E-Auto mit eigener PV-Anlage laden: Was möglich ist und benötigt wird

im Vergleichstest

Elektrofahrzeuge lassen sich prinzipiell überall laden, wo mindestens 230 Volt anliegen. Allerdings stellt das Aufladen im eigenen Zuhause, auf dem eine Photovoltaikanlage installiert ist, nicht nur die komfortabelste, sondern mit weitem Abstand (langfristig) günstigste Herangehensweise dar. Damit jedoch der Strom so einfach und günstig fließen kann, sind verschiedene technische Bausteine nötig. Wir zeigen, was vom Dach bis ins Auto alles gebraucht wird – und was damit möglich ist.

1. Die Solaranlage

Dieser Punkt dürfte derjenige auf der Liste sein, der sich selbst am besten erklärt: Wer sein E-Mobil mit eigenem Strom zuhause aufladen möchte, muss natürlich diesen Eigenstrom erzeugen können. Der wichtigste Dreh- und Angelpunkt ist jedoch die Frage, wie viel Fläche in Sachen Solaranlage nötig ist. Das gilt insbesondere dann, wenn die PV-Anlage nicht nur das Auto versorgen soll.

Die benötigte Fläche

Jeder, der sich mit dem Thema Photovoltaik befasst, weiß, wie viele Variablen hierbei betrachtet, berechnet und miteinander in Einklang gebracht werden müssen. Was das Thema Sonnenstand, Ausrichtungswinkel der Module und ähnliche Basisfaktoren anbelangt, gibt es keinerlei Unterschiede, wer nun der Hauptabnehmer des Eigenstromes ist.

Was jedoch die Fläche betrifft, die rein zum Betrieb des Autos benötigt wird, ist durchaus einiges zu beachten. Als Basiswert sind folgende Zahlen nötig:

1. Der durchschnittliche Verbrauch des Elektrofahrzeugs (in Kilowattstunden pro 100 Kilometer, kWh/100 km).
2. Die Jahresfahrleistung des Fahrzeugs in Kilometern.

Beides sind stark schwankende Werte. Schon der genormte Durchschnittsverbrauch unterscheidet sich deutlich zwischen den Fahrzeugmodellen. Außerdem weicht der Realverbrauch angesichts der persönlichen Fahrweise und Streckenführung vom Durchschnitt ab.

Ebenfalls ist der reale Ertrag der PV-Anlage unterschiedlich. Das gilt selbst bei perfekt ausgerichteten Modulen – je nachdem, ob das Haus in eher südlichen oder nördlichen Gefilden der Republik steht. Zwischen dem Jahresmittel Nord- und Süddeutschlands gibt es hinsichtlich der durch solare Einstrahlung gelieferten Energiemenge einen Unterschied von etwa 200 kWh/m². Heißt, im Norden wird mehr PV-Fläche für die gleiche Strommenge benötigt, weil pro Flächeneinheit weniger Sonnenenergie auftrifft.

Halbwegs konstant ist lediglich die Spitzenleistung (Kilowatt Peak, kWp) heutiger PV-Anlagen der Consumer-Klasse. Sie beträgt pro Quadratmeter zirka 200 Watt, beziehungsweise 0,2 kWp. Mit typischen Durchschnittswerten bestückt könnte die Flächenberechnung in etwa folgendermaßen aussehen:

• Durchschnittsverbrauch:                                                20 kWh/100 km
• Jahresfahrleistung:                                                15.000 km
• Jahresstromverbrauch E-Auto:                                           3.000 kWh
• Durchschnittliche Jahres-Volllast-Stunden Photovoltaik: 1.000
• Jahreserzeugung bei 0,2 kWp/m²: 200 kWh/Jahr/m²
• Benötigte Modulfläche nur für E-Mobilität:                      15 m²

Das mag auf den ersten Blick nach viel aussehen. Insbesondere dann, wenn die Dachfläche des Gebäudes bereits ausgereizt ist, um den Haushalt möglichst umfassend mit selbsterzeugtem Strom versorgen zu können.

