Ein zentrales Element für erfolgreiches Einspeisemanagement
Wechselrichter
MVV-Wechselrichter-Ratgeber
Seit geraumer Zeit hat sich die Photovoltaikanlage auf heimischen Dächern als Energielieferantin etabliert. Sie leistet einen wertvollen Beitrag zu einer nachhaltigeren und umweltschonenderen Lebensweise, denn sie beliefert den eigenen Haushalt oder Betrieb zuverlässig mit elektrischem Strom und senkt so die Energiekosten enorm.
Allerdings ist es mit den dunkel glänzenden Paneelen auf der Dachfläche noch lange nicht getan. Verschiedene weitere Komponenten sind nötig, um den gewonnenen Strom bestmöglich nutzbar zu machen. Allen voran steht hier der Wechselrichter. Er ist der Grundbaustein für ein erfolgreiches Einspeisemanagement.
Was genau ist ein Wechselrichter?
Ein Wechselrichter ist eine elektrische Komponente, die es ermöglicht, die Form der elektrischen Spannung umzuwandeln. Während ein Gleichrichter die Konvertierung von Wechselstrom in Gleichstrom vornimmt, erfolgt im Wechselrichter die Umwandlung von Gleichstrom in den gebräuchlichsten Strom rund um Haus und Garten, den Wechselstrom. Grundlegend für die Funktion des Wechselrichters ist die Halbleitertechnik. Sie kann aus dem eingehenden Gleichstrom mit minimalem Energieverlust Wechselstrom erzeugen. Moderne Komponenten erreichen dabei eine Effizienz von bis zu 99 Prozent. Je nach Ausführung und Steuerung des Wechselrichters lässt sich damit auch die Ausgabeleistung modulieren. So sind ein- oder mehrphasige Ausgangsströme vordefinierter Spannungen möglich.
Gleichstrom versus Wechselstrom
Die Module einer Photovoltaikanlage können aus der auftreffenden Sonnenstrahlung nur Gleichstrom erzeugen. Begründet liegt dies in der - eine gleichförmige Einstrahlung vorausgesetzt - ebenso gleichförmig erzeugten Spannung der einzelnen Einheiten. Das öffentliche Stromnetz und damit auch das Gros der Verbraucher nutzt dagegen Wechselstrom. Im Gegensatz zum Gleichstrom liegt hier kein gleichförmiger Stromfluss vor. Stattdessen wechselt die Fließrichtung des Stroms in der Leitung rund 50 Mal pro Sekunde. Mit dieser Spannungsform lassen sich Versorgungsnetze weit effizienter aufbauen und betreiben und auch Motoren und sonstige Verbraucher sind heute in aller Regel darauf ausgerichtet und optimiert. Der Wechselrichter ist also eine absolute Notwendigkeit, um den nachhaltig und umweltfreundlich erzeugten Strom tatsächlich nutzbar zu machen.
Der Wechselrichter in der Photovoltaikanlage - Funktionsweise und Besonderheiten
Ein Solarwechselrichter weist gegenüber anderen Wechselrichtern einige funktionale Besonderheiten auf. Dies liegt daran, dass der Wechselrichter verschiedene Anforderungen in Einklang bringen soll: Zunächst muss Gleich- und Wechselstrom umgewandelt werden. Das soll außerdem möglichst effizient geschehen, um die Energieausbeute der Solarmodule zu optimieren. Da der Strom aber in aller Regel vollständig oder zumindest anteilig in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird, muss der Ausgangsstrom so moduliert sein, dass er hinsichtlich Spannung, Frequenz und sonstigen Parametern mit dem "öffentlichen" Strom harmoniert. Andernfalls wäre die Einspeisung technisch nicht möglich.
Die Funktion im Detail
Um allen Anforderungen gerecht zu werden, ist der Wechselrichter für die Photovoltaikanlage in drei Stromkreise unterteilt. Der Eingangsstromkreis weist die von den Solarmodulen eingehende Gleichspannung auf. Über einen Gleichspannungswandler wird die Spannung auf das erforderliche Niveau angeglichen, die dann in den Zwischenkreis einfließt. Aus dem Zwischenkreis moduliert der eigentliche Wechselrichter nun je nach Bedarf ein- oder dreiphasigen Wechselstrom unterschiedlicher Spannungen für den Ausgangskreis. So lässt sich die Ausgangsleistung an die Erfordernisse eines Nieder- oder auch Mittelspannungsnetzes anpassen.
