Juli 2011

Intelligentes Konzept mit Zusatznutzen

Sichere Stromversorgung und maximierter Eigenverbrauch mit PV-gestützten Backup-Systemen

Den meisten Betreibern von Photovoltaikanlagen ist nicht klar, dass ihre Anlage bei Stromausfällen unverzüglich vom Netz getrennt wird. Damit steht der Solarstrom auch im eigenen Haus nicht mehr zur Verfügung – egal, wie stark die Sonneneinstrahlung ist.

Hintergrund ist die Sicherheitsnorm VDE 126.1.1: Sie fordert bei Ausfall des Netzes die sofortige Abschaltung einspeisender Wechselrichter, um Menschen, die am vermeintlich spannungslosen Netz arbeiten, nicht zu gefährden. Wer will, kann sich aber schon heute mit vertretbarem Aufwand gegen Stromausfälle schützen – und zwar rund um die Uhr: SMA bietet ein vorkonfiguriertes und entsprechend einfach zu installierendes Komplettsystem an, mit dem sich PV-Anlagen um einen Batterie-Wechselrichter mit angeschlossenem Speicher ergänzen lassen.

Sinnvolle Kombination

Abb. 1: Solarstrom auch bei Netzausfall: das Sunny Backup-System von SMA

Der besondere Charme dieses Backup-Konzeptes: Fällt das Versorgungsnetz aus, kommt der Strom nicht nur aus der Batterie, sondern – je nach Einstrahlungsverhältnissen – auch von der PV-Anlage. Dadurch kann die Batterie kleiner dimensioniert werden, was nicht nur Platz, sondern auch Kosten spart. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass hiermit künftig auch der seit 2009 geförderte Eigenverbrauch von Solarstrom unterstützt werden kann. Denn mithilfe von Speichersystemen ist es möglich, den Verbrauchszeitpunkt des Solarstroms frei zu wählen – unabhängig vom Zeitpunkt der Erzeugung. Der mengenmäßige Anteil des im Haushalt selbst genutzten Solarstroms lässt sich auf diese Weise deutlich erhöhen.

Breites Produktspektrum

Die Backup-Systeme werden von SMA in vier unterschiedlich leistungsstarken Komplettpaketen angeboten, den Sunny Backup Sets S, M, L und XL. Die S-Variante wurde speziell für den unteren Leistungsbereich entwickelt und eignet sich für kleinere Hausdachanlagen bis etwa 5 kWp (Abb. 1). Der Begriff „Set“ ist dabei wörtlich zu nehmen: Es handelt sich um ein vorkonfiguriertes und optimal abgestimmtes Paket, das alle notwendigen Komponenten einschließlich Batterien und Verkabelung enthält. Die maximale Leistung des Batterie-Wechselrichters, mit der Stromverbraucher batteriegestützt betrieben werden können, beträgt für das Set S bis zu 2.200 Watt im Dauerbetrieb. Im Gegensatz zu vielen anderen Batterie-Wechselrichtern ist der hierbei verwendete Sunny Backup 2200 aber kurzzeitig wesentlich stärker belastbar: 30 Minuten lang leistet er 2.900 Watt, für eine Minute sogar 3.800 Watt und somit fast das Doppelte der Nennleistung. Positiv ist auch, dass sich bestehende PV-Anlagen jederzeit mit einem Backup- System ergänzen lassen, sofern PV-Wechselrichter von SMA im Einsatz sind. Und dass der hervorragende Systemwirkungsgrad der PV-Anlage auch mit Backup-System vollständig erhalten bleibt.

