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Bild 1. Ein Ortsnetzspeicher in Fechheim macht den Ausbau des Ortnetzes trotz vieler Photovoltaikanlagen überflüssig

Leistungsmessung im Ortsnetzspeicher

Bild 2. Der Ortsnetzspeicher besteht neben den Batterien, die in einem zweiten Raum untergebracht sind, aus schnellen bidirektionalen Wechselrichtern und einem Schaltschrank mit der Mess- und Regeltechnik

Bild 3. Ein Wago-Controller vom Typ 750-880, der unter anderem mit einer Drei- Phasen-Leistungsmessklemme bestückt ist, regelt den Lade- und Entladevorgang der Batterien

Bild 4. Bleibatterien mit einer Gesamtkapazität von 236 kWh speichern tagsüber überschüssige Energie der Photovoltaik- Produktion

Die Energiewende erfordert grundlegende Änderungen in der Erzeugung und Verteilung von elektrischer Energie. Solar- und Windenergieanlagen sowie der Netzausbau sind dabei die am häufigsten diskutierten Themen. Die Speicherung elektrischer Energie auf lokaler oder regionaler Ebene ist ein weiterer wichtiger Baustein, der sogar einen Teil des Netzausbaus überflüssig machen könnte. Für seine Lösungen zur Energiespeicherung in Ortsnetzen setzt IBC Solar Controller und Leistungsmessklemmen von Wago ein.

Die alte Struktur der Energieerzeugung und -verteilung muss sich aufgrund der in Deutschland eingeleiteten Energiewende ändern. In diesem Zuge ist auch die Infrastruktur der Energieverteilnetze anzupassen. Beispielsweise zieht der Bau großer Offshore-Windparks hohe Investitionen in den Netzausbau nach sich, um die Energie in die Ballungsräume im Süden Deutschlands transportieren zu können. Kleine, dezentrale Photovoltaik- und Windenergieanlagen, die an vielen Standorten möglich sind, belasten dagegen die lokalen Verteilnetze stark.

Eigenverbrauch stärken
Maßnahmen zum Netzausbau sind zum Teil mit sehr hohen Kosten verbunden. Ideal ist es daher, wenn man die elektrische Energie direkt dort verbrauchen kann, wo sie erzeugt wird. Hier macht sich ein Nachteil von Photovoltaik- und Windenergieanlagen bemerkbar: Strom erzeugen diese nämlich nur, wenn die Sonne scheint beziehungsweise der Wind weht. Für die Photovoltaik bedeutet das, dass um die Mittagszeit am meisten Strom produziert wird. Der Bedarf an elektrischer Energie ist aber vor allem in Privathaushalten überwiegend abends vorhanden. Hinzu kommt, dass gerade in ländlichen Gebieten das Niederspannungsnetz in vielen Fällen relativ schwach ausgelegt ist. Die Einspeisung aus dem Ortsnetz zurück auf die Mittelspannungsebene ist dadurch oft nicht ohne Netzausbau möglich. Sind viele Photovoltaikanlagen in einem Ortsnetz in Betrieb, stößt das Netz bei maximaler Einspeisung schnell an seine Grenzen. Gerade zur Mittagszeit kann es zu einem erheblichen Spannungsanstieg kommen, der je nach Anschluss der PV-Anlagen auch noch unsymmetrisch über die drei Phasen verteilt ist. Eine sinnvolle Alternative zur Ruckspeisung in die Mittelspannungsebene und den Ausbau des Ortsnetzes ist der Einsatz eines lokalen Energiespeichers, der die überschüssige Energie in den Mittagsstunden aufnimmt (Bild 1). Abends oder bei bedecktem Himmel lässt sich die gespeicherte Energie dann wieder in das Ortsnetz einspeisen. Auf diese Weise wird der Netzausbau überflüssig, weil Lastspitzen im Netz gemindert werden können.

