Mai 2009

SMA Systemtechnik für das Stromnetz der Zukunft

Die Energieversorgung der Zukunft braucht innovative Systemtechnik, denn nur damit lässt sich das Netz- und Lastmanagement für alle Netzebenen gewährleisten. SMA bietet dazu schon heute erprobte Lösungen.

Das Ziel der European Photovoltaic Industry Association (EPIA) ist ambitioniert: Im Jahr 2020 sollen zwölf Prozent des europäischen Strombedarfes durch Photovoltaik erzeugt werden, aktuell ist es etwa ein Prozent. Diesem Ziel liegt die von der EPIA beauftragte Studie „SET for 2020“ zugrunde, die ein Szenario des Paradigmenwechsels in der Energieversorgung untersucht. Klares Ergebnis: Bei kontinuierlicher Kostensenkung und Effizienzsteigerung ist ein Anteil von 12 Prozent am europäischen Energiemix keineswegs utopisch und zudem volkswirtschaftlich profitabel.
Bezogen auf Deutschland bedeutet dieses Ziel ebenfalls eine deutliche Steigerung der installierten PV-Leistung: Von aktuell rund 5,5 Gigawatt müsste sie auf etwa 80 Gigawatt in 2020 anwachsen. Mit seiner Studie zur Netzintegration von bis zu 50 Gigawatt PV-Leistung hat das Institut für Solare Energieversorgungstechnik (ISET) klar nachgewiesen, dass eine hervorragende Korrelation zwischen PV-Leistung und Netzlast besteht: Verbrauch und Erzeugung stimmen zeitlich so gut überein, dass Solarstrom in diesem Maßstab ohne weitere Maßnahmen eingespeist werden kann.

Bild 1: Beispiel für einen Lastgang in Deutschland mit 50 Gigawatt installierter PV-Leistung (Quelle: ISET)

Paradigmenwechsel erforderlich

Für die Netzintegration von 80 Gigawatt PV-Leistung ist jedoch ein Paradigmenwechsel erforderlich: Verbraucher, Erzeuger und das Netz müssen künftig zu einem intelligenten Energieversorgungssystem verbunden werden. Erzeugung findet künftig zunehmend dezentral und auf sämtlichen Spannungsebenen statt – und erfordert ein Ebenen übergreifendes Netzmanagement. Da auch 2020 die meisten PV-Anlagen in das Niederspannungsnetz einspeisen werden, sind die dortigen Bedingungen besonders zu berücksichtigen. Die aktuell diskutierte Niederspannungsrichtlinie[1] könnte nach inhaltlicher und technischer Überarbeitung ein erster Schritt in diese Richtung sein. Doch auch das so genannte Lastmanagement ist eine Voraussetzung für das EPIA-Szenario, sei es durch erzeugungsabhängigen Verbrauch oder die Nutzung moderner Speichertechnologien.

[1]Richtlinie für den Parallelbetrieb von Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz

SMA bietet Lösungen für künftige Anforderungen

An dieser Stelle lohnt sich ein genauerer Blick auf die Anforderungen der künftigen Energieversorgung – und die vielfältigen Möglichkeiten der SMA Systemtechnik. Denn SMA bietet für diese Anforderungen schon heute innovative Lösungen: So ist SMA als Technologieführer auf dem Gebiet der sicheren Stromversorgung für Inselsysteme mit der schnellen und präzisen Regelung von Wechselstromnetzen seit Jahren vertraut. SMA war auch maßgeblich beteiligt an der Anpassung der neuen BDEW-Mittelspannungsrichtlinie an die Belange der Photovoltaik und erfüllt mit den neuen Sunny Central 400/500/630HE schon jetzt Anforderungen, die erst Mitte 2010 verbindlich werden.
Und das innovative Backup-System von SMA sorgt nicht nur für 100-prozentige Versorgungssicherheit, sondern verfügt gleichzeitig auch über Funktionen zum Netz- und Lastmanagement.

