Für Besitzer von Photovoltaik-Anlagen wird in Deutschland die Option attraktiver, den erzeugten Stroms selbst zu verbrauchen, seitdem zum 1. Juli 2010 die Vergütung für selbst genutzten Solarstrom aktualisiert wurde. PV-Anlagen mit intelligenten Wechselrichtern und Batterien helfen, den Eigenverbrauch zu steigern sowie die eigene Versorgung abzusichern. Darüber hinaus entwickeln sie sich zu einem wichtigen Baustein von intelligenten Stromnetzen (Smart Grids): Sie lassen sich dafür einsetzen, Energie zeit- und bedarfsgerecht bereitzustellen sowie Stromnetze zu regeln und zu entlasten.
Der Eigenverbrauch von Solarstrom lässt sich mit den neuen Kombi-Systemen deutlich steigern, die Entwickler halten eine Erhöhung der Eigenverbrauchsquote auf über 70 Prozent für möglich. Das bedeutet zugleich eine Netzentlastung, speziell im Niederspannungsbereich. Die neuen Kombinationen von Wechselrichtern und Energiespeichern markieren das Ende der unidirektionalen Einspeisung von Solarstrom: Die neue, dezentrale Schalteinheit steuert die Energieflüsse und entscheidet über Lieferung, Speicherung, Eigenverbrauch oder Bezug von elektrischer Energie.
Dank Speichersystemen lässt sich der eigene Solarstrom auch nachts nutzen. Wenn das Stromnetz ausfällt, koppeln sich die neuen Kombi-Anlagen blitzschnell vom Netz ab. Dank der integrierten USV bleiben dann im Inselbetrieb die wichtigsten Verbraucher im Haus online und bilden ein solar- und batteriegestütztes Inselstromnetz. Sensible Systeme können mit den integrierten kleineren Speichern (2 – 5 kWh) weiter betrieben werden, energieintensive Geräte wie Elektroherd oder Waschmaschine zeigen der Anlage ihre Grenzen.
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.
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.
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.
Durch die Einführung von Speichersystemen lässt sich der Eigenverbrauch von PVStrom annähernd verdoppeln. Doch auch hier ist die Wirtschaftlichkeit der zentrale Faktor. Sie wird stark von der Lebensdauer sowie Zyklenfestigkeit der Batterie bestimmt. Entsprechend wichtig ist es, durch eine geeignete Batteriebetriebsführung die Zahl der erforderlichen Batteriewechsel möglichst niedrig zu halten.
Um einen rentablen Betrieb zu erreichen, arbeiten die Forscher daran, dauerhafte und kostengünstige Speichertechnologien zu entwickeln. Wegen der relativ großen Verluste bei den derzeit üblichen Bleibatterien und der hohen Kosten von Li-Ionen-Batterien ist es noch nicht wirtschaftlich, Speichersysteme ausschließlich zur weiteren Erhöhung des Eigenverbrauchs einzusetzen. Werden Blei-Akkus eingesetzt, bleiben gegenüber der direkten Nutzung oder Einspeisung noch knapp 3/4 des erzeugten Solarstroms verfügbar.
Werden die teureren Lithium-Batterien mit einem intelligenten Batterielademanagement kombiniert, wird ein wirtschaftlicher Betrieb möglich. So erreichen sie einen deutlich besseren Wirkungsgrad und höhere Zyklenfestigkeit: Während Blei-Akkus auf einen Wirkungsgrad von ca. 85 Prozent kommen, ergab ein zweijähriger Praxistest in Hausanlagen bei Li-Ionen-Akkus einen Wirkungsgrad von 95 Prozent bei einer voraussichtlichen Lebensdauer von 20 Jahren und 60 Prozent Entladetiefe pro Tag. Für die USV-Funktionalität allein sind Systeme mit modernen Bleibatterien bereits heute wirtschaftlich interessant – gerade auch im Vergleich zu USV-Systemen ohne PV-Unterstützung.
Quelle: BINE-Informationsdienst
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