Solarbetriebene Straßenbeleuchtung vs. netzbetriebene Straßenbeleuchtung: Eine umfassende Lebenszyklus-TCO-Analyse für die kommunale Beschaffung

Einführung

Die Budgets für kommunale Beleuchtung stehen unter Druck. Mit der Ausdehnung von Städten in stadtnahe und ländliche Gebiete stehen Beschaffungsmanager zunehmend vor der schwierigen Entscheidung: Netzausbau oder Solarenergie. Die falsche Wahl kann zu Kostenüberschreitungen von über 40 % der ursprünglichen Investitionskosten über eine Nutzungsdauer von 15 Jahren führen. Dieser Artikel bietet ein strukturiertes Rahmenwerk zur Ermittlung der Gesamtbetriebskosten (Total Cost of Ownership, TCO) – einschließlich Investitionsausgaben, Betriebskosten, Wartung und Amortisationsrechnung –, um Ingenieuren und Beschaffungsmanagern eine fundierte, datengestützte Entscheidung zu ermöglichen, bevor die Spezifikationen endgültig festgelegt werden.

Der Entscheidungskontext: Warum die Gesamtbetriebskosten wichtiger sind als der Listenpreis

Netzanschluss und solarbetriebene Straßenbeleuchtung unterscheiden sich in einer Bestellung deutlich. Eine netzgekoppelte LED-Straßenleuchte kostet etwa 150 bis 400 US-Dollar pro Stück; eine vergleichbare All-in-One-Solarstraßenleuchte hingegen 350 bis 900 US-Dollar pro Stück, abhängig von Batteriekapazität, Solarmodulleistung und Steuerungssystem. Auf der detaillierten Budgetplanung erscheint die Solarlösung oft teurer.

Vergleiche der Stückpreise sind jedoch bei Infrastrukturanlagen strukturell irreführend. Die Internationale Agentur für Erneuerbare Energien (IRENA) stellt in ihrem Bericht „Kosten der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien 2023“ fest, dass die anfänglichen Investitionskosten nur einen Bruchteil der Lebenszykluskosten für netzunabhängige Energiesysteme ausmachen – Betriebs- und Finanzierungskosten dominieren häufig über einen Zeitraum von 10 bis 20 Jahren.

Die tatsächlichen Entscheidungsvariablen sind:

• Entfernung vom nächstgelegenen Gitterverbindungspunkt — Die Kosten für Tiefbau und Kabelverlegung steigen jenseits von 500 Metern nichtlinear an.
• Lokale Stromtarifentwicklung Der Weltenergieausblick 2023 der IEA prognostiziert weiterhin Volatilität bei den Strompreisen für Gewerbebetriebe in Südostasien, Subsahara-Afrika und Lateinamerika.
• Wartungszugang und ArbeitskostenFür Straßenkorridore in dünn besiedelten oder abgelegenen Gebieten können die Kosten für die Instandsetzung pro Ereignis 3- bis 8-mal höher sein als in städtischen Zentren (Weltbank ESMAP, Off-Grid Solar Market Trends Report, 2022).
• Projektfinanzierungsstruktur — Bei durch Zuschüsse finanzierten Projekten kann die Gewichtung der Investitionsausgaben anders ausfallen als bei Projekten, die durch Kommunalanleihen finanziert werden.

Eine korrekte TCO-Analyse normalisiert diese Variablen über einen gemeinsamen Zeitraum – typischerweise 15 Jahre, entsprechend den Annahmen zur Nennlebensdauer von LED- und LiFePO₄-Batterien.

CAPEX-Vergleich: Solarstraßenbeleuchtung vs. netzgekoppelte Straßenbeleuchtung

Netzgekoppelte Straßenbeleuchtung: Was fließt ins Investitionsbudget ein?