1. Netzmanagement auf Niederspannungsebene

Mit Hilfe der Blindleistung wird zum einen die Netzspannung stabilisiert, andererseits geht es um den Ausgleich bereits vorhandener Phasenverschiebungen am Netzanschlusspunkt. Durch die Blindleistungskompensation wird die Netzinfrastruktur entlastet – eine wichtige Aufgabe im oftmals stark beanspruchten Niederspannungsnetz. Die Einspeisung induktiver Blindleistung kann aber auch genutzt werden, um die Spannung im Niederspannungsnetz zu senken.
Hintergrund: Aufgrund des eher ohmschen Widerstandes führt die Einspeisung von Wirkleistung in das Niederspannungsnetz zu einem Spannungsanstieg. Die ohmsche Charakteristik verringert zwar auch den spannungssenkenden Einfluss der Blindleistung. Dennoch lassen sich immerhin 20 bis 50 Prozent des Anstiegs kompensieren, so dass insgesamt mehr PV-Wirkleistung eingespeist werden kann.
Die Einspeisung von Blindleistung mit einem Verschiebungsfaktor zwischen 0,9induktiv und 0,9kapazitiv steht bereits im Entwurf der Niederspannungsrichtlinie. Für die aktuellen SMA Wechselrichter stellt die technische Umsetzung kein Problem dar, einige Sunny Mini Central sowie der auf der Intersolar vorgestellte Sunny Tripower beherrschen bereits einen Verschiebungsfaktor von 0,8.

2. Mehr Sicherheit im Verbundnetz

Ein wichtiger Bestandteil der Netzregelung ist auch die kontinuierliche Balance von Energieerzeugung und –verbrauch, da das Netz selbst keine Energie speichern kann. Ein Leistungsausfall im lokalen Niederspannungsnetz wirkt sich zwar nicht merklich auf die Frequenz aus – im Verbundnetz als Ganzem ist die Frequenz aber die entscheidende Regelgröße: Jedes Ungleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch macht sich als Frequenzabweichung bemerkbar, die von den konventionellen Großkraftwerken ausgeglichen wird. Das europäische Verbundnetz UCTE hält dazu momentan drei Gigawatt Leistung als primäre Regelreserve bereit – genug, um den gleichzeitigen Ausfall von zwei großen Kernkraftwerken zu kompensieren.

Die im deutschen Niederspannungsnetz installierte PV-Leistung liegt aber heute schon bei mehr als vier Gigawatt, das EPIA-Szenario geht für 2020 von 40 Gigawatt allein im Niederspannungsnetz aus. Die gleichzeitige Abschaltung dieser PV-Leistung, etwa durch einen Fehler im Hochspannungsnetz, kann mit der primären Regelreserve also schon heute kaum noch aufgefangen werden. Dabei ist ein solcher Fehler durchaus vorstellbar: Trennt sich das Verbundnetz in mehrere Regelzonen, findet kein Lastausgleich mehr statt. Es entstehen Netzgebiete mit Über- beziehungsweise Unterfrequenz – nach den heutigen Vorschriften würden sich in beiden Fällen sämtliche PV-Anlagen schlagartig abschalten. 
Für die Versorgungssicherheit im Verbundnetz ist es daher unabdingbar, dass auch die im Niederspannungsnetz einspeisenden PV-Wechselrichter bei ansteigender Netzfrequenz ihre Einspeiseleistung reduzieren. Bei SMA wird diese Funktion nicht nur bei den aktuellen Zentral-Wechselrichtern genutzt, die damit den Anforderungen der Mittelspannungsrichtlinie entsprechen: In AC-gekoppelten Inselnetzsystemen von SMA wird die PV-Leistung schon seit Jahren über die Frequenz geregelt. Die entsprechende Funktion ist daher in nahezu allen Wechselrichtern implementiert und kann durch Änderung weniger Parameter an die Bedingungen des Verbundnetzes angepasst werden.

Bild 2: Abregelung von SMA Solar-Wechselrichtern in Inselnetzen. Diese Funktion kann bei Bedarf auch bei netzparallelen Wechselrichtern aktiviert werden

3. Netzentlastung durch Lastmanagement

Unabhängig davon, aus welchem Grund eine Abregelung von PV-Leistung erfolgt: Sie ist immer nur die zweitbeste Lösung, denn letztendlich bedeutet sie die Nichtnutzung wertvoller Energie. Die Alternativen: überschüssige Energie sinnvoll verbrauchen oder für die spätere Verwendung speichern.