MPPT - der optimierte Wechselrichter für perfektes Einspeisemanagement
Beim Übergang vom Eingangs- zum Zwischenkreis kommt im Wechselrichter das sogenannte MPPT-Verfahren zur Anwendung. Unter "Maximum Power Point Tracking" - kurz MPPT - versteht man ein Verfahren, bei dem die elektrische Belastung einer Solarzelle oder eines Strings an Solarmodulen so geregelt wird, dass die Leistungsabnahme maximiert werden kann. Diese Regelungsmethode ist deshalb unerlässlich, weil der optimale Betriebspunkt eines Solarmoduls nie konstant ist. Stattdessen variiert er je nach Sonneneinstrahlung, Modulaufbau und Temperatur am Kollektor.
Der Zwischenkreis - von sonnenstandabhängiger Erzeugung zu konstanter Netzspannung
Obwohl die Leistungsausbeute einer Photovoltaikanlage auf den Augenblick betrachtet sehr konstant ist, schwankt die Leistungsabgabe der einzelnen Module oder Modulreihen stark. Bereits die temporäre Beschattung einzelner Module durch Wolken oder auch Vögel kann ausreichen, um die Ausbeute vorübergehend einbrechen zu lassen.
Für ein funktionierendes Einspeisemanagement ist jedoch ein gleichförmiger Stromfluss unerlässlich. Deshalb nutzt der Wechselrichter einer Photovoltaikanlage nahezu immer den Zwischenkreis, bevor die eigentliche Transformation von Gleich- zu Wechselstrom erfolgt. Der Zwischenkreis dient sozusagen als "Auffangbecken" für die verschiedenen Stromzuflüsse aller angeschlossenen Module. Auf eine einheitliche Gleichspannung transformiert, kann dann beim Abfluss aus dem Zwischenkreis die optimale Wandlung in die gewünschte Phasenzahl und Spannung erfolgen.
Eine Photovoltaikanlage - verschiedene Wechselrichter-Typen
Der Photovoltaikwechselrichter unterscheidet sich vor allem durch den Zwischenkreis und das höhere Aufgabenspektrum von anderen, "normalen" Wechselrichtern. Aber selbst innerhalb des Bereichs Photovoltaik bieten verschiedene Wechselrichter die Möglichkeit, den Aufbau des Gesamtsystems ganz nach individuellen Erfordernissen zu lenken. Im Folgenden werden die am häufigsten eingesetzten Wechselrichtertypen für den Betrieb einer Photovoltaikanlage vorgestellt:
Hybridwechselrichter
Hybridwechselrichter - Wechselstrom mit Speicherkapazität
Wird ein Wechselrichter mit einem Speicherakkumulator kombiniert, spricht man vom sogenannten Hybridwechselrichter. Die Ergänzung der Stromerzeugung um einen Akku bietet die Möglichkeit einer störungsfreien Eigennutzung des gewonnenen Stroms, da Leistungseinbrüche zeitweilig aus dem Speicher heraus abgepuffert werden.
Dabei bestehen verschiedene Möglichkeiten der Schaltung, sodass sowohl die vollständige Eigennutzung als auch die anteilige Eigennutzung mit teilweiser Einspeisung in das öffentliche Stromnetz im optimalen Leistungsbereich umgesetzt werden kann.
Modulwechselrichter
Jeder Modulwechselrichter versorgt immer ein einzelnes Solarmodul. Typischerweise wird er entweder in der Anschlussdose oder aber am Modul bzw. an dessen Tragrahmen montiert. Der große Vorteil der modulweisen Transformation des Stroms liegt darin, dass das MPPT-Verfahren jeweils individuell auf das betreffende Modul hin wirken kann. So arbeiten selbst Anlagen immer optimal, die aus sehr unterschiedlich leistungsfähigen Einzelmodulen aufgebaut sind. Das kann der Fall sein, wenn unterschiedlich orientierte Dachflächen belegt werden oder Einzelmodule immer wieder Verschattungen ausgesetzt sind und damit Leistungseinbrüchen unterliegen.
Zudem kann durch die modulweise Versorgung eine beliebige Anpassung der Anlagengröße erfolgen. Wird mehr Strom benötigt, wird einfach ein weiteres Modul mit eigenem Wechselrichter ergänzt. Ebenso einfach lassen sich beliebige Module rückbauen oder austauschen.
Strangwechselrichter
Strangwechselrichter sind meist einphasig aufgebaut und bedienen jeweils einen Strang oder eine Gruppe an Strängen einzelner Module. Da das eingesetzte MPPT nun nicht auf ein Modul, sondern auf einen ganzen Modulstrang wirkt, ist dieser Wechselrichter weniger effizient als der echte Modulwechselrichter. Die Flexibilität in Bezug auf die Veränderung der Anlage ist ebenfalls geringer. Andererseits aber auch der Aufwand, da lediglich ein einzelner Wechselrichter für eine ganze Modulgruppe herangezogen wird.