In der Praxis sollten Hausbesitzer allerdings abermals konkret nachrechnen: Ein typischer Carport für ein einzelnes Fahrzeug ist etwa 5 Meter lang/tief und 3 Meter breit, das entspricht 15 Quadratmetern. Das bedeutet, bei einer anderweitig sonnengünstigen Auslegung kann es mit modernen Modulen genügen, den Parkplatz des E-Fahrzeugs mit Photovoltaik zu bedecken, um die benötigten Jahresstrommengen zu erzielen.

Besser noch: Sofern der Wagen ab und zu außerhaus geladen wird, kann die Fläche kleiner ausfallen – oder der zusätzlich erzeugte Strom im Haushalt genutzt werden.

Die Bauart der PV-Module

Die Umwandlung von Licht in Strom erfolgt ungeachtet der exakten Bauart eines Solarmoduls immer gleich. Doch insbesondere, was den Wirkungsgrad anbelangt, also wie viel Prozent der eingestrahlten Sonnenenergie in elektrischen Strom umgewandelt werden, gibt es durchaus Unterschiede. Die Rechnung ist erneut simpel: Je höher der Wirkungsgrad, desto weniger Modulfläche ist für dieselbe Leistungsmenge erforderlich.

Aber Vorsicht: Häufig werden bei den Modulen Labor-Wirkungsgrade prominent hervorgehoben. Da diese allerdings unter künstlichen Bedingungen entstehen, ist der reale Wirkungsgrad typischerweise deutlich geringer. Im Folgenden daher nur diese realistischen (Durchschnitts-)Wirkungsgrade bei optimaler Ausrichtung:

• Monokristallines Silizium: 20 %
• Polykristallines Silizium: 15 %
• CIGS: 12 %
• Cadmium-Tellurid (CdTe): 11 %

E-Auto-Fahrer sollten allerdings nur dann auf die nüchternen Leistungsdaten schauen, wenn Platz eine zentrale Rolle spielt. Denn PV-Module aus monokristallinem Silizium rufen ebenso die höchsten Preise auf. Wenn es keine Raumnot gibt, ist daher Rechnen angesagt.

1. Der Wechselrichter

Es gibt zwei Stromarten – Gleichstrom (DC) und Wechselstrom (AC). Hierzu nun drei Fakten zur Photovoltaik, Gebäudeelektrizität und E-Mobilität:

1. Aus technischen Gründen können Photovoltaikanlagen ausschließlich Gleichstrom erzeugen.
2. Ebenfalls aus technischen Gründen gibt es keinen Akku, der Wechselstrom speichern kann. Sie alle arbeiten mit Gleichstrom – gleiches gilt für die Speicher sämtlicher Elektrofahrzeuge.
3. Die gesamte Gebäudeelektrik liefert an den Steckdosen ausschließlich Wechselstrom. Dieser liegt zudem in Stromleitungsnetzen sämtlicher Größenordnungen an.

Diskrepanzen und Notwendigkeiten sind hier somit klar zu erkennen: Theoretisch wäre es durchaus möglich, den Gleichstrom der PV-Anlage direkt und ohne Umwandlung ins Auto einzuspeisen. Das würde sogar für eine schnellere Aufladung sorgen. In der häuslichen Praxis spricht jedoch vieles dagegen:

1. Die meisten Fahrzeughersteller geben an, dass häufiges DC-(Schnell-)Laden sich nachteilig auf Haltbarkeit und Leistungsdichte des Fahrzeugakkus auswirkt.
2. Beim DC-DC-Laden kann die PV-Anlage keinerlei Strom für häusliche Applikationen zur Verfügung stellen.
3. DC-Laden benötigt eine Eingangsspannung von 480 Volt. PV-Module liefern hingegen pro Stück typischerweise nur 30 bis 50 Volt Gleichstrom und Gebäude werden nur mit 400 Volt Wechselstrom versorgt.
4. DC-Ladestationen sind um ein Vielfaches kostspieliger als AC-Ladestationen. Während Erstere mindestens eine niedrig fünfstellige Summe kosten, sind es für Letztere höchstens hoch vierstellige Preise.

