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Abb. 2: Speichersysteme erhöhen den Energieverbrauch von PV-Strom.
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Abb. 3: Energiespeicherung im Smart Grid: Simulierter Tagesverlauf eines 4 Personen-Haushalts
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Abb. 4: Backup-System mit Batteriespeicher
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Abb. 5: Energiespeicherung bei erneuerbaren Energiesystemen
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Netzgekoppelte Selbstversorger

Ziel der Entwickler ist es, mit neuen Kombinationen von „intelligenten“ Wechselrichtern und Speichersystemen den Eigenverbrauch von Solarstrom deutlich zu steigern sowie die Versorgung abzusichern, insbesondere in Gebieten mit schwankender Netzqualität. Solche Anlagen werden mit Unterstützung des BMU entwickelt und erprobt. Eine ergänzt den Solarwechselrichter um einen speziellen Batterie-Wechselrichter mit einer AGM-Bleibatterie (Absorbent Glass Mat); sie ist als Backup-System bereits auf dem Markt. Die AGM-Zellen haben den Vorteil einer höheren Zyklenfestigkeit und sind wartungsfrei. Ein anderes System, das gerade in Deutschland und Frankreich erprobt wird, verbindet einen Solar- und Batterie-Wechselrichter mit einem Li-Ionen-Speicher.

Ein energiebewusster Vier-Personen-Haushalt in Deutschland kann seinen Jahresenergiebedarf annähernd mit einer 5-kWp-PV-Anlage decken. Mit einem Batterie- Pufferspeicher kann er seinen Eigenverbrauch maximieren (Abb. 2). Die Leistungsspitze der PV-Anlage am Mittag wird aufgefangen und die Energie kann dann abgerufen werden, wenn sie gebraucht wird. Die Fließrichtung der Energie wechselt nach Bedarf und Angebot: Überschüssiger Strom wird gespeichert oder ins Netz eingespeist – Strom wird bezogen, wenn die Batterie leer ist und die Anlage nicht genug liefert (Abb. 3).

Backup-System mit AGM-Batterien

Das eine System ergänzt eine handelsübliche Solar-Anlage um einen bidirektionalen Batteriewechselrichter, eine Umschalteinrichtung sowie die gewünschte Zahl AGMZellen. Bei einem Ausfall des öffentlichen Stromnetzes trennt die Umschalteinrichtung das Hausnetz vom öffentlichen Stromnetz, so dass der Solar-Wechselrichter in dieses Netz einspeisen kann. Der Batteriewechselrichter fungiert dabei als Netzbildner und hält Spannung, Frequenz und Phasenverschiebung auf dem jeweiligen Sollwert. Reicht die momentan verfügbare PV-Leistung zur Versorgung der Verbraucher nicht aus, stellt er die Differenz aus der Batterie zur Verfügung. Er speichert überschüssige PV-Energie in der Batterie und regelt auch den PV-Wechselrichter automatisch ab, wenn die Batterie vollgeladen ist. Das Systemkonzept mit separatem PV- und Batterie-Wechselrichter ermöglicht die Nachrüstung bestehender Anlagen.

