Hochschule RheinMain
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Wintersemester 2025/26Masterprojekt

Energieautarker Betrieb der Campus-Wetterstation

AutorenJan Kretschmar, Nicolas Moeller
BetreuungProf. Dr. Holger Hünemohr & Prof. Dr. Nikolay Tcholtchev

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Fokus/Ziel

Das primäre Ziel war die energetische Aufwertung der bestehenden Campus-Wetterstation, um eine ganzjährige Energieautarkie zu erreichen. Das Projekt adressierte das Problem von Stromausfällen in den Wintermonaten (geringe Sonneneinstrahlung) durch die Analyse bestehender Defizite und die Entwicklung einer neuen Systemarchitektur.

Ein wesentlicher Schwerpunkt lag auf der Frage, ob eine Hardware-Erweiterung allein ausreicht oder ob auch ein Lastmanagement erforderlich ist. Zusätzlich umfasste das Projekt die Entwicklung einer Projekt-Website, um die Daten und den Status der Station für die Öffentlichkeit zu visualisieren.

Die aufgerüstete Station mit dem 510Wp-Solarpanel und dem neuen Schaltschrank.
Die aufgerüstete Station mit dem 510Wp-Solarpanel und dem neuen Schaltschrank.

Detailliertes Energiekonzept

Das neue Energiekonzept geht von einer einfachen Direktversorgung zu einer robusten DC-Bus-Topologie über, bei der Energiefluss und Kommunikationsfluss logisch getrennt sind.

Lastprofile (Tabelle 2)

Die Arbeit analysierte den täglichen Energieverbrauch in zwei Modi:

ModusAktive KomponentenTäglicher Verbrauch (Wh)Durchschn. Leistung (W)
NormalbetriebVollbetrieb (Router, Sensoren, Cerbo GX)448,80 Wh18,70 W
Low-Power-ModusReduzierter Betrieb (Unkritisches aus)241,08 Wh10,05 W

(Hinweis: Der Low-Power-Modus reduziert den Verbrauch um ~46%)

Ausfallwahrscheinlichkeit (Tabelle 3)

Basierend auf PVGIS-Simulationen für den spezifischen Standort (Breitengrad 50,095°, Längengrad 8,217°):

Monat/MetrikAusfallwahrscheinlichkeit (Normalbetrieb)Ausfallwahrscheinlichkeit (Low-Power-Modus)
Dezember38,5% (Kritisch)0% (Sicher)
Januar29,2%0%
Mär / Okt< 1%0%
Apr - Sep~ 0,0 - 0,2%0%
Jahresdurchschnitt7,48%0%

Hardware-Spezifikationen

Um diese Ergebnisse zu erzielen, wurde die Hardware erheblich aufgerüstet:

  • PV-Generator: Trina Solar Vertex S+ (510 Wp). Ein massives Upgrade gegenüber dem vorherigen 100Wp-Panel.
  • Speicher: 2x Victron LiFePO4 SuperPack (12,8V / 60Ah jeweils = 120Ah gesamt).
    • Gesamtkapazität: 1536 Wh.
    • Spannung: 12,8 V nominal.
  • Laderegler: Victron SmartSolar MPPT 100/50 (Verarbeitet bis zu 50A Ladestrom).
  • Überwachung:
    • Victron Cerbo GX: Zentrale Kommunikationszentrale.
    • SmartShunt 500A: Präziser Batteriemonitor (Spannung, Strom, SoC).
  • Verkabelung: Aufgerüstet auf 16 mm² Querschnitt, um Spannungsabfälle zu minimieren.
Die neue DC-Bus-Topologie trennt Energie- und Kommunikationsflüsse.
Die neue DC-Bus-Topologie trennt Energie- und Kommunikationsflüsse.

Software & Datenfluss

Das Projekt führte Intelligenz in das Energiemanagementsystem und eine neue Datenpipeline für die Website ein:

  • Duale Betriebsmodi:
    • Normalbetrieb: Kontinuierlicher Vollbetrieb aller Sensoren und Kommunikation.
    • Low-Power-Modus: Aktiviert, wenn der Batterie-SoC oder der Solareingang unter kritische Schwellenwerte fällt. Priorisiert die Datenprotokollierung gegenüber Echtzeitübertragung oder nicht essenziellen Sensoren.
  • Überwachungs-Pipeline: Parallele MQTT-Streams übertragen nun sowohl meteorologische Daten (via Ser[LOG]) als auch Energiedaten (via Cerbo GX) an das Backend (InfluxDB/Grafana).
  • Website-Integration: Eine benutzerdefinierte Weboberfläche wurde entwickelt, um Live-Daten aus dem InfluxDB-Backend anzuzeigen und den Status der Station für die Campus-Community zugänglich zu machen.
Datenpipeline von Sensoren via MQTT/Node-RED zum InfluxDB-Backend.
Datenpipeline von Sensoren via MQTT/Node-RED zum InfluxDB-Backend.

Feldvalidierung (Tabelle 4)

Ein erster 72-stündiger Feldtest (13.–15. Feb. 2026) validierte die Simulationsmodelle. Die Daten zeigen einen stabilen Betrieb auch an lichtarmen Tagen (14. Feb.).

Metrik13.02. (Sonnig)14.02. (Bewölkt)15.02. (Gemischt)
SoC-Bereich93,2% – 100%93,1% – 100%93,9% – 100%
PV Max Leistung412 W116 W181 W
Ladeenergie440,2 Wh135,2 Wh211,2 Wh
Entladeenergie116,2 Wh135,9 Wh125,5 Wh
Netto-Bilanz+324,0 Wh-0,7 Wh+85,7 Wh
  • Analyse 14. Feb: Selbst an einem "dunklen" Tag mit nur 116W Spitzenleistung behielt das System eine neutrale Bilanz (-0,7 Wh) bei, was die Effizienz der Grundlastkonfiguration beweist.

Ergebnisse & Fazit

  • Autarkie Erreicht: Die Kombination aus Hardware-Erweiterung (510Wp PV + 1536Wh Batterie) und der Low-Power-Strategie eliminiert Winterausfälle effektiv.
  • Winter-Herausforderung Gelöst: Die Ausfallwahrscheinlichkeit im Dezember sinkt von kritischen 38,5% auf sichere 0%.
  • Methodisches Fazit: Für hochverfügbare Inselanlagen in gemäßigten Klimazonen ist eine massive Hardware-Überdimensionierung allein weniger effektiv als die Kombination aus angemessener Hardware-Dimensionierung und intelligentem Lastmanagement.