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01 Das Speichersystem Senec Home lässt sich zwischen dem Zweirichtungs- Energiezähler und dem Hausverteiler nachrüsten

Kleinsteuerungen in solaren Energiespeichern

02 Der kombinierte Lade-Wechselrichter von Studer ist mit unterschiedlichen Schnittstellen ausgestattet

03 Kernelement des Speichersystems ist die Kleinsteuerung ILC 171 ETH 2TX, in die bereits einige digitale Ein- und Ausgänge integriert sind

Die Strompreisentwicklung und die Förderstruktur für Photovoltaikstrom machen den Eigenverbrauch der Energie aus Photovoltaikanlagen lukrativ. Die Quote des selbst genutzten Photovoltaikstroms lässt sich durch das Verbraucherverhalten jedoch nur begrenzt erhöhen. Mehr Erfolg versprechen Speichersysteme, die sich mittels einer intelligenten Steuerung an die jeweilige Erzeugungs- und Verbrauchssituation anpassen. Als zentrales Element solcher Systeme eignen sich Kleinsteuerungen, wie das nachfolgende Beispiel zeigt.

Der Ausstieg aus der Kernenergie trifft in Deutschland auf einen breiten Konsens. Die daraus resultierende Entwicklung der Strompreise hat die Verbraucher jedoch spürbar verunsichert, sodass nach einem Weg gesucht werden muss, um Energie weiterhin bezahlbar zur Verfügung zu stellen. Regenerative Energien, wie Sonne und Wind, werden hier schon seit geraumer Zeit mit steigender Tendenz genutzt. Dies sicher auch deshalb, weil sie der Gesetzgeber in der Vergangenheit mit einer garantierten Einspeisevergütung gefördert hat. In der EEG-Fassung (Erneuerbare-Energien-Gesetz) von 2000 wurde beispielsweise eine Vergütung von 50 Ct/kWh über eine Laufzeit von 20 Jahren festgeschrieben. Dieser zugesagte Betrag ist mittlerweile in mehreren Schritten abgeschmolzen worden. Die aktuelle Photovoltaik-Novelle vom Juni 2012 regelt die derzeit gültigen Vergütungssätze, die in Abhängigkeit von der Anlagengröße und dem zu erwartenden Zubau Maximalbeträge definiert. Bei den momentan zu zahlenden Strompreisen, die sich für einen Privathaushalt auf durchschnittlich 25 Ct/kWh belaufen, wird deutlich, dass der Eigenverbrauch des gewonnenen Sonnenstroms wirtschaftlicher ist, als ihn an den Energieversorger zu verkaufen. Vor diesem Hintergrund hat die in Leipzig ansässige Deutsche Energieversorgung GmbH (DEV) das Speichersystem Senec Home entwickelt, welches unter der Marke Senec IES über den Großhandel vertrieben wird. Das AC-geführte System lässt sich zwischen dem Zweirichtungs- Energiezähler und dem Hausverteiler nachrüsten (Bild 1). Erzeugt die Solaranlage mehr Energie, als der Haushalt gerade benötigt, fungiert der Speicher als Verbraucher. Der Sonnenstrom kann später variabel verwendet oder in das öffentliche Netz eingespeist werden. Liefern die Solaranlage und die Batterie weniger als die abgerufene Energie, führt das Energiemanagementsystem Strom aus dem öffentlichen Netz zu. Durch den hohen Eigenverbrauchsanteil spart der Privathaushalt nicht nur Stromkosten, sondern verbessert auch die CO2-Bilanz.