Der Preis der Leuchte ist nur ein Positionsposten. Eine vollständige netzbetriebene Installation umfasst typischerweise:

• Grabenbau und Leitungsbau: 15–60 US-Dollar pro laufendem Meter, abhängig von der Bodenbeschaffenheit und der Art der Straßenoberfläche.
• Mittelspannungs-/Niederspannungskabel: 8–25 US-Dollar pro Meter für 4-adriges armiertes Kabel (Marktpreise, 2023–2024)
• Transformator- und Verteilerschrank: 3.000–12.000 US-Dollar pro Versorgungszone (verteilt auf die Masten)
• Pfahl und Fundament: 200–600 US-Dollar pro Punkt, abhängig von Höhe und Windlastklasse
• Leuchte (LED-Leuchte): 150–400 US-Dollar pro Einheit, 70–150 W typisch für Hauptverkehrsstraßen

Für einen 1 Kilometer langen Straßenkorridor mit Masten im Abstand von 35 Metern (ca. 29 Masten) liegen die Investitionskosten für die Netzinfrastruktur (ohne Leuchten) üblicherweise zwischen:18.000 bis 55.000 US-Dollar Abhängig von der Grabenlänge und den örtlichen Tiefbaukosten. Dieser Betrag ist nicht in den Stückkosten der Einrichtung enthalten, wird aber vollständig dem Projekt zugerechnet.

Solarstraßenbeleuchtung: Gebündelte Investitionskostenstruktur

Eine All-in-One-Solarstraßenleuchte vereint Solarpanel, Batterie, Steuerung und Leuchte in einer einzigen, am Mast montierten Einheit. Die Installationskosten pro Einheit liegen typischerweise im Bereich von:

• Einstiegsmodell (entspricht 60–80 W Ausgangsleistung, Akkulaufzeit für 1–2 Nächte): 400–650 $ inklusive Installation
• Mittelklasse (entspricht 80–120 W, LiFePO₄, 3 Nächte Akkulaufzeit): 700–1.100 $ inklusive Installation
• Hochwertige Ausstattung (entspricht 120 W+, 5 Nächte Akkulaufzeit, intelligente Dimmfunktion): 1.100–1.800 $ inklusive Installation

Kritisch gesehen, Es fallen keine Kosten für die Netzinfrastruktur an.Die Kosten für Fundament und Masten sind ähnlich wie bei Netzsystemen. Der CAPEX-Break-Even-Punkt, an dem die gesamten Installationskosten der Solaranlage den gesamten Installationskosten des Netzsystems (Leuchten + Infrastruktur) entsprechen, wird typischerweise erreicht, wenn die Netzerweiterungsdistanz überschreitet.200–400 Meter pro Mast, abhängig von den örtlichen Zivilsteuersätzen.

Betriebskosten und Instandhaltung: Wo die Zahlen im Laufe der Zeit auseinanderlaufen

Energiekosten: Netzbetriebene Systeme

Netzgekoppelte Straßenlaternen verbrauchen kontinuierlich Strom, der zu den Tarifen für Gewerbe- oder öffentliche Beleuchtung abgerechnet wird. Bei einer 100-W-Leuchte, die 11 Stunden pro Nacht (4.015 Stunden/Jahr) in Betrieb ist:

Jährlicher Energieverbrauch pro Punkt: 100W × 4,015h = 401,5 kWh/Jahr

Bei einem kommerziellen Tarif von 0,10 $/kWh (typisch für Märkte mit niedrigeren Tarifen in Südostasien und Teilen Afrikas) entspricht dies 40,15 $/Einheit/JahrBei 0,15 $/kWh (Osteuropa, Lateinamerika) steigt der Wert auf 60,23 $/Einheit/Jahr.

Über einen Zeitraum von 15 Jahren, bei einer moderaten jährlichen Tarifsteigerung von 3 %, liegen die kumulierten Energiekosten pro Leuchte im Bereich von etwa 740 $ bis 1.120 $, abhängig vom Zollsatz.

Energiekosten: Solarstraßenbeleuchtung

Solarbetriebene Straßenlaternen erzeugen ihren eigenen Strom. Die laufenden Energiekosten sind praktisch null, vorausgesetzt, es stehen ausreichend Sonnenstrahlen zur Verfügung. Daten des NASA POWER-Programms bestätigen, dass die meisten tropischen und subtropischen Regionen (Breitengradbereich 15°N–35°N, einschließlich Nordafrika, Süd-/Südostasien und Mittelamerika) mit Solarenergie versorgt werden.4,5–6,5 Stunden Spitzensonnenlicht (PSH) pro Tag auf Jahresbasis, was mit entsprechend dimensionierten Batteriesystemen ausreicht, um die Beleuchtung die ganze Nacht hindurch zu gewährleisten.