SmartGrid – intelligente Laststeuerung

Künftig werden in diesem Zusammenhang Verfahren zur Lastverschiebung  eine immer wichtigere Rolle spielen. Denkbar sind intelligente Steuerungen, die auf der Verbraucherseite so genannte SmartGrids aufbauen: Sie schalten die verschiedenen Stromverbraucher abhängig vom Energieangebot ein oder aus und berücksichtigen dabei sowohl den Energiebedarf der jeweiligen Geräte als auch die prognostizierte Erzeugung. So wird die Waschmaschine automatisch zur Mittagszeit eingeschaltet oder der Gefrierschrank kühlt nur tagsüber herunter, um über Nacht die niedrige Temperatur zu speichern. Für die Beteiligung am Lastmanagement eignet sich damit jeder Verbraucher, der Speichermöglichkeiten bietet oder nicht an eine bestimmte Betriebszeit gebunden ist.

Bild 3: Mittlere Verbraucherleistung eines 4-Personen-Haushalts an einem Sommertag, überlagert mit der Tagesleistung einer 5 kWp-Solar-Anlage

Neue Direktverbrauchsregelung

Den Gedanken des sinnvollen Verbrauchs greift das novellierte Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) mit der neuen Direktverbrauchsregelung auf. Erstmals erlaubt und fördert es den Verbrauch von Solarstrom „in unmittelbarer Nähe der Anlage“. Denn Energie, die direkt im eigenen Haus verbraucht wird, entlastet das Netz und spart überflüssige Transportverluste. In dem Moment, wo die Solar-Anlage den nötigen Strom liefert, läuft z. B. die Spülmaschine de facto mit Sonnenenergie – der Bezug von Verbrauchsstrom über das Netz entfällt dabei ebenso wie die Einspeisung des erzeugten Solarstroms in das Netz.
Auch die Energieversorger interessieren sich zunehmend für das Lastmanagement: Über intelligente Stromzähler, so genannte „Smart Meter“, soll künftig ein finanzieller Anreiz zur Verbrauchssteuerung gegeben werden. Der Strompreis ist dann nicht mehr fix, sondern spiegelt Angebot und Nachfrage im Energienetz wieder. Zu einstrahlungsstarken und lastarmen Zeiten ergibt sich somit ein günstiger Energiepreis, der den Stromkunden (oder sein SmartGrid) zum Verbrauch motiviert. Dieser Mechanismus führt letztendlich zu einer Reduzierung der Lastschwankungen im Netz und entlastet damit die Netzinfrastruktur.
Momentan ist die Anwendung von Smart Metern meist noch auf eine transparente Verbrauchsüberwachung beschränkt. Es gibt aber bereits Geräte, die Lastprofile aufzeichnen, Energie zu unterschiedlichen Tarifen abrechnen und Verbrauchslasten steuern können.
Bezogen auf den Direktverbrauch von Solarstrom zeigen Studien, dass sich durch entsprechende Anreiz- und Lastmanagementsysteme eine Direktverbrauchsquote von 30 bis 50 Prozent im Jahresmittel erzielen lässt – ein wichtiger Schritt für das Zukunftsszenario einer nachhaltigen Energieversorgung. Auch wenn sich der Direktverbrauch bei den aktuellen Strompreisen in der Regel noch nicht finanziell lohnt: SMA bietet mit den neuesten Sunny Boy-Wechselrichtern die Möglichkeit, über ein Multifunktionsrelais[2] Verbraucher zu aktivieren, sobald genügend PV-Leistung zur Verfügung steht.

