Balkonkraftwerke & Stromphasen: Alles, was Du wissen solltest

Was ist eine Stromphase?

Eine Stromphase ist ein einzelner Stromkreis innerhalb eines Stromnetzes. In einem Wechselstromnetz fließt der Strom in jeder Phase abwechselnd in die eine und dann in die andere Richtung.

In einem Dreiphasennetz, wie es in Haushalten üblich ist, gibt es drei Phasen, die um 120° gegeneinander phasenverschoben sind. Dadurch entsteht ein gleichmäßiger Stromfluss, der die Netzspannung konstant hält.

Jede Phase versorgt einen Teil der elektrischen Geräte und Anlagen. In privaten Haushalten sind die Geräte dabei gleichmäßig auf die drei Phasen verteilt, um die Belastung auszugleichen. An eine Phase können also Waschmaschine, Herd und Beleuchtung angeschlossen sein.

Die drei Phasen werden farblich markiert, meist als L1 (braun), L2 (schwarz) und L3 (grau). Sie haben alle die gleiche Spannung von 230 Volt gegenüber dem Neutralleiter (blau). Zwischen zwei Außenleitern beträgt die Spannung 400 Volt.

Das Verständnis der Stromphasen ist wichtig, um die Stromversorgung optimal zu gestalten und die Anschlüsse korrekt auszuführen. Bei der Installation eines Balkonkraftwerks muss beachtet werden, an welche Phase es angeschlossen wird.

Solarzellen liefern Gleichstrom

Photovoltaische Solarmodule bestehen aus vielen in Reihe oder parallel geschalteten Solarzellen. Die Solarzellen wandeln die Energie des Sonnenlichts direkt in elektrischen Strom um. Dieser Stromfluss entsteht durch die Freisetzung von Elektronen in den Solarzellen.

Im Gegensatz zu Wechselstrom, der periodisch seine Richtung ändert, fließt bei Gleichstrom der Strom nur in eine Richtung. Der Gleichstrom einer Photovoltaikanlage hat eine Spannung von ca. 30 Volt. Um Haushaltsgeräte damit betreiben zu können, muss der Gleichstrom mittels eines Wechselrichters in Wechselstrom umgewandelt werden.

Der Vorteil von Gleichstrom aus Solaranlagen ist, dass er direkt in Batterien gespeichert werden kann. Bei Wechselstrom wäre dazu zunächst eine Umwandlung in Gleichstrom notwendig. Daher eignet sich der Gleichstrom aus Photovoltaikmodulen sehr gut für eine solare Stromversorgung mit Batteriespeicher.

Wechselrichter in Balkonkraftwerken erzeugen eine Phase

Die Solarmodule in einem Balkonkraftwerk erzeugen Gleichstrom. Damit dieser in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann, muss er in Wechselstrom umgewandelt werden. Dafür ist der Wechselrichter zuständig.

Der Wechselrichter ist das Herzstück eines jeden Balkonkraftwerks. Er übernimmt die Umwandlung des Gleichstroms aus den Solarmodulen in netzkonformen Wechselstrom. Durch diese Umwandlung kann der Solarstrom in das häusliche Stromnetz eingespeist und genutzt werden.

Technisch gesehen erzeugt der Wechselrichter eine einzelne Phase mit einer Spannung von 230V. Der erzeugte Wechselstrom hat die gleiche Frequenz wie der Haushaltsstrom und ist somit kompatibel mit allen Geräten und dem Stromnetz. Durch diese Umwandlung wird der Solarstrom nutzbar gemacht.

Der Wechselrichter sorgt also dafür, dass der Gleichstrom aus den Solarmodulen in verwertbaren Wechselstrom für den Haushalt konvertiert wird. Ohne Wechselrichter könnte der Solarstrom eines Balkonkraftwerks nicht genutzt werden.

Der Wechselrichter gleicht die Phasen an

Der Wechselrichter in einem Balkonkraftwerk ist dafür verantwortlich, die von den Solarzellen erzeugte Gleichspannung in Wechselspannung umzuwandeln. Dabei passt er die Phase des erzeugten Wechselstroms automatisch an die Phasen im Hausnetz an.

Die Phasenangleichung erfolgt durch eine Phasenregelschleife im Wechselrichter. Mittels dieser messen eingebaute Sensoren kontinuierlich die Phasenlage des Wechselstromnetzes im Haus. Daraufhin gleicht der Wechselrichter durch eine entsprechende Steuerung die Phase seines Ausgangsstroms an die gemessene Phase im Hausnetz an.

