsprofilen rechnerisch getestet werden.

Für die Modulneigung wird für jede Ausrichtungskombination und jedes Verbrauchsprofil die jeweils optimale Neigung ermittelt, wobei alle vier Module mit der selben Neigung aufgeständert werden und die Neigung übers Jahr auch nicht verändert wird.

Schaubild Ost-Westausrichtung mit einem Wechselrichter und vier Modulen

Berechnungen

Ertragsunterschiede zwischen Ost-West und Süd

Was bedeutet es eigentlich für den Jahresertag, wenn die Module nach Osten und Westen ausgerichtet sind, anstelle nach Süden? Für das Jahr 2023 ergäbe eine reine Südausrichtung von vier Modulen in 30 Grad Neigung an einem 800W Wechselrichter einen Gesamtertrag von 1.602 kWh. Bei Ost-West wären es nur 1.473 kWh, wenn wir die Module flach legen würden auf 10 Grad dann sogar 1.484 kWh. Also ein Minderertrag von 7 bis 8%, überraschend wenig, wenn man bedenkt, dass rein auf Modulebene der Unterschied westlich höher ist, nämlich fast 19% bei 30 Grad Neigung und immerhin noch 15% bei jeweils optimaler Aufständerung (38° Süd und 1° Ost-West). Zu erklären ist das durch die Eigenschaft des BKW Wechselrichters Leistung nur bis 800W einzuspeisen, alles, was die Module mehr liefern könnten, wird gekappt. Das schadet natürlich massiv der Südausrichtung von vier Modulen, so dass der Unterschied zwischen Süd und Ost-West alleine dadurch schon nicht mehr so schlimm ist.

Schauen wir uns zur Veranschaulichung einmal je zwei Tageskurven an, links an einem sonnigen Sommertag (18.06.2023) und rechts an einem ebenfalls sonnigen Wintertag (08.02.2023):

Im Sommer erkennt man an der gelben Kurve der Südausrichtung, dass hier mehr Leistung nach oben hin bei 800W gekappt wird – das Plateau ist breiter als bei der roten Ost-West-Kurve. Letztere steigt durch die Ost-Module morgens auch schneller an und fällt durch die Westmodule abends später ab. Ost-West ist hier leicht im Vorteil (mit fast 5% im Tagesertrag).

Im Winter ist die Südkurve schmaler, das 800W Plateau wird trotzdem für viele Mittagsstunden erreicht. Die Ost-West-Kombination schafft das jedoch nicht, bei 530W ist mittags der Höchstwert erreicht. Die Verluste der Ost-West-Ausrichtung durch die ungünstige Ausrichtung schlagen im Winter richtig zu (hier im Tagesertrag mit minus 42%).

Zusammenfassend kann man über die Ertragssituation der Ost-West-Ausrichtung sagen:

Im Sommer weist die Ost-West-Ausrichtung einen deutlichen Vorteil morgens und abends aus und liegt auch beim Tagesertag leicht vorne.
Im Winter verliert die Ost-West-Ausrichtung dagegen stark.
Die Kappung des Wechselrichters bei 800W benachteiligt die Südausrichtung speziell im Sommer und verkleinert so den Nachteil der Ost-West-Ausrichtung.

Auswirkung der Modulneigung

Wenn wir uns für eine Ost-West-Ausrichtung der Module entschieden haben, dann ist die nächste Frage, die sich stellt, die nach der Aufständerung, also der Modulneigung in der Vertikalen. PVGIS hat einen Optimierungsmodus, bei dem die optimale Aufständerung ermittelt werden kann. Allerdings nur jeweils für eine Richtung und nicht gleichzeitig für Ost und West. Für den gewählten Standort Niederdorla gibt PVGIS für eine Westausrichtung (90 Grad) als beste Modulneigung 1 Grad aus also eine liegende Modulmontage. Das klingt erst mal komisch, ist aber trotzdem logisch. Eine Westausrichtung ist so weit vom Optimum Süden entfernt, dass es vom Gesamtertrag her sinnvoller ist, Strahlung aus allen Richtungen einzufangen, als nur nach der Westsonne zu optimieren. Schauen wir uns die blaue Kurve im folgenden Erzeugungsdiagramm an. Hier sehen wir vier Module alle nach Westen ausgerichtet an einem 800W Wechselrichter bei verschiedenen Aufständerungen (10-90 Grad). Die Y-Achse zeigt den Jahresenergieertrag in kWh.