[2] Dafür ist demnächst ein kostenloses Firmware-Update erhältlich

4. Sinnvolle Ergänzung: Zwischenspeicherung von Energie

Im Energie-Szenario der EPIA für 2020 wird die zeitliche Anpassung von Verbrauch und Erzeugung allein aber nicht ausreichen, um sämtliche Erzeugungsüberschüsse zu kompensieren. Denn sobald die installierte EEG-Erzeugerleistung größer ist als die minimale Verbrauchslast im Netz, kann die erzeugte Energie nicht zu jedem Zeitpunkt vollständig verbraucht werden. Doch auch die Infrastruktur des Niederspannungsnetzes ist ein limitierender Faktor, da sie lediglich für mittlere Leistungen von etwa einem Kilowatt pro angeschlossener Wohneinheit ausgelegt ist. Bei den angenommenen 40 Gigawatt PV-Leistung könnte es in einstrahlungsstarken und lastarmen Zeiten an seine Kapazitätsgrenzen stoßen.
Anstatt an dieser Stelle wiederum die Erzeugung abzuregeln, bietet sich als Ergänzung zum Lastmanagement die Zwischenspeicherung an. Sie lässt sich bereits mit der heutigen Technik problemlos umsetzen, ist leicht skalierbar, zuverlässig und erprobt. Durch die Zwischenspeicherung von Energie können schwankende Erzeugungsleistungen abgefedert werden – gleichzeitig ermöglicht sie einen kontinuierlichen Energieverbrauch unabhängig vom Zeitpunkt der Erzeugung. Voraussetzung für eine sinnvolle Speicherung ist jedoch, dass sie verbrauchs- und erzeugungsnah stattfindet, um das Netz tatsächlich zu entlasten. Außerdem sollten nur die Erzeugungsspitzen gespeichert werden, da jede Speicherung natürlich auch mit Kosten verbunden ist.
Bei Energie, die ansonsten durch Leistungsabregelung „verschenkt“ würde, lohnt sich die Speicherung übrigens schon heute: Sie kostet mit aktueller Batterietechnik lediglich 10 bis 20 Cent pro Kilowattstunde – das ist weniger, als der Bezugsstrompreis für Haushaltskunden. Und mit dem Sunny Backup-System bietet SMA auch hierfür eine erprobte Lösung.

Das Sunny Backup-System von SMA: Hightech für ein künftiges Netzmanagement

Die in verschiedenen Ausbaustufen erhältlichen Sunny Backup-Sets ermöglichen nicht nur die komfortable Speicherung von Solar-Energie. Auch die im Rahmen des Netz- und Lastmanagements gestellten Anforderungen lassen sich hiermit bestens erfüllen. Im Vordergrund stehen dabei drei Funktionen:

Erstens eine unterbrechungsfreie Energieversorgung, die beim Ausfall des Netzes innerhalb von Millisekunden auf solargestützte Batteriestromversorgung umschaltet und so den Betrieb wichtiger Verbraucher sicherstellt.
Zweitens die Möglichkeit, durch Zwischenspeicherung von PV-Energie deren Verbrauchszeitpunkt beliebig zu wählen. Mit Hilfe dieser Lastverschiebung kann die Direktverbrauchsquote noch einmal deutlich erhöht werden.
Drittens kann jedes Sunny Backup-System dem Netz wertvolle Regelenergie zur Verfügung stellen – und zwar positive wie negative. Limitierende Faktoren sind einzig die Batteriekapazität und die Leistung des Backup-Wechselrichters. Eine entsprechende Anzahl von Backup-Systemen könnte damit über das Niederspannungsnetz hinaus zur Wirkleistungs-/Frequenzregelung des Verbundnetzes beitragen – und das rund um die Uhr. Eine solche dezentrale Primär- und Sekundärregelung wäre ebenso kostengünstig wie zuverlässig – leider fehlt momentan noch der wirtschaftliche Anreiz dafür.

Bild 4: Das Sunny Backup-System von SMA bietet mehr als nur Versorgungssicherheit

Daneben sind die Sunny Backup-Sets von SMA zu weiteren Systemdienstleistungen fähig, die für das dezentrale Energieversorgungsnetz der Zukunft hoch interessant sind. Der Grund dafür ist naheliegend: Ein Backup-System muss bei Ausfall des Versorgungsnetzes ein voll funktionsfähiges Inselnetz aufbauen. Der Batterie-Wechselrichter übernimmt dabei die Funktion des Netzbildners und ist für Spannung, Frequenz, Verschiebungsfaktor, die Filterung von Oberschwingungen und die Einspeisung von Kurzschlussstrom verantwortlich. Wer das alles in einem vergleichsweise fragilen Inselnetz leistet, kann auch das Verbundnetz in hervorragender Weise unterstützen. Die Funktionen im Einzelnen:

Einspeisung von Kurzschlussstrom
Im Gegensatz zu „normalen“ netzgeführten Wechselrichtern können die Geräte bei Ausfall der Netzspannung Kurzschlussstrom einspeisen und damit das Netz auch im Fehlerfall stützen. Ein Sunny Backup 5000 liefert zum Beispiel den vierfachen Nennstrom als Kurzschlussstrom für 60 Millisekunden.