Multi-Strang-Wechselrichter
Ein- oder dreiphasig kann der von einem Multi-Strang-Wechselrichter ausgegebenen Strom sein. Diese Art von Wechselrichter fasst mehrere Modulstränge zusammen, die auf unterschiedlichen Dachflächen oder auch aus verschiedenen Modultypen erstellt sein können. Hierfür kommen mehrere MPPTs zum Einsatz, sodass letztlich jeder Strang wieder für sich genommen im optimalen Leistungsbereich arbeitet.
Zentralwechselrichter
Zentralwechselrichter bedienen eine gesamte Photovoltaikanlage und fallen deshalb entsprechend groß aus. Meist werden sie in Form eines Schaltschranks installiert und befinden sich damit nicht mehr unmittelbar an den Solarmodulen. Der große Vorteil dieser Bauweise liegt an der einfachen und zentralen Zugänglichkeit der gesamten Modulation der Anlage. Der Gang zum einzelnen betroffenen Modul entfällt sowohl bei der Instandhaltung als auch bei Anpassungen oder Austauscharbeiten.
Zentralwechselrichter sind abhängig von der Größe und der Anzahl angeschlossener Module oder Modulstränge meist modular konfiguriert. Trotz der zentralen Aufstellung lassen sich Arbeiten so modul- oder strangspezifisch abwickeln, ohne andere Anlagenteile zu beeinflussen.
Wo wird der Wechselrichter am besten platziert?
Wenn der Wechselrichter sich nicht - wie es beim Modul- oder Strangwechselrichter der Fall ist - unmittelbar an der Photovoltaikanlage auf dem Hausdach befindet, stellt sich die Frage nach dem optimalen Standort. Es gilt sowohl technisch-funktionale Aspekte als auch die jeweilige Nutzung des Gebäudes bzw. des Raumes oder Bereichs zu beachten. Idealerweise sollten folgende Voraussetzungen gegeben sein:
- freie, unverstellte, zur Installation geeignete Wandfläche
- Sicherheitsabstände vor Schaltschrank
- keine Beeinträchtigung von Rettungswegen etc. durch auf der Wand aufbauenden Schaltschrank
- gute Erreichbarkeit mit Leitungen von den Modulen
- kurze Leitungsführung zum öffentlichen Stromanschluss (für Einspeisung)
- wenig schallempfindlicher Standort wegen möglichem Brummen/Summen des Wechselrichters
- keine unmittelbare Nähe zu empfindlichen elektronischen Installationen (z. B. Server) wegen möglicher elektromagnetischer Felder
Einspeisemanagement und Abregelung - was steckt dahinter?
Photovoltaikanlagen zählen zu den dezentralen Energieerzeugern. Statt einiger weniger zentraler Großkraftwerke addieren sich bei einer dezentralen Erzeugung die Leistungen unzähliger kleiner Erzeuger zu einer vergleichbaren Gesamtleistung. Der Aufbau des notwendigen Versorgungsnetzes sieht jedoch völlig anders aus.
Wo ausgehend von zentralen Großerzeugern zunächst zentrale Hauptversorgungsleitungen abgehen und sich nach und nach mit abnehmender Hierarchie verzweigen, ist eine solche Sortierung in nationale, regionale und lokale Verteilnetze bei der dezentralen Erzeugung nicht mehr möglich. Denn hier kann geradezu beliebig an unterschiedlichsten Entnahmestellen "plötzlich" auch eine Erzeugeranlage existieren, die neben der Stromentnahme auch eine Einspeisung vornimmt.
Da die dezentralen Erzeuger in aller Regel in privater Hand sind, die Entgegennahme des Stroms durch die Versorger aber gesetzlich vorgeschrieben ist, ist die Entwicklung der Belastung innerhalb des Netzes und seiner einzelnen Bereiche kaum noch vorauszusehen. Zudem können sich selbst tages- oder stundenweise Belastungen des Netzes lokal rasch verändern. Um Überlastungen und damit letztlich die Gefahr einer nicht mehr sichergestellten Versorgung mit elektrischer Energie zu vermeiden, wurde den Netzbetreibern das sogenannte Einspeisemanagement ermöglicht.
"Eisman"
Häufig liest oder hört man auch vom sogenannten "Eisman". Gemeint ist damit das Einspeisemanagement durch die Energieversorger. Um Überlastungen im öffentlichen Stromnetz zu vermeiden, haben die jeweiligen Netzbetreiber das gesetzlich verankerte Recht eines Fernzugriffs auf private, in das Netz einspeisende Photovoltaikanlagen. Droht ein Netzbereich überlastet zu werden, kann der Betreiber die einspeisenden Anlagen drosseln, sodass nur noch ein Teil der Energie dem Versorgungsnetz zugeführt wird. Im Extremfall ist sogar die zeitweilige Komplettabschaltung möglich.