Tatsächlich liegt auch hier das Optimum bei einer sehr flachen Modulmontage (10 Grad ist die kleinste betrachtete Neigung). Etwas anders schaut es schon bei einer Ost-West-Ausrichtung der Module aus (rote Kurve), also je ein Ost- und ein Westmodul parallel an einem Eingang des Wechselrichters (O-W:O-W). Hier bleibt der Ertrag von 10 bis 30 Grad annähernd gleich und fällt erst dann ab. Es ist also möglich bis 30 Grad aufzuständern, weil durch die gegensätzliche Modulausrichtung bereits Licht von Ost und West eingefangen wird.

Wieder anders verhält es sich bei der Südausrichtung. Für ein Südmodul würde PVGIS 38 Grad als optimale Neigung ausgeben. Die gelbe Kurve hat ihr Optimum aber bei 30 Grad. Wie ist das zu erklären? Die Ursache liegt beim Wechselrichter, der kappt bei guter Sonne alles oberhalb von 800W, deshalb ist es besser alle vier Südmodule etwas flacher zu legen. Dadurch wird mittags etwas weniger erzeugt, (was der Wechselrichter eh nicht aufnehmen kann,) dafür kommt durch die flacher Neigung morgens und abends etwas mehr Sonne.

Kommen wir zum zweiten Diagramm oben. Das stellt nicht die Jahreserzeugung dar sondern die Jahreseigennutzung, also die kWh, die übers Jahr selbst erzeugt und gleichzeitig auch verbraucht wurden. Die blaue Kurve können wir außer Acht lassen, eine reine Westausrichtung lohnt sich nicht. Was aber bemerkenswert ist, ist die Tatsache, dass sich die rote und die gelbe Kurve angenähert haben. Das bedeutet, dass eine Ost-West-Ausrichtung, den Erzeugungsnachteil, den sie gegenüber einer reinen Südausrichtung hat, durch eine bessere Eigennutzung potentiell wieder ausgleichen kann. Das ist eine wichtige Erkenntnis, denn wenn das nicht so wäre, bräuchten wir über Ost-West gar nicht weiter nachdenken.

Interessant sind auch die jeweils besten Modulneigungen. Die sinkt bei der Südausrichtung (gelb) auf 20 Grad, was wohl seine Ursache darin hat, dass mehr Morgen- und Abendsonne zu höherer Eigennutzung führt, selbst unter Verzicht auf etwas Mittagssonne. Und bei der Ost-West-Ausrichtung (rot) bildet sich ein Maximum bei 30 Grad aus. Auch hier führt mehr Morgen- und Abendsonne zu höherer Eigennutzung.

Warum trete ich das Thema Modulneigung hier so breit? Die unten folgenden Berechnungen erfordern hohen Daten- und Rechenaufwand und das Zustandekommen der Ergebnisse sind für den Leser kaum nachvollziehbar. Deshalb ist es wichtig zu verstehen, welche Wirkung die Änderung der Modulneigung hat – gerade wenn eine eigene Anlage geplant werden soll. Zusammenfassend in kurzen Worten:

Steilere Modulaufstellung: Bevorzugung der Himmelsrichtung, in die das Modul ausgerichtet ist und niedrig stehender Sonne (morgens, abends und im Winter)
Flachere Modulaufstellung: Mehr Sonne auch aus anderen Himmelsrichtungen und Bevorzugung hoch stehender Sonne (Mittag, Sommer)

Ich werde in Folge bei allen Berechnungen, zum Beispiel bei den einzelnen Verbauchsprofilen, immer erst die optimale Neigung für das entsprechende Profil ermitteln, bevor ein Vergleich mit anderen erfolgt.