Sprechen wir von einem typischen Szenario im Bereich eines privaten Wohnhauses, dann weist DC-Laden mehr Nach- als Vorteile auf und ist aufgrund der unterschiedlichen Spannungen oftmals gar nicht realisierbar.

Unter diesem Aspekt wird ein Bauteil wichtig: der Wechselrichter. Er wandelt Photovoltaik-DC in Haushalts-AC um – typischerweise in 400 Volt, bei kleineren Anlagen hingegen direkt in 230 Volt, aber stets in einer Frequenz von 50 Hertz (Hz).

Der praktische Nebeneffekt des Wechselrichters besteht darin, problemlos den PV-Strom (auch) im Haushalt verwenden zu können.

Gute Idee: Inselfähiger Wechselrichter

Herkömmliche Wechselrichter müssen stets mit dem externen Stromnetz verbunden sein. Das brauchen sie, um die erzeugte AC-Frequenz mit den angesprochenen 50 Hertz synchronisieren zu können. Der Netzstrom wirkt dann sozusagen als Taktgeber. Die meisten Wechselrichter arbeiten so und es ist zudem die günstigste Herangehensweise.

Wer jedoch sowieso dieses Bauteil erst noch erwerben muss, sollte etwas mehr Geld investieren und einen sogenannten inselfähigen Wechselrichter anschaffen. Dieser ist in der Lage, seine eigene Netzfrequenz zu erzeugen und zu überwachen. Die Mehrkosten lohnen sich. Denn herkömmliche PV-Anlagen sind bei Stromausfällen mangels Taktgeber nicht funktionsfähig. Ferner können in solchen Fällen weitere Stromerzeuger an den Inselwechselrichter angeschlossen werden, etwa benzinbetriebene Generatoren.

Mit dem richtigen Wechselrichter ist zudem ein optionales Vorgehen möglich: Im Normalbetrieb eine klassische Einspeiseanlage, im Notbetrieb eine Inselanlage. Für das PV-gestützte Aufladen des Elektrofahrzeugs ist das kein Muss, aber aufgrund der stark erhöhten Unabhängigkeit unbedingt eine Überlegung wert.

1. Der optionale Energiespeicher

Technisch betrachtet ist ein Elektrofahrzeug nichts anderes als ein sehr großer Akku mit Rädern und einem Elektromotor. Damit ist jeder Stromer, der von der häuslichen PV-Anlage geladen wird, bereits ein Energiespeicher.

Je nach Nutzung des Fahrzeugs kann es jedoch schwierig bis unmöglich sein, den Sonnenstrom dann ins Auto einzuspeisen, wenn er erzeugt wird. In diesem Fall ist ein (häuslicher) Stromspeicher praktisch verpflichtend.

Die Sinnhaftigkeit des Stromspeichers

Viele Menschen sind aufgrund ihres Lebens- und Berufsmodells dann nicht zuhause beziehungsweise mit dem Elektroauto unterwegs, wenn die Sonne am stärksten scheint. Selbst bei Schichtarbeitern ist das häufig der Fall, weil diese Personen hierzulande typischerweise in Wechselschichtmodellen arbeiten.

Die wenigen Ausnahmen sind Hausfrauen und -männer, Menschen mit 100 Prozent Homeoffice-Arbeit, einige Wachleute und andere Personen, die beispielsweise in Bars und Clubs ausschließlich abends und nachts tätig sind.

Bedeutet, bei den allermeisten Menschen ist es notwendig, den tagsüber erzeugten Strom von der PV-Anlage zuhause zwischenzuspeichern, bevor er in den Akku des Fahrzeugs geleitet werden kann.

In diesem Fall ist ein Stromspeicher nötig. Je nach Aufbau der gesamten Anlage und gewünschtem Grad der Einspeisung ins öffentliche Stromnetz, beträgt seine (Mindest-)Dimensionierung entweder

• die Peak-Leistung eines durchschnittlichen, sonnenreichen Tages oder
• den durchschnittlichen Tagesverbrauch des Elektrofahrzeugs.