Dadurch arbeitet das Balkonkraftwerk immer synchron mit den Phasen im Haus, auch wenn sich die Phasenlage aufgrund von Lastschwankungen ändert. Verbraucher im Haus können unabhängig von den Phasen gleichmäßig mit Solarstrom versorgt werden. Die automatische Phasenregelung sorgt für einen stabilen Betrieb des Balkonkraftwerks und verhindert Phasenverschiebungen, die die Effizienz mindern könnten.

Größere Anlagen erzeugen Drehstrom

Ab einer bestimmten Größe erzeugen Photovoltaikanlagen Drehstrom, also Wechselstrom mit drei Phasen. Bei kleineren Balkonkraftwerken ist dies in der Regel nicht der Fall.

Der Grund dafür ist, dass größere Solaranlagen mit einer höheren Spannung und Leistung betrieben werden. Um die Last möglichst gleichmäßig auf die drei Außenleiter des Stromnetzes zu verteilen, werden drei separate Wechselstromkreise erzeugt – die drei Phasen.

Bei Balkonkraftwerken liegt die Leistung in der Regel unter 600 Watt. Solche kleinen Anlagen speisen nur in eine Phase des Hausstromnetzes ein. Ein Wechselrichter wandelt den Gleichstrom der Solarmodule in Wechselstrom um und gleicht die Frequenz und Spannung an die öffentliche Stromversorgung an.

Erst ab einer Leistung von mehreren Kilowatt geht man zu einem dreiphasigen Betrieb mit Drehstrom über. Dies ist aufwendiger, erfordert größere Wechselrichter und wird bei Kleinstanlagen wie Balkonkraftwerken nicht benötigt. Der einfache einphasige Wechselstrom reicht hier völlig aus.

Unterschied zwischen einphasigem und dreiphasigem Strom

Im Haushalt verwendet man in der Regel einphasigen Wechselstrom. Dieser wird über ein Kabel mit zwei Leitern transportiert – einer für die Phase und einer für den Neutralleiter.

Dreiphasiger Strom besteht dagegen aus drei Phasen, die jeweils um 120° verschoben sind. Er wird über drei Phasenleiter und einen Neutralleiter transportiert.

Technische Unterschiede:

• Bei einphasigem Strom wechselt die Spannung 50 Mal pro Sekunde ihre Polarität zwischen positiv und negativ. Bei dreiphasigem Strom geschieht dies gleichzeitig in den drei Phasen, die jeweils um 120° verschoben sind.

• Einphasiger Strom eignet sich für kleinere Verbraucher und Geräte im Haushalt. Dreiphasiger Strom wird für größere Leistungen benötigt, z.B. in der Industrie, da er effizienter übertragen werden kann.

• Die Spannung beträgt bei einphasigem Wechselstrom 230V, bei dreiphasigem 400V zwischen den Außenleitern. Die Leistung, die übertragen werden kann, ist bei dreiphasigem Strom deutlich höher.

• Einphasiger Strom wird im Haushalt und für Kleinanwendungen genutzt, dreiphasiger hauptsächlich für große Motoren, Maschinen oder ähnliches.

• Für die Erzeugung einphasigen Stroms reicht ein Generator, für dreiphasigen werden mindestens zwei Generatoren benötigt, die um 120° versetzt laufen.

Bedeutung von Phasen für die Sicherheit

In einem Dreiphasennetz sind die drei Phasen um jeweils 120° phasenverschoben. Dadurch wird eine gleichmäßige Stromversorgung aller elektrischen Geräte im Haushalt gewährleistet. Eine falsche Phasenanordnung kann jedoch schwerwiegende Folgen haben.

Wird beispielsweise ein Elektromotor an eine falsche Phase angeschlossen, dreht sich das Drehfeld in die falsche Richtung. Dies führt zu einem Defekt des Motors. Auch bei anderen elektronischen Geräten wie Fernsehern oder Computern kann eine falsche Phase den Betrieb stören oder die Elektronik beschädigen.

Besonders kritisch ist eine falsche Phase bei einphasigen Geräten. Hierbei kann durch eine umgekehrte Phasenlage der Außenleiter unter Spannung geraten. Berührt man diesen, droht ein lebensgefährlicher Stromschlag. Deshalb ist bei allen elektrischen Installationen, auch beim Anschluss eines Balkonkraftwerks, auf die korrekte Phasenlage zu achten.