Kombi-System im Praxistest

Insgesamt 60 netzgekoppelte PV-Systeme mit Lithium-Ionen Speichern werden in einem von Deutschland und Frankreich geförderten Projekt erprobt. Die Anlagen in Frankreich werden – insbesondere auch in Übersee – netzautark betrieben, die in Deutschland netzgekoppelt. Das bedeutet, die Hälfte arbeitet in einem starken, die andere Hälfte in einem schwachen Netzbereich, zu 80% in Haushalten, zu 20% in Gewerbebetrieben. Wichtige Betriebsdaten der installierten Systeme – insbesondere der Batterien – werden erfasst und ausgewertet. Ziel der Tests ist es, den Eigenverbrauch von PV-Energie zu optimieren und erneuerbare Energieträger besser in das Versorgungsnetz zu integrieren. Untersucht wird, wie leistungsfähig und wirtschaftlich die Anlagen arbeiten, welchen Effekt sie auf das Netz haben und wie sie zu einer effizienteren und zuverlässigeren Stromversorgung beitragen können. Auf Grundlage verschiedener Untersuchungen erwarten die Entwickler, dass ein wirtschaftlicher Betrieb möglich ist, dank der hohen Lebensdauer von Lithium-Ionen Akkus, verbunden mit einem angepassten, intelligenten Batterielademanagementsystem. In der Hausanlage sorgt ein Energiemanagementsystem für den optimalen Leistungsfluss zwischen Speicher, PV-Anlage und Haushaltslasten. Sie ist darauf ausgelegt, mit einen 5 kWp PV-Generator und einer Batterie mit 5–15 kWh Kapazität und 170–350 V Nennspannung einen bedeutenden Anteil des erzeugten Stroms selbst zu verbrauchen. Die Li-Ionen-Batterie soll eine Lebensdauer von 20 Jahren erreichen. Die im Praxistest eingesetzte Anlage (Abb. 5) kombiniert einen einphasigen String-Wechselrichter mit Steuersystem, Batterieladegerät und Batterie. Ein Laderegler gewährleistet bestmögliche Nutzung und Lebensdauer der Batterie. Neben dem Anschluss für die Einspeisung sichert ein zweiter Anschluss als „Backup-Line“ die Notversorgung im Inselbetrieb.

Multifunktionale Wechselrichter

Multifunktionale Wechselrichter verbinden nicht nur PV-Anlagen mit dem Netz. Sie können – kombiniert mit modernen Speichern – sowohl ins Netz einspeisen als auch bei einem Netzausfall ein Inselnetz aufbauen. Diese Anlagen wurden auf Basis einer bestehenden Technikplattform entwickelt: typische dezentrale Wechselrichter im Bereich einiger Kilowatt Leistung wurden durch Speicherelemente, neue Regelverfahren, zusätzliche Schalt- und Messeinrichtungen sowie Kommunikationsstrukturen erweitert. Dem Anlagenbetreiber bietet das neue Gerät zusätzlich zur Netzeinspeisung eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, gleichzeitig ermöglicht es einen höheren Eigenverbrauch. Der Netzbetreiber muss weniger in die Netze investieren, um sie an das wachsende regenerative Stromangebot anzupassen.

USV: Die Insel im Netz

Mit dem neuen System autark bei Netzausfall: Der Wechselrichter baut ein Inselnetz auf, wichtige elektrische Verbraucher wie z. B. Kommunikation, Beleuchtung, Heizungssteuerungen oder Kühlschränke werden weiter versorgt. Ein Wechselrichter mit USV-Eigenschaften muss zwei grundsätzlich verschiedene Regelungsarten beherrschen und möglichst unterbrechungsfrei zwischen beiden hin- und herschalten können. Normalfall ist der Netzparallelbetrieb; dann arbeitet der Wechselrichter als Stromquelle und speist die vom Solargenerator gelieferte Energie ins Stromnetz ein. Zusätzlich wird der Energiespeicher überwacht und bei Bedarf geladen. Das Gerät erfasst ständig die Netzparameter: bei Netzausfall trennt es die angeschlossenen Verbraucher verzögerungsfrei vom Netz und versorgt sie dann im Inselbetrieb. Im Inselbetrieb bilden Wechselrichter, Energiespeicher und angeschlossene Verbraucher ein eigenes Netz. Das System regelt Spannung und Frequenz; nicht benötigte PV-Energie wird in die Batterie mit einer Kapazität bis zu mehreren zehn kWh geladen. Ist das öffentliche Netz wieder verfügbar, wechselt es nach einer Synchronisationsphase wieder in den Netzparallelbetrieb.

Projektinfo 10/2010:
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