Die relevanten Betriebskosten für Solaranlagen betragen Batteriewechsel, das die größte einzelne wiederkehrende Kostenvariable darstellt.

Kosten für den Batteriewechsel

LiFePO₄-Batterien (Lithium-Eisenphosphat), die sich zum Industriestandard für solare Straßenbeleuchtung entwickelt haben, sind für 2.000–3.000 Zyklen bei 80 % Entladetiefe (DoD) unter kontrollierten Bedingungen ausgelegt. Dies entspricht einer Nutzungsdauer von ca. 6–8 Jahren im Feld bei typischen Zyklenmustern (IEEE-Referenz: Lebenszyklusanalyse von LiFePO₄-Zellen für stationäre Speicheranwendungen, verschiedene Studien aus den Jahren 2019–2022). Das bedeutet einen Batteriewechselzyklus innerhalb eines Standardprojektzeitraums von 15 Jahren.

Die Kosten für den Austausch eines Akkus liegen typischerweise zwischen 80 und 200 US-Dollar pro Einheit (Herstellerkosten) zuzüglich Arbeitskosten. In gut erreichbaren städtischen Gebieten können die Gesamtkosten für den Austausch 120 bis 280 US-Dollar pro Einheit betragen. In abgelegenen Gebieten mit hohen Anfahrtskosten können diese Kosten 350 bis 500 US-Dollar pro Einheit erreichen.

Wartung und Störungsbehebung

Bei netzgekoppelten Systemen ist eine elektrische Fehlerdiagnose erforderlich, die sowohl die Leuchte als auch den vorgelagerten Versorgungsstromkreis betrifft. Bei Kabelfehlern, Auslösungen von Schutzschaltern oder Problemen mit dem Transformator sind Reparaturzeiten und -kosten deutlich höher als bei autarken Solaranlagen.

Typische Kostenrichtwerte für Instandsetzungsmaßnahmen (Weltbank ESMAP, 2022):

Wartungsveranstaltung	Grid-System (pro Ereignis)	Sonnensystem (pro Ereignis)
Lampen-/Treiberwechsel	30–80 US-Dollar	30–80 US-Dollar
Kabelreparatur	200–1.500+$	N/A
Controller-/Sensorfehler	50–150 $	40–120 US-Dollar
Batteriewechsel	N/A	120–500 $
Jährliche Inspektion pro Mast	15–40 $	10–30 $

Solarsysteme eliminieren das Risiko von Kabelfehlern vollständig und vereinfachen die Fehlerlokalisierung bis hin zur einzelnen Mastebene.

Amortisationszeit und Berechnung der Gesamtbetriebskosten über 15 Jahre

Beispiel für eine strukturierte TCO-Berechnung

Das folgende Beispiel verwendet öffentlich nachvollziehbare Annahmen, um die TCO-Methodik zu veranschaulichen. Beschaffungsteams sollten für jede Variable lokale Werte einsetzen.

Szenario: Straßenbeleuchtungsprojekt mit 50 Masten, 2 km Korridor, 400 m vom Netzanschlusspunkt entfernt. Standort: Tropenregion, durchschnittlicher Stromverbrauch: 5,2 PSH/Tag (NASA POWER, repräsentativ für Südostasien). Lokaler Stromtarif: 0,12 $/kWh, jährlich steigend um 3 %. Kosten für die Arbeitskräftemobilisierung: moderat (befahrbare, asphaltierte Straße).

Die Annahmen sind explizit angegeben; die tatsächlichen Projektwerte können abweichen.

Netzanschlussoption – 15 Jahre Gesamtbetriebskosten (50 Masten)

Kostenposten	Stückkosten	Insgesamt (50 Pole)
Leuchte (100W LED)	$280	14.000 US-Dollar
Pfahl + Fundament	$400	20.000 US-Dollar
Grabenbau (400 m à 30 $/m)	—	12.000 US-Dollar
Kabel (400 m @ 15 $/m)	—	$6.000
Verteilerschrank (amortisiert)	$200/Feld	10.000 $
CAPEX Zwischensumme		62.000 US-Dollar
Energie (15 Jahre, 3 % Steigerung, 0,12 $/kWh)	~860 $/Feld	43.000 US-Dollar
Planmäßige Wartung (15 Jahre)	$400/Feld	20.000 US-Dollar
Kostenvoranschlag für die Instandsetzungsarbeiten	$250/Feld	12.500 $
OPEX Zwischensumme (15 Jahre)		75.500 $
Gesamtkosten über 15 Jahre		137.500 US-Dollar
TCO pro Pol		2.750 $