Eine einfache Möglichkeit, die richtige Phasenlage zu überprüfen, ist der Phasenprüfer. Dieses Messgerät zeigt optisch oder akustisch an, ob die Phasenkorrektheit gegeben ist. Moderne Wechselrichter in PV-Anlagen verfügen zudem über Schutzschaltungen, die bei einer falschen Phasenlage die Einspeisung unterbrechen. So wird sichergestellt, dass weder die Anlage noch die angeschlossenen Geräte Schaden nehmen.

Phasen und Effizienz

Damit ein Balkonkraftwerk seine maximale Leistung erbringen kann, ist es wichtig, dass es korrekt an die Hausstromversorgung angeschlossen wird. Die meisten Haushalte in Deutschland verfügen über eine Drehstromversorgung, d.h. es gibt drei Phasen (L1, L2 und L3), über die der Strom verteilt wird.

Wird das Balkonkraftwerk nun nur an eine Phase angeschlossen, kann dies die Effizienz mindern. Der erzeugte Strom verteilt sich dann nur auf eine Phase, während die anderen beiden Phasen ungenutzt bleiben. Idealerweise sollte das Balkonkraftwerk daher gleichmäßig auf alle drei Phasen verteilt werden.

Durch eine geschickte Verteilung des erzeugten Stroms auf die drei Phasen kann die Effizienz und damit auch die Einspeiseleistung des Balkonkraftwerks optimiert werden. Wenn beispielsweise der Haushalt über eine sehr ungleichmäßige Stromnutzung der drei Phasen verfügt, macht es Sinn, das Balkonkraftwerk vorrangig an die am stärksten genutzte Phase anzuschließen.

Mit einem intelligenten Energiemanagementsystem kann die Verteilung des Solarstroms auf die Phasen sogar automatisch optimiert werden. Dabei überwacht das System kontinuierlich die Lasten auf den einzelnen Phasen und regelt die Einspeisung des Balkonkraftwerks entsprechend. Auf diese Weise lässt sich die Eigenverbrauchsquote erhöhen und Netzbeeinflussung vermindern.

Eine fachgerechte Installation unter Berücksichtigung der Stromphasen ist daher essenziell, um die Leistungsfähigkeit von Balkonkraftwerken voll auszuschöpfen. Der Elektriker sollte bei der Montage stets auf eine optimale Ausnutzung des vorhandenen Drehstromnetzes achten.

Stromeinsparung durch Balkonkraftwerke

Balkonkraftwerke ermöglichen es Hausbesitzern, einen Teil des benötigten Stroms selbst zu erzeugen und damit die Stromrechnung zu senken. Der selbst erzeugte Solarstrom wird entweder direkt selbst verbraucht oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist.

Je nach Größe der Anlage lassen sich mit einem Balkonkraftwerk bis zu 20% des gesamten Strombedarfs eines Haushalts decken. Vor allem die Mittagsstunden mit hoher Sonneneinstrahlung tragen zur solaren Stromerzeugung bei. Dies entspricht in etwa dem Zeitraum, in dem viele Haushaltsgeräte oder Unterhaltungselektronik genutzt werden.

Wird der Solarstrom direkt selbst verbraucht, muss dieser nicht aus dem Netz bezogen werden. Dadurch sinken die Stromkosten entsprechend. Bei der Einspeisung des Stroms ins Netz kommt es durch die Einspeisevergütung ebenfalls zu einer Reduzierung der Stromrechnung.

Insgesamt führen Balkonkraftwerke durch die solare Eigenstromerzeugung zu einer deutlichen Senkung des jährlichen Strombezugs aus dem Netz. Gerade bei steigenden Strompreisen ist dies ein wichtiger Cost-Saving-Effekt, der die Anschaffung einer Mini-PV-Anlage attraktiv macht.

Stromspeicherung

Solarstrom kann in Batterien oder Akkus gespeichert werden, um die Eigenverbrauchsquote zu erhöhen. Bei einem Balkonkraftwerk kommt meist ein kleiner Batteriespeicher zum Einsatz, da der Platz begrenzt ist.

Die gespeicherte Energie steht dann auch bei schlechtem Wetter oder in der Nacht zur Verfügung. Allerdings sind Batterien noch relativ teuer. Die Anschaffung lohnt sich eher bei größeren Anlagen, da die Amortisationszeit bei einem Balkonkraftwerk oft mehrere Jahre beträgt.

