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Wechselrichter in PV-Speichersystemen

Bild 1. Stromgestehungskosten aus PV liegen teilweise deutlich unter den Strombezugskosten

Bild 1. Stromgestehungskosten aus PV liegen teilweise deutlich unter den Strombezugskosten

Bild 2. Energieflüsse in einem Speichersystem: 1. PV-Generator zum Wechselrichter (PV-Strom), 2. Wechselrichter zum ­Verbraucher bzw. ins Netz (Einspeisestrom), 3. Wechselrichter zur Batterie (Ladestrom in die Batterie), 4. Batterie zum Wechselrichter (Entladestrom aus der Batterie) und 5. AC-Netz zum Wechselrichter (Ladestrom in die Batterie aus dem AC-Netz)

Bild 2. Energieflüsse in einem Speichersystem: 1. PV-Generator zum Wechselrichter (PV-Strom), 2. Wechselrichter zum ­Verbraucher bzw. ins Netz (Einspeisestrom), 3. Wechselrichter zur Batterie (Ladestrom in die Batterie), 4. Batterie zum Wechselrichter (Entladestrom aus der Batterie) und 5. AC-Netz zum Wechselrichter (Ladestrom in die Batterie aus dem AC-Netz)

Bild 3. Beispiel für eine Multi-Flow-Betriebsart: Gleichzeitige Versorgung des Haushalts über PV und Batterie

Bild 3. Beispiel für eine Multi-Flow-Betriebsart: Gleichzeitige Versorgung des Haushalts über PV und Batterie

Die Anforderungen an einen Wechselrichter in einem Speichersystem sind, verglichen mit einer konventionellen PV-Anlage ohne Speicher, um ein Vielfaches höher. Er soll alle erdenklichen Energieflüsse intelligent steuern und so den Eigenverbrauch maximieren. Damit keine Energie verloren geht und höchste Energieeffizienz gewährleistet werden kann, ist es nötig, dass sämtliche Energieflüsse auch gleichzeitig erfolgen können. Mit dem Fronius Energy Package und der Multi Flow Technology werden die hohen Anforderungen an die benötigte Regelungstechnik erfüllt.

Gestiegene Strompreise und fallende Kosten für Photovoltaik-(PV-)Anlagen haben in den letzten Jahren dazu geführt, dass die Stromgestehungskosten aus PV teilweise deutlich unter den Strombezugskosten liegen (Bild 1). Parallel dazu sinken die Einspeisevergütungen kontinuierlich und es wird immer attraktiver, den produzierten Strom selbst zu verbrauchen, anstatt ihn ins Netz einzuspeisen. Um diesen sogenannten Eigenverbrauch zu ­maximieren, werden, neben Energiemanagementlösungen, immer öfter auch elektrische Speicher eingesetzt.
Diese PV-Speichersysteme verlangen von den eingesetzten Wechselrichtern komplexere Regelungen und Stromflüsse als das bislang der Fall war. Verstärkt wird diese Tatsache auch dadurch, dass mit dem Einsatz von Speichern nicht nur die Eigenverbrauchsmaximierung, sondern auch Zusatzfunktionen ein Thema werden. Diese sind zum Beispiel ­eine optimierte Reaktion auf last- und/oder zeitabhängige Stromtarife eine Verbesserung der Netzqualität (zum Beispiel Spannungshaltung) sowie eine Notstromfunktion bei Netzausfall.
Nachfolgend wird dargestellt, welche Auswirkungen diese Anwendungen auf die technischen Anforderungen des Wechselrichters haben und wie die Fronius-Symo-Hybrid-Serie diesen Anforderungen gerecht wird.

Energieflüsse im Speichersystem
In vollem Umfang lässt sich ein PV-Speichersystem durch die folgenden fünf Lastflüsse charakterisieren (Bild 2):
1. PV-Generator zum Wechselrichter: PV-Strom,
2. Wechselrichter zum Verbraucher bzw. ins Netz: Einspeisestrom,
3. Wechselrichter zur Batterie: Ladestrom in die Batterie,
4. Batterie zum Wechselrichter: Entladestrom aus der ­Batterie,
5. AC-Netz zum Wechselrichter: Ladestrom in die Batterie aus dem AC-Netz.
Die ersten beiden Energieflüsse charakterisieren eine ­PV-Anlage ohne Speicher. Speichersysteme müssen zusätzlich noch die Energieflüsse 3 und 4 beherrschen um die Batterie zu laden bzw. zu entladen.
Energiefluss 5 – das Laden der Batterie aus dem AC-Netz – ist für die Grundfunktion eines Speichersystems nicht unbedingt notwendig, weshalb dieser Betriebs­modus auch nicht von allen Speicherwechselrichtern ­unterstützt wird. Jedoch ermöglicht dieser Betrieb zahlreiche zusätzliche Anwendungen, die teilweise bereits heute, vor allem aber in Zukunft, an Bedeutung gewinnen werden wie die nachfolgenden Beispiele zeigen.