Anspruchsvolle Regelungsaufgabe
Aufgrund der industriellen Erfahrungen, bei der die Blei- Säure-Technologie seit vielen Jahren in unzähligen Anwendungen zum Einsatz kommt, sowie der Verfügbarkeit und Recycling-Modalitäten hat sich die DEV für diese Speichervariante entschieden. Die problemlose Wartung der Batterie erlaubt zudem die sichere Nutzung selbst in Privathaushalten. Nach zehn Jahren Laufzeit werden die Akku-Zellen über ein einfaches Rücknahmesystem erneuert. Ein Leistungsmessgerät erfasst die Gesamtwirkleistung aller drei Phasen der Stromeinspeisung vom Netzversorger. Die Leistung entspricht dabei der Summe sämtlicher dahinter liegenden Stromerzeuger und -verbraucher. Durch die Regelung soll erreicht werden, dass möglichst keine Leistung aufgenommen wird. So lässt sich der Energiebezug aus dem Stromnetz erheblich verringern und gleichzeitig der Eigenverbrauch maximieren. In der Realität gestaltet sich die Optimierungsaufgabe allerdings anspruchsvoll, weil die Regelung von verschiedenen Faktoren abhängig ist. Dazu gehören unter anderem die Genauigkeit der Messung, die zeitliche Abtastung und Reaktionszeiten sowie schnell schwankende Verbrauchsleistungen. Es ist also eine gewisse Regelträgheit notwendig, um ein stabil arbeitendes System sicherzustellen. Dies wird durch die Tiefpass-Filterung des Signals erzielt.

Steuerung reagiert auf Sonnen- und Lastverhältnisse
In einem angenommenen optimierten Szenario wird eine gleichmäßig über alle Phasen verteilte Hauslast von 1,5 kW unterstellt. Gleichzeitig steht eine Photovoltaik-Leistung von 3 kW zur Verfügung. In Summe ergibt sich somit ein Überschuss, der zum Laden des Speichersystems verwendet wird. Der Privathaushalt speist folglich keinen Strom in das Netz ein; sein Eigenverbrauch liegt bei 100 %. Das Speichersystem ist so ausgelegt, dass die intelligente Steuerung automatisch auf mögliche Verhältnisse zwischen sonnenreichen und -armen Tagen sowie Hoch- oder Tieflasten reagiert, sodass die gewohnte Versorgungsqualität garantiert ist. Als Leistungsteil des Systems dient ein kombinierter Lade- Wechselrichter von Studer, der mit unterschiedlichen Schnittstellen ausgestattet ist (Bild 2). Über ein digitales Kommunikations-Interface werden die relevanten Konfigurationsparameter durch eine speicherprogrammierbare Steuerung eingestellt. Hierzu zählen Größen wie das Laden der Batterie (Ladestrom), eine Verbrauchernetzunterstützung (Boost-Strom), klassische Ladekennlinien für Blei- Batterien sowie ein Unterspannungsschutz. Außerdem wird der aktuelle Istzustand der Batterie in puncto Spannung, Lade-/Entladestrom sowie Netzspannung und -strom per Protokoll zurückgelesen.

Ethernet-Schnittstelle eröffnet Kommunikationsmöglichkeiten
Das Kernelement des Speichersystems bildet eine Kleinsteuerung ILC 171 ETH 2TX aus der modularen Produktfamilie der Inline Controller von Phoenix Contact (Bild 3). In die Steuerung sind bereits einige digitale Ein- und Ausgänge integriert. Als Bestandteil des Inline- Automatisierungsbaukastens kann sie zudem bei Bedarf um weitere Standard- und Funktionsmodule erweitert werden, die sich einfach anreihen lassen. So passt sich der Controller flexibel an die jeweiligen Applikationsanforderungen an. In der beschriebenen Konfiguration wird die eingebaute RS-232-Schnittstelle zum Datenaustausch mit dem Lade- Wechselrichter genutzt. Die Inline-Funktionsklemme vom Typ IB IL RS-485/422-PRO fungiert als Schnittstelle zu den Leistungsmessgeräten. Die Parametrierung und Programmierung der Kleinsteuerung erfolgt über das integrierte Ethernet-Interface mit der Automatisierungssoftware PC Worx gemäß IEC 61131-3.