Viele moderne Wechselrichter für Balkonkraftwerke verfügen bereits über eine Schnittstelle für einen Batteriespeicher. So kann die Anlage jederzeit erweitert werden. Wichtig ist, dass der Speicher an den Wechselrichter und nicht direkt an die Solarmodule angeschlossen wird.

Bei der Wahl der Batterietechnologie gibt es verschiedene Möglichkeiten wie Blei-Gel-Akkus, Lithium-Ionen-Akkus oder Redox-Flow-Systeme. Lithium-Ionen-Akkus haben eine hohe Energiedichte und Zyklenfestigkeit. Die Lebensdauer beträgt ca. 5-10 Jahre.

Mit einem Batteriespeicher von beispielsweise 2-5 kWh Kapazität lässt sich der Eigenverbrauchsanteil des Solarstroms deutlich erhöhen.

Bedeutung von Solaranlagen für die Energiewende

Die Energiewende in Deutschland zielt darauf ab, den Anteil erneuerbarer Energien am Strommix deutlich zu erhöhen und gleichzeitig aus der Atom- und Kohlekraft auszusteigen. Solaranlagen, sowohl große Solarparks als auch kleine Balkonkraftwerke, spielen dabei eine wichtige Rolle.

Ein großer Vorteil von Solaranlagen ist die dezentrale Stromerzeugung. Anstatt den Strom in wenigen großen Kraftwerken zu produzieren, kann durch viele kleine Anlagen auf den Dächern direkt vor Ort sauberer Strom erzeugt werden. Dies reduziert die Übertragungsverluste beim Stromtransport über weite Strecken. Zudem sind die Stromnetze dadurch weniger belastet.

Dezentrale Solaranlagen ermöglichen es Bürgern und Gemeinden, die Energiewende aktiv mitzugestalten. Mit einem Balkonkraftwerk kann jeder Hausbesitzer einen kleinen Beitrag zum Ausbau der Erneuerbaren leisten. Kommunen können auf öffentlichen Gebäuden oder Freiflächen größere Anlagen installieren. So wird die Energieversorgung demokratisiert.

Insgesamt tragen dezentrale Solaranlagen dazu bei, die Abhängigkeit von wenigen zentralen Kraftwerken und Energiekonzernen zu reduzieren. Die Bürger werden zu “Prosumern”, die sauberen Strom erzeugen und selbst nutzen. Dies ist ein wichtiger Baustein für die nachhaltige und bürgernahe Energiewende in Deutschland.

Die wichtigsten Elemente von Balkonkraftwerken

Ein Balkonkraftwerk besteht aus drei Hauptkomponenten:

Solarmodule

Die Solarmodule, auch Photovoltaik-Module genannt, wandeln das Sonnenlicht direkt in elektrischen Gleichstrom um. Sie bestehen aus mehreren Solarzellen, die aus Silizium hergestellt sind. Die Module werden auf dem Balkon oder der Terrasse montiert, um möglichst viel Sonneneinstrahlung einzufangen.

Gängige Modultypen für Balkonkraftwerke sind Monokristallin- und Polycristallin-Module mit einer Leistung von 200 bis 400 Watt. Sie haben eine Lebensdauer von 20 bis 30 Jahren.

Wechselrichter

Der Wechselrichter ist das Herzstück des Balkonkraftwerks. Er wandelt den Gleichstrom der Solarmodule in netzkonformen Wechselstrom um. So kann der Solarstrom in das häusliche Stromnetz eingespeist werden.

Bei kleinen Anlagen bis 600 Watt Leistung kommen meist Mikrowechselrichter zum Einsatz. Sie zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad und eine lange Lebensdauer aus. Integrierte Schutzfunktionen gewährleisten die sichere Einspeisung.

Batteriespeicher

Ein Batteriespeicher ermöglicht es, den tagsüber erzeugten Solarstrom zwischenzuspeichern und bei Bedarf abends und nachts zu nutzen. Er erhöht den Eigenverbrauchsanteil des Solarstroms.

Lithium-Ionen-Batterien haben sich als Speicher für Balkonkraftwerke durchgesetzt. Sie zeichnen sich durch Langlebigkeit, geringes Gewicht und kompakte Abmessungen aus. Der Speicher wird über einen Laderegler mit den Solarmodulen und dem Wechselrichter verbunden.