Im Eigennutzungsdiagramm oben habe ich einfach das Verbrauchsprofil Nummer 1 (von 74 vorhandenen Profilen) verwendet und die Kurve sieht dabei nach einem Gleichstand von Ost-West-Ausrichtung zu reiner Südausrichtung aus. Aber wie verhält sich das bei den anderen 73 Verbrauchsprofilen?

Ost-West im Vergleich zu Süd anhand von 74 Verbrauchsprofilen

Schauen wir uns den Erfolg (Jahres-Eigennutzung) der Ost-West-Ausrichtung im Vergleich zu einer reinen Südausrichtung an und zwar als Prozentwert.

Das Ergebnis ist offensichtlich enttäuschend, nur bei zwei Verbrauchsprofilen (Nr. 6 und 33) ergibt sich ein positiver Wert und der fällt dann auch noch sehr gering aus. Im Gegensatz dazu reichen die Verluste in der Spitze bis zu 7 Prozent. Wenn man also alle 74 verfügbaren Verbrauchsprofile durchrechnet, dann ist die Ost-West-Ausrichtung in nicht mal 3% aller Fälle im Vorteil.

Warum ist das so? Dazu werfen wir einen näheren Blick auf zwei Verbrauchsprofile, die aus der Masse heraus stechen, einmal das Profil Nr. 6 mit dem größten Gewinn der Ost-West-Ausrichtung und zum anderen das Profil Nr. 46 mit dem größten Verlust.

Siegerprofil Nr. 6

Die beiden Diagramme zeigen über das Jahr kumulierte Stundenwerte für die Solarenergieerzeugung (links) und für die Eigennutzung (rechts).

Was zeichnet nun das blaue Verbrauchsprofil aus, dass eine Ost-West-Ausrichtung hier leicht im Vorteil ist gegenüber einer reinen Südausrichtung, obwohl die Erzeugungsspitze (linke Grafik rot) deutlich niedriger ist, als bei Südausrichtung (gelb). Signifikant bei der blauen Verbrauchslinie ist, dass der Verbrauch tagsüber, wenn viel Solarstrom erzeugt wird, relativ niedrig ist, aber dann am Nachmittag deutlich ansteigt mit einem Maximum, das bereits in der Dunkelheit liegt. Hier kann die Südausrichtung ihren Vorteil des Mehrertrags nicht ausspielen, tagsüber produzieren sowohl Süd- als auch Ost-Westausrichtung weit mehr, als gebraucht wird. Der Unterschied ergibt sich morgens, aber noch deutlicher sichtbar am Abend zwischen 16 und 19 Uhr (UTC). Hier bildet die Ost-West-Ausrichtung unterhalb der blauen Linie eine etwas breitere Kurve aus, was letztendlich zu einem kleinen Vorteil für Ost-West führt. Der rührt aber hauptsächlich daraus, dass die Südausrichtung ihre Ertragsstärke tagsüber nicht nutzen kann.

Verliererprofil Nr. 46

Hier handelt es sich um zwei Erzeugungsdiagramme, einmal um Monatssummen links und um kumulierte Stundensummen rechts.

Am Verbrauch auf Monatsbasis (blau links) sieht man schon, dass der Verbrauch sehr hoch ist, vor allem im Winter und dass er in keinem Monat von der eigenen Solarstromerzeugung gedeckt werden kann. Die rechte Grafik bestätigt das und man erkennt, dass der Verbrauch wesentlich höher liegt, als beim Profil Nr. 6 und somit die Erzeugung bei beiden Ausrichtungen (nahezu) vollständig selbst genutzt wird. Und da die Südausrichtung mehr produziert, ist die hier gegenüber der Ost-West-Ausrichtung deutlich im Vorteil.