Warum regelt der Netzbetreiber ab?
Warum das Einspeisemanagement und damit das Abregeln privater PV-Anlagen durch den Netzbetreiber erforderlich ist, lässt sich mit einer recht simplen Analogie zu einem anderen Versorgungsmedium erklären. Betrachtet man ein Leitungsnetz der Trinkwasserversorgung, zweigen von einem Wasserhochbehälter oder Wasserturm aus zunächst große Hauptleitungen und später immer stärker untergeordnete, immer kleinere Folgeleitungen bis hin zur kleinsten Leitung - der Hausanschlussleitung - ab.
Solange die Fließrichtung immer vom Versorgungspunkt zu den Haushalten gerichtet ist, funktioniert das System. Schwierig wird es dann, wenn einzelne Verbraucher auf einmal ebenfalls Wasser in das Netz einspeisen. In einem gewissen Rahmen funktioniert dies gut, bei zu vielen Einspeisepunkten mit einer zu hohen Wassermenge kann das Netz aber letztlich überlastet sein. Entweder bersten Leitungen oder die Verteilung auf die anderen Verbraucher wird gestört.
Genauso verhält es sich beim Stromnetz. Gerade die lokalen Verteilernetze können bei einer intensiven Einspeiseleistung vieler Haushalte rasch an ihre Leistungsgrenzen stoßen. Bei sommerlichen Gutwetterphasen mit hoher Sonnenstrahlung können aber sogar übergeordnete Netzstrukturen an ihre Grenzen stoßen. Gezielte Abregelungen erhalten die Funktionstüchtigkeit und stellen somit letztlich die Versorgung aller Haushalte sicher.
Der richtige Wechselrichter - worauf sollte man beim Kauf achten?
Wer über die Installation einer PV-Anlage nachdenkt, auf den kommen verschiedenste Entscheidungen zu. So auch beim Wechselrichter. Welcher der bereits erläuterten Typen ist der "richtige" und wie trifft man die richtige Auswahl?
Da jeder Wechselrichtertyp ganz eigene Vor- und Nachteile hat, lässt sich die Zahl möglicher Komponenten meist recht zügig eingrenzen. Wer eine unbeschattete und zusammenhängende Dachfläche nutzen kann, braucht keinen Modulwechselrichter, da auch Strang- oder Zentralwechselrichter die Aufgaben wunderbar meistern. Stark bewegte Dachflächen mit vielen Teilflächen unterschiedlicher Ausrichtung profitieren dagegen von den Vorteilen der Modulbauweise.
Ohnehin werden Photovoltaikanlagen in aller Regel als Komplettsysteme mit abgestimmten, zueinander passenden Komponenten angeboten und verbaut. Wichtig ist daher für anbietende und später auch ausführende Unternehmen, die örtlichen Gegebenheiten und die Konfiguration der Kollektorfläche genau zu kennen. So kann auf Basis dieser Rahmenbedingungen die optimale Anlage zusammengestellt werden, die für die individuellen örtlichen Gegebenheiten den maximalen Ertrag erwarten lässt. Letztlich kann sich der Endnutzer auf die Erfahrung und Fachkompetenz von Experten verlassen, die für den jeweiligen Einsatzzweck den passenden Wechselrichter auswählen und in das Gesamtsystem integrieren.
Wechselrichter für die Photovoltaikanlage: viele Möglichkeiten für ein optimales Einspeisemanagement
Die Photovoltaikanlage zählt mittlerweile zu den am weitesten verbreiteten Systemen zur dezentralen Erzeugung von elektrischer Energie. Als ein kleiner, aber in Summe ausschlaggebender Baustein trägt jeder private Nutzer und Betreiber einer solchen Anlage dazu bei, die Energieerzeugung ein Stück nachhaltiger zu gestalten.
Ein Kernbaustein eines solchen Systems ist der Wechselrichter. Er sorgt dafür, dass der Gleichstrom der einzelnen Solarmodule auch tatsächlich zu nutzbarem (Wechsel-)Strom wird. Zudem dient er in Verbindung mit der elektronischen Steuereinheit der gesamten Anlage als Ansatzpunkt für das Einspeisemanagement der Betreiber. Denn nach wie vor tragen die dezentralen Sonnenkraftwerke zwar wirksam zu umweltfreundlicher Energie bei, sie belasten aber zugleich das öffentliche Stromnetz durch eine immer diffusere und schwerer zu kontrollierende Masse an Entnahme- und Einspeisestellen. Um das System dauerhaft funktionstüchtig zu erhalten, erzeugen die einzelnen Betreiber zwar die Energie, die Netzbetreiber jedoch behalten den Überblick und greifen bei Bedarf regulierend in die einzelnen Erzeugerstationen ein.