Solarstraßenbeleuchtungsoption – 15 Jahre Gesamtbetriebskosten (50 Masten)

Kostenposten	Stückkosten	Insgesamt (50 Pole)
Komplette Solaranlage (mittlere Ausstattung, LiFePO₄)	850 $	42.500 US-Dollar
Pfahl + Fundament	380 $	19.000 US-Dollar
Montagearbeiten	$120/Feld	$6.000
CAPEX Zwischensumme		67.500 US-Dollar
Energiekosten	$0	$0
Batteriewechsel (Jahr 7, geschätzt)	$220/Feld	11.000 US-Dollar
Planmäßige Wartung (15 Jahre)	$280/Feld	14.000 US-Dollar
Kostenvoranschlag für die Instandsetzungsarbeiten	$150/Feld	7.500 $
OPEX Zwischensumme (15 Jahre)		32.500 US-Dollar
Gesamtkosten über 15 Jahre		100.000 $
TCO pro Pol		2.000 $

Ergebnis:Unter diesen Annahmen bietet die Solaroption einen27 % niedrigere Gesamtbetriebskosten über 15 Jahre (100.000 $ gegenüber 137.500 $) trotz eines höheren Kaufpreises pro Einheit. Die Amortisation der Investitionskostenprämie gegenüber den Einsparungen bei den Betriebskosten des Netzes erfolgt bei etwa Jahr 5–6.

Wenn die Entfernung zum Stromnetz unter 100 Meter sinkt und die lokalen Stromtarife unter 0,08 $/kWh liegen, kann die netzgekoppelte Option weiterhin Kostenvorteile über den gesamten Lebenszyklus bieten. Ingenieure sollten beide Szenarien mit lokalen Daten modellieren, bevor sie die Spezifikationen endgültig festlegen.

Entscheidungshilfe: Vergleichsrahmen und Checkliste für die Beschaffung

Direkter Vergleich: Solare vs. netzbetriebene Straßenbeleuchtung

Bewertungsdimension	Netzgekoppelte LED	Solarstraßenbeleuchtung (LiFePO₄)
Vorabkosten (nur Einrichtung)	Tiefer	Höher
Infrastruktur-Investitionskosten	Hoch (Graben, Kabel, Transformator)	Minimal
Jährliche Energiekosten	40–120 US-Dollar/Mast/Jahr	Effektiv null
Netzabhängigkeit	Vollständig	Nein
Batteriewechselzyklus	N/A	Alle 6–8 Jahre (LiFePO₄)
Fehlerisolierung	Schaltungsebene (komplex)	Polebene (einfach)
Geeignet für abgelegene/netzunabhängige Gebiete	Nicht rentabel jenseits von ca. 500 m	Gut geeignet
Geeignet für dicht besiedelte städtische Gebiete	Kostengünstig	Die Kosten hängen vom Tarif ab.
Kompatibilität mit intelligenter Steuerung	Ja (DALI, Zhaga)	Ja (eingebauter PIR-Sensor, Dimmfunktion)
Anwendbare Standardreferenzen	EN 13201, IEC 60598	IEC 62133, IEC 61427
Typische Projektamortisationszeit im Vergleich zur Basislinie	—	4–8 Jahre (variiert je nach Szenario)
15-jährige Gesamtbetriebskosten (repräsentatives Szenario)	Höher in Gebieten mit geringer Bevölkerungsdichte	Niedriger in netzfernen oder abgelegenen Gebieten

Checkliste für die Beschaffung von Solarstraßenbeleuchtung zur Evaluierung

Vor der Vergabe des Auftrags für solarbetriebene Straßenbeleuchtung im Rahmen einer öffentlichen Ausschreibung sollten die Beschaffungsmanager Folgendes überprüfen:

1.  Ausreichende Nutzung solarer Ressourcen: Wurden NASA POWER- oder PVGIS-Daten verwendet, um einen jährlichen Durchschnittswert von mindestens 4,0 PSH/Tag für den Projektstandort zu bestätigen?
2.  Angegebene Autonomietage: Ist gemäß der Spezifikation eine Batterie-Notstromversorgung von mindestens 2–3 aufeinanderfolgenden bewölkten Tagen bei 50 % Nennleistung erforderlich?
3.  Batteriechemie bestätigt: Wird die LiFePO₄-Chemie explizit spezifiziert? (Vermeiden Sie Blei-Säure- oder NMC-Lithium für Anwendungen im Outdoor-Radsport.)
4.  Garantie für die Batterielebensdauer:Gewährleistet der Lieferant mindestens 2.000 Zyklen bei mindestens 80 % Kapazitätserhalt? Ist dies im Angebot dokumentiert?
5.  IP- und IK-Bewertungen verifiziert:Sind Leuchte und Batteriegehäuse gemäß IEC 60529 und EN 62262 mindestens nach IP65 und IK08 zertifiziert?
6.  Fahrereffizienz:Ist der Wirkungsgrad des LED-Treibers bei Nennlast ≥ 92 % und der Leistungsfaktor ≥ 0,95?
7.  Lichterhaltung: Erfordert die Spezifikation L70 ≥ 50.000 Stunden pro IES LM-80-Daten?
8.  Intelligente Dimmlogik definiert: Ist der Dimmplan (z. B. 100 % von 18:00 bis 23:00 Uhr, 50 % von 23:00 bis 05:00 Uhr) im Vertrag festgelegt?
9.  Garantiebedingungen: Werden die Garantien für Panel (≥10 Jahre), Batterie (≥5 Jahre) und Leuchte (≥5 Jahre) separat aufgeführt?
10.  Eingereichtes TCO-Modell: Muss der Bieter im Rahmen des technischen Angebots ein 15-jähriges Lebenszykluskostenmodell einreichen?

Fazit

Wenn ein Projekt Straßenkorridore umfasst, die mehr als 300–500 Meter von einem bestehenden Netzanschlusspunkt entfernt sind, oder wenn die lokalen Stromtarife 0,10 $/kWh übersteigen und weiter steigen, bietet solare Straßenbeleuchtung in der Regel niedrigere Gesamtbetriebskosten über 15 Jahre als netzgekoppelte Alternativen – selbst unter Berücksichtigung des Batteriewechsels. Die höheren Investitionskosten für Solaranlagen amortisieren sich in der Regel innerhalb von 5–8 Jahren durch die eingesparten Energie- und Infrastrukturkosten.

Bei dicht bebauten Stadtprojekten mit bereits vorhandener Netzinfrastruktur ändert sich die Analyse: Netzgekoppelte Systeme können weiterhin Kostenvorteile bieten, und die Entscheidung sollte auf einem standortspezifischen TCO-Modell und nicht auf allgemeinen Faustregeln basieren. Das hier vorgestellte Rahmenwerk bietet eine replizierbare Methodik, die Beschaffungsmanager an lokale Gegebenheiten anpassen können.

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Referenzen

1. IRENA · Kosten der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien 2023 2024 · 2024queen.org
2. IEA · Weltenergieausblick 2023 · 2023 · iea.org
3. Weltbank ESMAP · Marktbericht zu netzunabhängigen Solaranlagen 2022 · 2022 · esmap.org
4. NASA POWER · Zugriffstool für Klimatologiedaten (Oberflächensolarstrahlung, PSH nach Standort) · power.larc.nasa.gov
5. PVGIS · Gemeinsame Forschungsstelle der Europäischen Kommission, Photovoltaik-Geographisches Informationssystem · re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools
6. IEEE / Akademische Referenzrichtlinien · Analyse der Zyklenlebensdauer von LiFePO₄-Batterien für stationäre und Outdoor-Anwendungen · Mehrere Studien, 2019–2022 (Google Scholar: „LiFePO4-Zyklenlebensdauer im Freien“)
7. IEC 62133 · Sicherheitsanforderungen für tragbare, versiegelte Sekundärzellen und Batterien · Internationale Elektrotechnische Kommission
8. IEC 61427Sekundärzellen und Batterien für Photovoltaik-Energiesysteme · Internationale Elektrotechnische Kommission
9. EN 13201 · Straßenbeleuchtungsnorm · Europäisches Komitee für Normung
10. IEC 60598 / IEC 60529 · Leuchtenkonstruktion und IP-Schutzartklassifizierung · Internationale Elektrotechnische Kommission