Schlussfolgerung

Wir haben zwei extreme Verbrauchsprofile betrachtet, aber der Trend ist erkennbar. Immer dann, wenn hoher Verbrauch vorliegt – speziell tagsüber, kann die Südausrichtung punkten, weil sie mehr Ertrag liefert. Die Ost-West-Ausrichtung kommt nur bei Profilen zum Zug, die tagsüber geringen Verbrauch aufweisen, dafür aber erhöhten in den Randbereichen morgens und abends.

Letzteres ist eigentlich auch die Sinndefinition der Ost-West-Ausrichtung als BKW für Anwender, die tagsüber in der Arbeit sind und morgens und abends erhöhten Verbrauch haben. Bemerkenswert ist allerdings, dass nur zwei von 74 Verbrauchsprofilen der Ost-Westausrichtung einen Vorteil einräumen und dann auch nur einen kleinen. Das kann nur daran liegen, dass der Verlust bei der Solarenergieerzeugung von Ost-West im Vergleich zu Süd nur in den seltensten Fällen durch eine bessere Verbrauchsabdeckung morgens und abends kompensiert werden kann.

Die Frage dieses Artikels, ob sich eine Ost-Westausrichtung rechnet, ist also mit einem Nein zu beantworten. Kaum ein Lastprofil ist so geschnitten, dass sich Ost-West lohnen würde.

Nun kann natürlich das Argument kommen, dass das eigene, persönliche Verbrauchsprofil – im Gegensatz zu den hier betrachteten – trotzdem derart gestaltet wäre, dass Ost-West einen Vorteil hätte. Das kann freilich der Fall sein – die Wahrscheinlichkeit, dass dem wirklich so ist, liegt aber bei geringen drei Prozent. Und selbst dann läge der Vorteil wohl eher unterhalb der Ein-Prozent-Schwelle.

Wenn nun mit gutem Gewissen niemandem zu einer Ost-West-Ausrichtung geraten werden kann, bleibt dann tatsächlich nur die Südausrichtung?

Alternative Ausrichtungen

Man könnte daran denken, eine Ost-West-Ausrichtung mit Süd-Modulen zu kombinieren in der Form O-S:S-W zum Beispiel, oder es mit SO-SW probieren. Ich hab mal einige solcher Kombinationen anhand der 74 Verbrauchsprofile durchgerechnet und die Ergebnisse sind durchaus interessant.

Die Zahlen sind Eigennutzungswerte für das gesamte Jahr 2023 in kWh für verschiedene Modulausrichtungsvarianten und über alle 74 Verbrauchsprofile. Die Referenz ist dabei die Südausrichtung aller vier Module in der ersten Wertespalte und die farblichen Hinterlegungen machen folgende Aussage:

grün: die leistungsstärkste aller sieben Ausrichtungsalternativen
gelb: besser als reine Südausrichtung
rot: schwächer als reine Südausrichtung

Die Südausrichtung als Vergleichswert bekommt nur dann eine Farbe, wenn sie die beste oder die schlechteste aller Varianten ist.

Interpretationen dieser Übersicht sind:

Eine Ost-West-Ausrichtung schneidet fast immer schlechter ab als alle anderen Varianten.
Eine Südost-Südwest-Ausrichtung ist dagegen die beste aller Varianten (die meisten grünen Felder) und schlägt bis auf zweimal auch die Südausrichtung.
Kombinationen von Südmodulen mit Modulen anderer Ausrichtung können gute Alternativen sein, wenn auch kaum Spitzenreiter. Die Kombinationen mit Ost oder West, kommen dabei schlechter weg als die mit Südost oder Südwest.
Die Kombination aus SW- und S-Ausrichtung SW-S:S-SW unter Verzicht auf ein Ost- oder Südostmodul kann bei 14 Verbrauchsprofilen (wohl starker Abendverbrauch) den Spitzenplatz einnehmen, ist aber oft auch schwächer als reine Südausrichtung.

Und der wichtigste Punkt: Südost-Südwest ist immer besser als Ost-West.

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