Blindleistungskompensation
Sunny Backup-Wechselrichter von SMA können beliebige Anteile von Blindleistung zur Verfügung stellen. Mit anderen Worten: Der Verschiebungsfaktor cos(φ) kann zwischen 0 und 1 liegen, selbst 100 Prozent Blindleistungseinspeisung sind möglich. Die Geräte können damit Blindleistung in Höhe ihrer Nennleistung kompensieren und so die Phasenverschiebung am Netzanschlusspunkt jederzeit auf 1 regeln (oder auf jeden anderen gewünschten Wert).

Aktive Filterung von Oberschwingungen
Bei Oberschwingungen handelt es sich, vereinfacht gesagt, um Abweichungen von der idealen Sinuskurve. Oberschwingungen im Stromnetz entstehen durch Verbraucher, die dem Netz einen nicht-sinusförmigen Strom entnehmen, wie einfache Gleichrichter (Ladegeräte, Computernetzteile etc.) oder die zunehmend verbreiteten Energiesparlampen. Oberschwingungen belasten das Netz, führen zu Energieverlusten und Geräteausfällen, da die Physik des Wechselstroms einen exakt sinusförmigen Verlauf von Strom und Spannung voraussetzt.
Sunny Backup-Wechselrichter von SMA sind in der Lage, vorhandene Oberschwingungen im Hausnetz zu erkennen und durch die Einspeisung eines gegenphasigen Korrekturstromes vollständig zu kompensieren. Das Niederspannungsnetz wird also nicht mehr durch zusätzliche Oberschwingungen belastet.

Fazit: Mit SMA Systemtechnik ist das EPIA-Szenario keine Utopie

Die Aufnahmefähigkeit des Niederspannungsnetzes ist ein wichtiges Kriterium beim Ausbau der PV-Leistung für die künftige Energieversorgung. Bereits heute findet ein Großteil der Erzeugung auf dieser Netzebene statt. Zur wirksamen Entlastung dieser Netzebene bietet SMA eine erprobte Lösung: Als netzgekoppelter Speicher ergänzt das innovative Backup-System sinnvolle Maßnahmen wie Direktverbrauch und Lastmanagement und bietet zusätzlich eine ausfallsichere Energieversorgung. Darüber hinaus ermöglichen die Sunny Backup-Wechselrichter von SMA wichtige Systemdienstleistungen für das Niederspannungsnetz wie Blindleistungsregelung, Einspeisung von Kurzschlussstrom oder die Filterung von Oberschwingungen.
 
Als führender Hersteller bei der praktischen Umsetzung der BDEW-Mittelspannungsrichtlinie unterstützt SMA auch die Beteiligung von PV-Wechselrichtern an einem abgestimmten Niederspannungsnetzmanagement. Neben der Einspeisung von Blindleistung ist dabei besonders die frequenzabhängige Leistungsregelung von netzgekoppelten Wechselrichtern dringend erforderlich. Denn die europaweit verfügbare Regelleistung könnte eine frequenzbedingte Abschaltung aller PV-Anlagen im Niederspannungsnetz bereits heute kaum noch auffangen. Nahezu alle SMA Wechselrichter sind für eine solche Frequenz-/Wirkleistungsregelung bereits vorbereitet, da sie zur Steuerung der Erzeugungsleistung in Inselnetzen seit Jahren erfolgreich eingesetzt werden.
Doch auch in diesem Punkt bieten netzgekoppelte Speichersysteme einen zusätzlichen Vorteil: Eine Vielzahl im Netz verteilter Sunny Backup-Sets könnte dem Verbundnetz als dezentraler Energiespeicher positive wie negative Regelleistung zur Verfügung stellen – und zwar unabhängig von der PV-Leistung, rund um die Uhr.
Die Einbindung anderer EEG-Erzeuger wie Windkraftanlagen oder Klein-BHKWs rundet schließlich das Szenario einer künftigen Energieversorgung auch hinsichtlich der jahreszeitlichen Verteilung ab. Das EPIA-Ziel stellt also keine Utopie dar, sondern kann Realität werden. Die Systemtechnik von SMA leistet hierzu einen wesentlichen Beitrag.