Die Schnittstelle ermöglicht ferner eine parallele Kommunikation mit OPC-Servern sowie TCP/IP-fähigen Teilnehmern. Die Steuerungsfamilie der Inline Controller unterstützt darüber hinaus zahlreiche IT-Protokolle wie HTTP, FTP, SNTP, SNMP, SMTP sowie die Datenbank-Abfragesprachen SQL und „MySQL“. In die Geräte sind ein Webserver zur Visualisierung sowie ein FTP-Server und ein Flash-File-System eingebaut. Die kostenfrei angebotene Programmierumgebung PC Worx Express mit reduziertem Funktionsumfang erleichtert den Einstieg in die Steuerungswelt von Phoenix Contact. Die Ethernet-Schnittstelle wird in der beschriebenen Applikation zum Datenaustausch mit einem Portal im Internet verwendet, über das sowohl die Firmware wie auch Verbesserungen im Applikationsprogramm ausgerollt werden können. Über ein Energiemessgerät erfasst das Speichersystem dreiphasige Ströme und Spannungen im Wechselstromnetz. Phasenindividuell werden Effektivwerte der Ströme, Spannungen sowie Blind-, Wirk- und Scheinleistung ermittelt. Die Aktualisierung der Messung erfolgt etwa im Sekundentakt. Der Controller fragt die Daten dann über die integrierte RS-232-Schnittstelle und das Modbus-RTU-Protokoll ab und verarbeitet sie weiter.

Structured Text bietet Programmiervorteile
Das Logikprogramm des Energiespeichers ist zum größten Teil in der Programmiersprache ST (Structured Text) gemäß IEC 61131 erstellt worden, eine der fünf von PC Worx zur Verfügung gestellten Normsprachen. Die hochsprachenähnliche Syntax eröffnet insbesondere bei regelungstechnischen Anwendungen Programmiervorteile. Als Beispiel sei die Decodierung des Zustands der Leistungssumme in vorher festgelegte Grenzwerte genannt. Damit der ermittelte Wert von der Zustandsmaschine übernommen wird, muss er einige Sekunden unverändert vorliegen. Auf diese Weise lässt sich verhindern, dass das System bei Störungen oder Messfehlern unkontrolliert zwischen den Zuständen wechselt. Der decodierte Zustand Keep State bildet den Bereich der Hysterese. Zu den weiteren Funktionen, die das Applikationsprogramm des Energiespeichers unterstützt, gehören das Erkennen eines Netzausfalls, der Normal-/Bypass-Betrieb und manuelle Inselbetrieb, das Umschalten auf eine reduzierte Entladetiefe, die Sicherheitsaufladung (Safety Charge), das Erkennen von Sommer- und Winterbetrieb sowie die Signalisierung der Betriebszustände über LED-Anzeigen.

Fazit
Mit dem Senec Home ist ein wirtschaftliches Speichersystem erhältlich, das den Herausforderungen der Energiewende – und hier speziell der Strompreisentwicklung – entgegenwirkt. Neben dem intelligenten Energiemanagement sorgt der Einsatz der besonders zyklenfesten und störungsanfälligen Blei-Flüssig-Technologie für hohe Effizienz. In der betrachteten Anlage setzen sich die Speicher aus mehreren in Reihe geschalteten Akku-Zellen zusammen, die eine Aufnahmekapazität von 16 kWh brutto haben. Durch den Tiefenentladeschutz, der die Lebensdauer des Speichersystems verbessert, können maximal 8 kWh Speicherleistung abgerufen werden. Mit dieser Strommenge lässt sich beispielsweise ein Ceran-Kochfeld zehn Stunden lang betreiben. (mh)

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Autor:
Dipl.-Ing. Volker Eichler ist in der Abteilung Technical Sales für die Phoenix Contact Deutschland GmbH in Blomberg tätig. volker.eichler@phoenixcontact.de