Insbesondere angesichts folgender Faktoren empfiehlt es sich unbedingt, diesbezüglich keine Minimallösungen anzustreben:

• die seit Jahren fallenden Preise für Stromspeicher
• die hohe Lebensdauer durch die vielen möglichen Lade- und Entladezyklen
• die bei neu errichteten PV-Anlagen extrem geringen Einspeisevergütungen (besonders im Vergleich mit den derzeitigen Netzstrompreisen)
• die rasche Amortisierung und langfristig positive Verbrauchskostenstruktur
• die Möglichkeit der Netzstromunabhängigkeit durch die Nutzung eines inselfähigen Wechselrichters

Ein großzügig dimensionierter Stromspeicher gestattet es, den „Goldstandard“ des privaten Besitzes einer PV-Anlage zu erreichen: hundertprozentige Eigenstromnutzung.

Im Idealfall und mit einer insgesamt hinreichend großen Solaranlage lässt sich damit sogar der gesamte Jahresverbrauch des Haushalts samt komplettem Bedarf des Elektroautos ausschließlich aus der eigenen Anlage realisieren. Selbst, wenn es „nur“ drei Viertel oder die Hälfte sind, bedeutet das in Zeiten der heutigen Strompreise eine extreme Ersparnis samt rascher Amortisation.

Nicht zuletzt ist diese Herangehensweise mehr als nur eine oberflächliche Überlegung wert, weil Stromspeicher ganz normal in das staatliche Förderungssystem der KfW-Bank eingebunden sind – und in vielen Bundesländern noch in weitere Programme.

Die Funktionsweise des Stromspeichers

Im Solarstromspeicher wird ebenso DC-Strom „gelagert“ wie im Elektroauto. Der Wechselrichter wird also (von der Erzeugerseite aus betrachtet) hinter dem Speicher integriert. Als positiver Nebeneffekt steht dadurch jederzeit ein harmonischer Stromfluss zur Verfügung.

Der Stromspeicher arbeitet im Prinzip wie jede andere aufladbare Batterie. Allerdings gibt es hier ebenfalls technische Unterschiede:

• Lithium-Ionen: Das ist die für Solarstromspeicher am weitesten verbreitete Technik, bloß größer dimensioniert als in Handys, Power Banks und ähnlichen Geräten.
• Salzwasser: Hierbei handelt es sich um unterschiedliche Akku-Techniken, die auf einer Salzwasserlösung als Elektrolyt basieren.
• Redox Flow: Das ist eine Technik mit zwei Elektrolyten, die durch eine Membran getrennt sind. Aufgrund der großen Komplexität ist sie eher weniger für Privatverbraucher geeignet.
• Flüssigmetall: Das ist eine relativ neue Entwicklung, die mit einer im Normalzustand flüssigen Salzmischung arbeitet.

Je nach geplanter Dimensionierung der ganzen Anlage lohnt es sich unbedingt, mehrere Techniken und Anbieter zu vergleichen. Diesbezüglich tut sich gerade am Markt sehr vieles.

1. Das Thema Energie- und Lademanagement

Einmal angenommen, in einem Haus ohne Stromspeicher würde das Elektroauto ohne weitere Maßnahmen mit der Hauselektrik verbunden werden. In dem Fall wäre es für die Besitzer weitgehend unkontrollierbar, welcher prozentuale Anteil von PV- und Netzstrom jeweils ins Auto fließt.

Dadurch könnte es beispielsweise zu Situationen kommen, in denen die Hauselektrik unabsichtlich allen aktuell zur Verfügung stehenden Solarstrom verbraucht, während das Auto mit dem deutlich teureren Netzstrom geladen wird.

Auch umgekehrt, also mit Stromspeicher, kämen hier mitunter Fragen auf: Soll das Auto weiter geladen werden, obwohl kein PV-Strom mehr vorhanden ist? Was hat bei welchem Ladestand von Stromspeicher und Fahrzeug Priorität?

Verbraucher sollten unbedingt darüber nachdenken, ihr gesamtes System um ein Energiemanagement zu ergänzen, das zu allen anderen Bausteinen kompatibel ist. Nicht zuletzt, weil direktes Laden nur bei einer recht hohen PV-Stromerzeugung von über 4 Kilowatt möglich ist.