Vier Kernkomponenten

Eine um das Sunny Backup Set S erweiterte PV-Anlage ist im Wesentlichen aus vier Komponenten aufgebaut: Dem Batterie-Wechselrichter Sunny Backup 2200, der Automatic Switch Box S, dem Batteriesatz und natürlich dem jeweiligen PV-Wechselrichter. Der Batterie-Wechselrichter hat dabei mehrere Aufgaben: Er überwacht die Batterie, wandelt bei Bedarf Batteriestrom in Wechselstrom für das Hausnetz und ist als Netzbildner verantwortlich für dessen Spannung, Frequenz und Phasenverschiebung, falls das öffentliche Netz ausfällt. In der Automatic Switch Box S laufen alle AC-Leitungen zusammen. Außerdem befindet sich hier das Relais, das den PV-Strom bei ausgelöster Freischaltstelle direkt ins Hausnetz leitet. Die Batterie dient als Energiequelle im Falle eines Netzfehlers, falls die aktuelle PV-Leistung dafür nicht ausreichen sollte. Ihre Kapazität ist ausgelegt für die Versorgung der wichtigsten Stromverbraucher während der Nachtstunden oder bei geringer PVLeistung. Nicht zuletzt muss auch der PV-Wechselrichter in das Backup-System eingebunden werden. Dazu wird seine Netzüberwachung in den Modus „Off-Grid“ geschaltet: Er ist nun toleranter gegenüber Abweichungen von Netzparametern – ein Zugeständnis an das empfindlichere Regelverhalten von Inselstromnetzen. Zusätzlich ist er jetzt in der Lage, seine Einspeiseleistung in Abhängigkeit von der (Insel-)Netzfrequenz selbstständig zu reduzieren. Damit wird ein Leistungsüberschuss verhindert, wenn bei vollgeladener Batterie im Haus weniger Energie benötigt wird, als der PV-Generator liefert.

Ausfallsichere Stromversorgung

Abbildung 2 zeigt den Aufbau einer PV-Anlage mit Backup-System und Zählerkonfiguration zur Eigenverbrauchserfassung, wie sie seit dem Inbetriebnahmejahr 2009 möglich und sinnvoll ist. Direkt hinter dem PV-Wechselrichter befindet sich der Erzeugungszähler, auf der Leitung zum öffentlichen Netz sitzen hintereinander ein Bezugs- und ein Einspeisezähler (beide werden in der Regel als Zweirichtungszähler zusammengefasst). Im Normalfall fließt der PV-Strom durch die AS-Box zu den Verbrauchern im Haus. Nur der Teil, der nicht unmittelbar verbraucht wird, geht über den Einspeisezähler ins Netz. Im umgekehrten Fall, wenn die Verbrauchslast die PV-Leistung übersteigt, wird die Differenz aus dem Netz bezogen. Bei einer Netzstörung trennt sich die Switch Box in maximal 50 Millisekunden vom Netz, gleichzeitig öffnet sich das entsprechende Relais im Batterie-Wechselrichter und das PV-Koppelrelais schließt sich (Abb. 3). Die Verbraucher im Haus werden nun je nach Angebot mit PV- und/oder Batteriestrom weiterversorgt, auf Wunsch werden beim Set M übrigens alle drei Phasen zusammengeschaltet. Als Netzbildner hält der Batterie-Wechselrichter Energieangebot und -nachfrage im Gleichgewicht, wobei die maximale Erzeugungsleistung durch die Summe aus aktueller PVLeistung und der Maximalleistung des Batterie-Wechselrichters vorgegeben ist. Im Haus verbrauchter PV-Strom wird übrigens auch jetzt noch durch die Zählerdifferenz erfasst und entsprechend vergütet: Da der Einspeisezähler stillsteht, entspricht der Eigenverbrauch direkt der PV-Erzeugung – egal, ob damit ein Verbraucher betrieben oder die Batterie nachgeladen wird.