AC-Ladefunktion
Wenngleich die AC-Ladefunktion für die Eigenverbrauchsoptimierung keine unmittelbare Relevanz hat, so ergeben sich bei näherer Betrachtung eine Vielzahl an Anwendungen, die nur durch die AC-Ladefunktion ­möglich werden. Laden über AC kann entweder aus Energiequellen im privaten (Haus-)Netz oder aus dem Netz der allgemeinen Versorgung erfolgen (Netzbezug). Beispiele für Anwendungsfälle der AC-Ladefunktion resultieren aus den Blickwinkeln der drei folgenden Stakeholdergruppen.

AC-Ladefunktion aus der Sicht des Anlagenbetreibers
Kleine Blockheizkraftwerke (Mikro-BHKW) oder auch Windanlagen mit kleinen Leistungen werden mit einer stetig wachsenden Bandbreite am Markt angeboten. Diese Anlagen stellen elektrische Energie auch dann zur Verfügung, wenn die PV-Anlage wenig Ertrag bringt (Winter) und der PV-Speicher kaum ausgelastet ist. Über die AC-Ladefunktion kann so überschüssiger Strom aus diesen komplementären (lokalen) Quellen im PV-Speicher zwischengespeichert werden und zu späteren Zeitpunkten wieder abgerufen werden.
Die Möglichkeit der AC-Kopplung ermöglicht zudem auch die einfache Nachrüstung eines Speichers in bestehende PV-Anlagen. Sollte über einen längeren Zeitraum keine bzw. sehr wenig PV-Energie zur Verfügung stehen (defekte PV-Module, schneebedeckter PV-Generator), ist es mittels AC-Ladung möglich, den Speicher vor Tiefentladung zu schützen und damit eine frühzeitige Alterung der Batterie zu verhindern.
Viele PV-Speichersysteme werden so ausgestattet, dass im Falle eines Netzausfalls eine Notstromversorgung des Objekts weiterhin möglich ist. Durch die AC-Ladung kann unabhängig von den Einstrahlungsverhältnissen dafür gesorgt werden, dass der Speicher immer eine gewisse Mindestladung aufweist. Zudem kann der Speicher so bei angekündigten Netzabschaltungen noch rechtzeitig vollgeladen werden.

AC-Ladefunktion aus der Sicht der Strommarktakteure
Mit der Einführung von intelligenten Stromzählern (Smart Meter) gehen innovative Stromanbieter dazu über, ihren Kunden zeitabhängige Stromtarife anzubieten. Vor allem in einstrahlungsschwachen Zeiten wäre es damit möglich, zu Niedrigpreiszeiten den Speicher aus dem Netz zu laden, um den Haushalt zu Hochpreiszeiten aus dem Speicher zu versorgen.
Die Strommärkte und damit die Strommarktakteure ­haben die Aufgabe, Angebot (Erzeugung) und Nachfrage (Verbrauch) vor dem Lieferzeitpunkt möglichst genau aufeinander abzustimmen. Da vor allem Wind und PV in ihrer Erzeugung Schwankungen des natürlichen Dargebots unterliegen, sind zu ihrer Marktintegration neben guten Prognosewerkzeugen auch disponible Flexibilitätsoptionen unerlässlich. Dezentrale Batteriespeicher sind eine dieser Flexibilitätsoptionen.