Ein solches Management übernimmt folgende Aufgaben:

• Es trennt sozusagen die Hauselektrik und denjenigen Teil, der nur zur Versorgung des E-Autos gedacht ist.
• Das Management gestattet es (typischerweise frei konfigurierbar) Schwellwerte und Ähnliches einzustellen. Beispielsweise lässt sich damit ein besonders schonendes Laden des Stromspeichers erzielen oder das Elektrofahrzeug ausschließlich mit Sonnenstrom laden.

Erneut ist eine fachmännische Beratung unbedingt angeraten. Denn einige Stromspeicher enthalten bereits Systeme, die speziell das Lademanagement übernehmen. Ebenso existieren Wallboxen und Ladesäulen, die ähnliche Steuerungen auf der Entnahmeseite inkludieren.

Idealerweise sollten daher alle Komponenten gemeinsam ausgesucht und erworben werden, damit eine bruchfreie, stets optimale Funktion gewährleistet ist und kostspielige Doppelkäufe vermieden werden.

1. Die Anschlussmöglichkeiten

Induktives Laden ohne Kabel wie beim Smartphone ist bei Elektromobilität gerade erst in der Erprobungsphase – hat jedoch trotzdem stets einen eher schlechten Wirkungsgrad.

An der klassischen Kombination aus Steckdose und Kabel werden heutige Interessenten somit nicht vorbeikommen. Dafür gibt es jedoch mehrere Optionen:

1. Allgemeine Steckdosen, namentlich Schuko (230 Volt) sowie verschiedene CEE-Bauarten (230 und 400 Volt):

   Sie haben den primären Vorteil, für alle möglichen Arten von Stromabnehmern genutzt werden zu können. Speziell bei der 400-Volt-Variante ist das interessant, wenn rund um den Stellplatz beispielsweise Werkzeuge mit entsprechendem Stromverbrauch betrieben werden sollen – etwa große Sägen oder Holzspalter. Der Nachteil ist die völlige Abwesenheit einer Kontrollmöglichkeit darüber, wie viel Strom ins Elektroauto fließt.

Ebenfalls sind insbesondere die CEE-Stecker nicht gerade für schnelles Anschließen und Abtrennen gedacht. Was 230 Volt anbelangt, ist überdies die übertragene Strommenge sehr gering, was selbst bei optimalem Füllgrad des Stromspeichers eine unnötig hohe Ladedauer verursacht.

1. Wallboxen respektive Ladesäulen:

   Sie unterscheiden sich meistens nur durch die Montage an der Wand oder auf einer freistehenden Säule. Grundsätzlich sind Wallboxen deutlich komfortabler zu bedienen und leistungsfähiger, wenngleich ausschließlich für die verschiedenen Anschlüsse von Elektrofahrzeugen zu gebrauchen. Allerdings gibt es auch Modelle mit zusätzlichem CEE-Stecker bzw. -Anschlussmöglichkeit.

Da Wallboxen grundsätzlich für das Aufladen von E-Fahrzeugen gedacht sind, sind hier (je nach Anschluss) die höchsten Ladestrommengen und somit kürzesten Ladezeiten möglich. Überdies gibt es zusätzliche Features wie Verriegelungen, integrierte Stromzähler und Ähnliches.

Bei den einzelnen Bestandteilen einer Wallbox wie Kabel, Stecker und Halterung gibt es bei der Anschaffung auf ein paar Dinge zu achten, damit die Anschlussmöglichkeit optimal zum E-Auto und den individuellen Gegebenheiten des eigenen Zuhauses passen. Beispielweise kann für den Stecker ein Adapter notwendig sein oder das Gehäuse muss wetterfest sein.

Theoretisch haben Verbraucher tatsächlich die freie Wahl. Praktisch allerdings sollten sie sich diesbezüglich eine Frage stellen:

Ist es sinnvoll, nach der Investition in die Infrastruktur (Photovoltaik, Energiemanagement und Stromspeicher) ausgerechnet bei den Anschlussmöglichkeiten am möglicherweise falschen Ende zu sparen?