Abb. 2: PV-Anlage mit Sunny Backup Set S bei Netzbetrieb

Steigerung des Eigenverbrauchs durch Lastverschiebung

Eine speichergestützte PV-Anlage bietet zusätzlich zur Backup-Funktion auch die Möglichkeit, durch Lastverschiebung die Eigenverbrauchsquote zu steigern. Als Eigenverbrauch gemäß §33 EEG bezeichnet man die Menge der PV-Energie, die unmittelbar am Ort der Erzeugung verbraucht wird. Die Eigenverbrauchsquote entspricht dann dem Anteil des Eigenverbrauchs an der insgesamt erzeugten PV- Energiemenge. Die erzielbare Eigenverbrauchsquote hängt dabei hauptsächlich von zwei Faktoren ab: einerseits dem mengenmäßigen Verhältnis von Erzeugung und Verbrauch, andererseits von ihrer zeitlichen Korrelation. Hierzu zwei Beispiele: Bei einer Jahresproduktion von 40.000 kWh und einem haushaltsüblichen Bedarf von 4.000 kWh kann die Eigenverbrauchsquote unabhängig von der Korrelation niemals 10 Prozent übersteigen. Sind Erzeugung und Verbrauch dagegen gleich groß, finden aber zu völlig unterschiedlichen Zeiten statt, liegt die Eigenverbrauchsquote dennoch bei null. Genau an diesem Punkt kann ein Batteriesystem helfen: Anfallende PV-Energie, die nicht unmittelbar verbraucht werden kann, lässt sich stattdessen in der Batterie zwischenspeichern. Zu einem späteren, selbst gewählten Zeitpunkt, kann die gespeicherte PV-Energie dann problemlos genutzt werden. Nach Analysen von SMA beträgt die „natürliche“ Eigenverbrauchsquote im Jahresschnitt rund 30 Prozent, wenn man einen Vier-Personen-Haushalt und eine PV-Anlage mit 5 kW Peakleistung voraussetzt. Durch den Einsatz eines Backup Set S könnte dieser Wert auf bis zu 55 Prozentpunkte erhöht werden.

Abb. 3: PV-Anlage mit Sunny Backup Set S bei Netzausfall

Komplexe Aufgabe: Energiemanagement

Die sinnvolle Nutzung der Speicherfunktion erfordert allerdings eine schnelle Erfassung und Auswertung aller Zählerstände, was „intelligente“ Stromzähler mit Datenausgang voraussetzt. Aus diesen Daten lassen sich zunächst die aktuellen Werte für Erzeugung, Verbrauch, Eigenverbrauch und Netzeinspeisung ermitteln. Darauf basierend muss dann eine Auswertungsinstanz entscheiden: Soll überschüssige Solar-Energie in der Batterie gespeichert werden oder ist es sinnvoller, sie ins Netz zu speisen? Kann bei geringer PV-Leistung die für die Verbraucher benötigte Energie der Batterie entnommen werden oder soll sie aus dem Netz bezogen werden? Natürlich sind hier fließende Übergänge denkbar. Und neben dem Ladezustand der Batterie könnten bei diesen Entscheidungen auch zeitvariable Stromtarife eine Rolle spielen – oder Prognosedaten für die PV-Erzeugung.

Kommende Produktlösung

Mit dem Sunny Home Manager hat SMA für Anfang 2012 eine Produktlösung für das Energiemanagement angekündigt, die auch in der Lage sein soll, das Sunny Backup-System einzubinden. Dieses ist schon mit seiner Grundfunktion der ausfallsicheren Stromversorgung für viele Betreiber attraktiv, zumal die Kosten für das komplette Sunny Backup Set nur etwas mehr als 20 Prozent einer typischen 5 kWp-Anlage betragen und somit vergleichsweise moderat sind. Ab  August 2011 ist aber auch eine modifizierte Version verfügbar: Mit einem zusätzlichen Zählerinterface und einer erweiterten Software kann das Sunny Backup-System auch selbständig die Eigenverbrauchsquote durch Zwischenspeicherung von Solarstrom steigern, indem es den Energieaustausch mit dem Netz möglichst auf null regelt. Damit ist der Einstieg in eine zukunftsorientierte Energieversorgung für nahezu jeden Anlagenbetreiber möglich.