AC-Ladefunktion aus der Sicht der Netzbetreiber
Durch die zunehmende PV-Dichte in den Netzen steigen die Anforderungen an PV-Anlagen sich an der Erbringung von Netzdienstleistungen zu beteiligen. Mit dem Einsatz von Speichern steigen die Möglichkeiten von PV-Anlagen einen wesentlichen Beitrag zur Spannungs- und Frequenzhaltung zu leisten. Eine AC-Ladefunktion, die im Bedarfsfall nach bestimmten Regelungsmechanismen Energie in den Speicher aufnimmt, kann die Netzdienlichkeit von PV-Anlagen mit Batterie erhöhen.
Die Unvollkommenheit der Strommärkte (Erzeugung und Verbrauch zum Lieferzeitpunkt nicht im Gleichgewicht) gleichen die Übertragungsnetzbetreiber im Verbundnetz durch den Abruf von Regelleistung aus. Die Beschaffung der Regelleistung erfolgt marktbasiert. Ähnlich wie bei der Nutzung von Flexibilität durch die Strommarktakteure, stellt der dezentrale Batteriespeicher auch eine Flexibilitätsoption für die Regelleistungsbeschaffung dar.

Die Multi Flow Technology
Die beschriebenen Energieflüsse sind für einen optimalen Betrieb von PV-Speichersystemen notwendig, wobei es nicht nur darauf ankommt, dass ein Wechselrichter diese Betriebsmodi beherrscht, sondern auch relevant ist, ob diese Ströme parallel (gleichzeitig) fließen können (Bild 3).
Die in der Fronius-Symo-Hybrid-Serie eingesetzte Multi Flow Technology beschreibt diesen umfassenden Ansatz der Energieflusssteuerung, mit der der Wechselrichter zum intelligenten Knotenpunkt sämtlicher Stromflüsse wird. Die nachfolgenden Beispiele sollen die Vorteile der Multi Flow Technology illustrieren und den Unterschied zu einem Speichersystem ohne diese Technologie verdeutlichen.

  • Gleichzeitige Versorgung des Haushalts über PV und Batterie: Um den Energiebedarf des Haushalts zu decken, wird die Leistung der PV-Anlage genutzt und gleichzeitig der fehlende Anteil von der Batterie bezogen. Ohne Multi Flow Technology, das heißt, wenn diese Energieflüsse nicht parallel möglich wären, könnte entweder der Verbrauch im Haushalt nicht zu 100 % aus PV-Strom gedeckt werden, obwohl Energie in der Batterie verfügbar wäre, oder aber die PV-Anlage müsste abgeschaltet werden, wodurch Energie verloren geht.
  • Laden der Batterie und Versorgung des Haushalts mit PV: Übersteigt die Leistung der PV-Anlage den Verbrauch des Haushalts, wird die überschüssige Energie in der Batterie gespeichert. Erst wenn der Ladezustand der Batterie 100 % erreicht, wird die überschüssige Energie ins Netz eingespeist. Ohne Multi Flow Technology müsste der Wechselrichter abregeln, wodurch die überschüssige Energie verloren geht.
  • Gleichzeitige Versorgung des Haushalts und Laden der Batterie durch PV und einen weiteren Energieerzeugern: Um den Energiebedarf des Haushalts zu decken, wird die Leistung der PV-Anlage und die Leistung der weiteren Energieerzeuger (zum Beispiel kleiner Windgenerator oder BHKW) genutzt und gleichzeitig die überschüssige Energie in die Batterie geladen. Damit kann auch im Winter ein hoher Autarkiegrad erreicht werden. Bei Systemen ohne Multi Flow Technology kann die Energie anderer Energieerzeuger nicht in der Batterie zwischengespeichert werden.
  • Deckung des Verbrauchs durch PV und Batterie im Notstrombetrieb: Im Notstrombetrieb kann der Verbrauch im Haushalt gleichzeitig von der PV-Anlage und der Batterie gedeckt werden. Zudem kann der Notstrombetrieb auch dann noch fortgesetzt werden, wenn die Batterie bereits entladen ist – sofern die Leistung der PV-Anlage größer ist als der Verbrauch im Haushalt. Bei Systemen ohne Multi Flow Technology kann die Energie der PV-Anlage im Notstrombetrieb oftmals nicht genutzt werden und geht somit verloren. (mh)

Franz Breitwieser ist als ­Produktmanager für die Fronius International GmbH in Pettenbach/Österreich tätig. breitwieser.franz@fronius.com

Franz Breitwieser ist als ­Produktmanager für die Fronius International GmbH in Pettenbach/Österreich tätig. breitwieser.franz@fronius.com