Die Antwort dürfte auf der Hand liegen: Wallbox oder Ladesäule sind nicht weniger als die logischste finale Ergänzung eines in sich umfangreichen und sehr funktionalen Systems. Außerdem spricht absolut nichts dagegen, in der Nähe dieses Ladepunktes noch eine 400-Volt CEE-Steckdose für andere Anwendungen installieren zu lassen.

1. Der umgekehrte Weg: Vehicle to Home

Im Normalfall wird der Stromfluss einer solchen Anlage immer nur in eine Richtung verlaufen: von der Photovoltaik und dem Stromnetz in den Stromspeicher und von dort via Ladepunkt ins Elektroauto.

Aber was ist beispielsweise, wenn der Hausbesitzer einmal für mehrere Tage krankheitsbedingt das Bett hüten muss? Oder wenn bei einem längeren Stromausfall der Fahrzeugakku der letzte greifbare Energiespeicher ist, der noch Strom zur Verfügung stellen kann?

In solchen und vielen anderen Szenarien wäre es praktisch, das Fahrzeug wieder „anzapfen“ zu können, um mit dem darin gespeicherten Strom andere Dinge im Haushalt zu betreiben. Nicht zuletzt könnte das Auto auf diese Weise sogar den gesamten Stromspeicher im Haus ersetzen, wenn das Fahrzeug nicht jeden Tag mit vollem Akku zur Verfügung stehen muss.

Das dahinterstehende Prinzip dieses „umgekehrten Wegs“ nennt sich Vehicle to Home (VtH, V2H) oder bidirektionales Laden. In Form von Vehicle to Load (V2L) gibt es überdies Fahrzeuge mit integrierten 230-Volt-Steckdosen und bei Vehicle to Grid (V2G) ist sogar eine freie Einspeisung ins allgemeine Stromnetz möglich.

V2H ist diesbezüglich im Kontext dieses Textes die interessanteste Lösung. Doch ist sie bei jedem Fahrzeug und jeder Anlagengestaltung möglich?

Möglichkeiten und Vorbedingungen

Einmal mehr gilt: Das Elektroauto ist ein sehr potenter Energiespeicher. Zusammen mit einem Wechselrichter können damit verschiedene häusliche Anwendungen teilweise überraschend lange betrieben werden.

Damit das jedoch funktioniert, müssen drei technische Bedingungen erfüllt sein:

1. Das Auto selbst muss technisch gesehen V2H unterstützen. Aktuell ist das jedoch nur bei einigen wenigen Modellen auf dem Markt möglich.
2. Das gesamte System muss mit der vom Fahrzeug zur Verfügung gestellten Spannung umgehen können.
3. Die Wallbox muss ebenfalls bidirektionales Laden ermöglichen.

Nicht zuletzt, weil es bislang noch weitgehend an entsprechenden Normen und Gesetzen mangelt, ist V2H für die meisten Anwender derzeit ein nur theoretisches Konzept. In einigen wenigen Jahren allerdings dürfte sich das ändern. Dann, so ist zu erwarten, dürften sowohl die Fahrzeuge als auch Ladepunkte diese Vorgehensweise standardmäßig ermöglichen.

1. Zusammengefasst

Sogar in Zeiten extremer Strompreise wie heute sind Elektroautos günstiger zu betreiben als jeder Verbrenner – selbst an manchmal extrem teuren öffentlichen Ladesäulen. Betrachtet man jedoch die verschiedenen Optionen, dann ist Ladestrom aus der eigenen PV-Anlage die dauerhaft günstigste Methode für alle, die nicht garantiert jeden Ladevorgang kostenlos auf der Arbeit durchführen können.

Der Vorteil daran ist die Flexibilität: Egal, ob das ganze System zusammen mit der Photovoltaik errichtet oder nur nachträglich ergänzend eingebaut wird, so handelt es sich systemisch betrachtet um ein Kinderspiel. Da zudem speziell seit 2023 sowieso immer mehr Bundesländer bei Neubau und (Dach-)Sanierung auf eine PV-Pflicht pochen, stellt sich eigentlich nur die Frage, welche Wallbox es sein soll.