Ortsnetzspeicher als Pilotprojekt
In einem Pilotprojekt in dem zu Neustadt bei Coburg gehörenden Ortsteil Fechheim haben die SWN Stadtwerke Neustadt und der im Nachbarlandkreis ansässige Photovoltaikspezialist IBC Solar gemeinsam einen Energiespeicher in das Ortsnetz eingebunden. Zuvor wurde in einer Studie die Situation analysiert und ein Konzept für den Speicher entwickelt. Dabei legten die Partner wichtige Parameter, eine geeignete Betriebsstrategie sowie technische Voraussetzungen fest. Unter anderem wurde hier auch die Art und Dimensionierung der Batterien festgelegt. Der Ortsnetzspeicher, der dann im September 2012 in Betrieb ging, besteht aus speziellen Bleibatterien mit einer Gesamtkapazität von 236 kWh, bidirektionalen Wechselrichtern und einer umfangreichen Mess- und Regeltechnik (Bild 2). Zentrales Element der Mess- und Regeltechnik ist das I/O-System 750 von Wago. Der programmierbare Ethernet-Controller (750-880) (Bild 3) ist mit IO-Klemmen für die serielle Kommunikation mit den Wechselrichtern sowie einer Drei-Phasen-Leistungsmessklemme (750-494) ausgestattet. Diese misst sowohl die Spannungen als auch die Ströme auf allen drei Phasen und lässt sich damit ideal in einem Energieverteilnetz einsetzen.
„Die Betriebsstrategie des Ortsnetzspeichers basiert letztendlich darauf, dass wir die Spannung auf einem gewissen voreingestellten Wert regeln, den wir gemeinsam mit den Stadtwerken festgelegt haben“, erläutert Marco Siller, der das Projekt bei IBC Solar verantwortet. Dazu muss man natürlich die genauen Spannungen im Niederspannungsnetz kennen. Steigt die Spannung zu stark an, so werden die Batterien des Speichers geladen. Dies passiert je nach Sonneneinstrahlung zwischen Vormittag und frühem Nachmittag, wenn die Photovoltaikanlagen mehr Energie produzieren, als im Ortsnetz verbraucht wird. Wenn in den Abendstunden die Photovoltaikanlagen nicht mehr einspeisen, geben die Batterien die gespeicherte Energie wieder in das Ortsnetz ab (Bild 4).

Regelung optimieren
Während der Pilotphase arbeiteten die Spezialisten bei IBC Solar unter anderem daran, die Regelung zu optimieren. „Die bidirektionalen Wechselrichter, die wir einsetzen, können sehr schnell reagieren, wenn beispielsweise durch Wolken die Photovoltaik-Produktion absinkt“, sagt M. Siller: „Die Wechselrichter können viel mehr leisten, als die Norm zur Spannungserhaltung vorsieht. Im Normalbetrieb brauchen wir das aber nicht immer auszuschöpfen.“ Eine etwas langsamere Regelung schont die Batterien. Deren Entladetiefe ist auf 50 % begrenzt. Damit lassen sich insgesamt 2.700 Lade-Entlade-Zyklen erreichen. Bei den verwendeten Bleibatterien ist der Elektrolyt in Form eines Gels festgelegt, wodurch sie wartungsfrei sind. Insgesamt ergibt sich eine Mindestbetriebsdauer der Batterien von zehn Jahren. Der Regelalgorithmus, der auf dem Wago-Controller läuft, wurde in Codesys programmiert. Dabei kommt außerdem die Webvisualisierung zum Einsatz, die standardmäßig in den Controllern integriert ist. Über die Ethernet-Schnittstelle ist ein Fernzugriff auf die Visualisierung möglich. „Dadurch können wir den aktuellen Zustand des Speichers – beispielsweise den Ladezustand der Batterien – überprüfen, ohne vor Ort sein zu müssen“, erklärt M. Siller. Auch die Regelparameter lassen sich über die Fernwartungsfunktion verändern, was vor allem während der Optimierungsphase sehr wichtig war, in der viele Erfahrungen mit dem Betrieb des Ortsnetzspeichers gesammelt wurden.

Vertrauen in Standardkomponenten
Beim Aufbau des Speichers setzte IBC Solar ausschließlich auf Standardkomponenten, da im Servicefall eine schnelle Austauschbarkeit gewährleistet sein muss. Dass ein Controller von Wago zum Einsatz kommt, hängt unter anderem damit zusammen, dass er universell einsetzbar ist. „Die verschiedenen Energieversorger setzen teilweise unterschiedliche Bussysteme und Schnittstellen ein, um mit den Leitwarten zu kommunizieren“, so M. Siller. In Fechheim verwenden die SWN Stadtwerke Neustadt beispielsweise Modbus/TCP. Die Controller sind aber auch mit beliebigen anderen Schnittstellen lieferbar. Bei IBC Solar ist man so auf der sicheren Seite, dass die Architektur des Ortsnetzspeichers problemlos überall einsetzbar ist. Inzwischen ist der Ortsnetzspeicher bereits seit über einem Jahr reibungslos im Einsatz. „Gerade zu Beginn des Projekts haben wir sehr viel Unterstützung von Wago bei der Softwareentwicklung erhalten“, erinnert sich M. Siller. „Inzwischen übernehmen unsere Programmierer das größtenteils selbst.“ Während der Pilotphase hat man die Regelung so weit optimiert, dass heute ein Automatikbetrieb möglich ist. Der Speicher lädt und entlädt je nach eingespeister Energie vollautomatisch die Batterien und sorgt so für eine Stabilisierung der Spannungen im Niederspannungsnetz. Ein klassischer Netzausbau, der sonst wahrscheinlich notwendig geworden wäre, ist dadurch jetzt überflüssig. „Solche Ortsnetzspeicher sind ein wichtiger Baustein, um die Energiewende mit geringerem Netzausbau zu schaffen“, fasst M. Siller zusammen. (no)

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Autor:
Manuel Schmidt ist Market Manager Energie bei der Wago Kontakttechnik GmbH & Co. KG in Minden. manuel.schmidt@wago.com