Stromphasen bei Balkonkraftwerken

In den meisten Fällen ist es egal, an welche Phase das Balkonkraftwerk angeschlossen wird. Das Hausnetz besteht normalerweise aus 3 Phasen, die alle Haushaltsgeräte mit Strom versorgen.

Die Phasen sind durchnummeriert, zum Beispiel L1, L2 und L3. An diese Phasen sind der Hausanschlusskasten und die Unterverteilung angeschlossen. Von dort aus verteilt sich der Strom auf die Steckdosen und Geräte im Haus.

Wichtig ist, dass jede Phase denselben Strom mit der gleichen Spannung und Frequenz liefert. Die Phasen unterscheiden sich nur durch ihre Verschiebung um 120°. Dadurch ergibt sich ein gleichmäßiger Stromfluss.

Die meisten Haushaltsgeräte wie Lampen, Elektroherde oder Waschmaschinen können an jeder beliebigen Phase betrieben werden. Der Anschluss an eine bestimmte Phase ist nicht erforderlich.

Daher spielt es in den allermeisten Fällen keine Rolle, ob das Balkonkraftwerk an Phase L1, L2 oder L3 angeschlossen wird. Der erzeugte Strom verteilt sich auf alle Phasen und kann von den Geräten genutzt werden.

Eine Ausnahme sind phasenbezogene Stromzähler. Hier sollte das Balkonkraftwerk an die Phase angeschlossen werden, die am meisten genutzt wird. Der erzeugte Strom wird dann vorrangig auf dieser Phase verbraucht und reduziert die bezogene Energiemenge stärker.

Der Unterschied zwischen Drehstrom und Wechselstrom bei Photovoltaik-Anlagen

Bei Photovoltaik-Anlagen ist es wichtig zu verstehen, dass es zwei grundsätzlich unterschiedliche Arten von Wechselstrom gibt:

Drehstrom und Einphasenwechselstrom.

Drehstrom bezeichnet ein Dreileitersystem, bei dem drei Phasen mit einem Phasenversatz von 120° voneinander getrennt übertragen werden. Die drei Phasen heißen L1, L2 und L3.

Einphasenwechselstrom hingegen besteht nur aus einer Phase und einem Neutralleiter. Er kommt standardmäßig aus der Steckdose in Haushalten.

Die meisten Photovoltaik-Anlagen, insbesondere kleinere Balkonkraftwerke, erzeugen Gleichstrom, der dann vom Wechselrichter in Einphasenwechselstrom umgewandelt wird.

Größere Solaranlagen ab einer Leistung von ca. 10 kWp arbeiten dagegen mit Drehstrom. Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom der Solarmodule in Drehstrom um.

Der Vorteil von Drehstrom ist, dass er eine höhere Spannung und damit geringere Übertragungsverluste ermöglicht. Außerdem kann Drehstrom leichter in bestehende Drehstrom-Netze eingespeist werden.

Für Balkonkraftwerke ist Drehstrom aufgrund der geringeren Leistung nicht relevant. Der erzeugte Wechselstrom wird direkt ins häusliche Einphasen-Netz eingespeist.

Die wichtigsten Aufgaben des Wechselrichters bei Balkonkraftwerken

Der Wechselrichter ist ein zentrales Element von Balkonkraftwerken. Seine Hauptaufgaben sind:

Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom

Die Solarmodule erzeugen Gleichstrom (DC), der für das Stromnetz und Haushaltsgeräte nicht nutzbar ist. Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom in Wechselstrom (AC) um, der in das Hausnetz eingespeist werden kann. Durch diese Umwandlung wird der Solarstrom nutzbar.

Überwachung des Stromnetzes

Der Wechselrichter überwacht kontinuierlich Frequenz, Spannung und Phasenlage des öffentlichen Stromnetzes. Er gleicht die erzeugte Wechselspannung daran an, um eine optimale Einspeisung zu gewährleisten.

Gewährleistung von Netz- und Anlagensicherheit

Bei Störungen im Netz trennt der Wechselrichter die Solaranlage innerhalb weniger Millisekunden vom Netz. Dies verhindert eine Gefährdung von Monteuren und eine Beschädigung von Geräten. Er schützt auch die Solaranlage vor Überspannungen und sorgt so für einen sicheren Betrieb.

Der Wechselrichter ist also ein zentrales Bauteil, das die Nutzung des Solarstroms erst möglich macht und für Sicherheit sorgt. Seine intelligente Steuerung optimiert die Solarenergieausbeute.