Darüber hinaus hat der stetige Rückgang der Einspeisevergütungen dazu geführt, dass immer mehr Anlagenbetreiber den selbst erzeugten Strom selbst nutzen, anstatt ihn ins Netz einzuspeisen. Um den Eigenverbrauch zu maximieren, werden häufig Speichersysteme in Verbindung mit Energiemanagementsystemen eingesetzt. Diese PV-Speichersysteme erfordern Wechselrichter mit komplexeren Steuerungssystemen und Energieflussberechnungen als bisherige Modelle, da sie neben der Maximierung des Eigenverbrauchs auch zusätzliche Funktionen wie die folgenden abdecken:
- Optimierte Wechselrichtersteuerung zur Nutzung von Schwachlastzeiten
- Verbesserte Netzqualität
- Notstromfunktion
Dieser Artikel beschreibt die neuen technischen Eigenschaften, die moderne Wechselrichter für diese Funktionen benötigen.
Energiefluss in Speichersystemen
: Ein PV-Speichersystem kann im Allgemeinen mit den folgenden fünf Lastflüssen betrieben werden (Abbildung 1):
1. PV-Generator → Wechselrichter: PV-Energie
2. Wechselrichter → Verbraucher oder Netzeinspeisung
3. Wechselrichter → Batterie: Batterieladung
4. Batterie → Wechselrichter: Batterieentladung
5. Netzstrom → Wechselrichter: Batterieladung mit Netzstrom
Die ersten beiden Energieflüsse sind typisch für PV-Systeme ohne Speicherfunktion.
Systeme mit Speicher müssen jedoch die Energieflüsse 3 und 4 zum Laden und Entladen der Batterie verarbeiten können.
Energiefluss 5, der die Batterie über das Wechselstromnetz lädt, ist keine zwingende Voraussetzung für ein System mit Speicher, weshalb nicht alle Speichersysteme diese Option bieten.
Dieser Betriebsmodus ermöglicht zahlreiche zusätzliche Anwendungen, von denen einige bereits heute wichtig sind und andere erst in Zukunft relevant werden, wie die folgenden Beispiele zeigen:
Wechselstrom-Ladefunktion.
Obwohl die Wechselstrom-Ladefunktion nicht die wichtigste Funktion zur Optimierung des Eigenverbrauchs darstellt, zeigt eine detailliertere Analyse, dass viele Anwendungen ohne sie nicht möglich sind. Das Laden über Wechselstrom kann entweder mit privaten oder selbst erzeugten Energiequellen (Haushalte) oder über öffentliche Netze (Netzversorgung) erfolgen. Beispiele für Wechselstrom-Ladeanwendungen lassen sich aus der Perspektive der folgenden drei Interessengruppen analysieren:
Aus Sicht des Systembetreibers
– Kopplung mit anderen Energiequellen (AC-Kopplung):
In den letzten Jahren hat die Zahl kleiner Blockheizkraftwerke (Mikro-BHKW) und auch kleiner Windparks auf dem Markt deutlich zugenommen. In diesen Systemen steht Strom auch dann zur Verfügung, wenn die PV-Leistung gering ist, beispielsweise im Winter, und der PV-Speicher nicht voll ausgelastet ist. Die AC-Ladefunktion ermöglicht die temporäre Speicherung überschüssiger Energie aus anderen Energiequellen zur späteren Nutzung.
Darüber hinaus erlaubt die AC-Kopplung die Integration des Speichersystems in eine bestehende PV-Anlage.
Ladungserhaltung:
Steht über längere Zeiträume wenig oder gar keine PV-Energie zur Verfügung (sei es aufgrund defekter Module, schneebedeckter PV-Generatoren oder anderer Faktoren), verhindert die AC-Ladefunktion die vollständige Entladung des Speichersystems und die daraus resultierende vorzeitige Verschlechterung der Batterie.
Mindestlast in Notfallsituationen
: Viele PV-Speichersysteme verfügen über eine Notstromversorgungsfunktion für den Fall eines Netzausfalls. Unabhängig vom Isolationszustand gewährleistet die Wechselstromlast eine Mindestkapazität des Speichersystems. Dies ermöglicht zudem die Planung, um festzustellen, ob im Falle eines Netzausfalls genügend Zeit für eine vollständige Aufladung des Systems zur Verfügung steht.
Aus Sicht der Strommarktnutzer:
Zeitabhängige Stromtarife.
Die Einführung intelligenter Stromzähler ermöglicht es Stromverteilungsunternehmen, ihren Kunden zeitabhängige Stromtarife anzubieten. Dadurch können Energiespeichersysteme in Schwachlastzeiten mit Strom aus dem Netz versorgt und diese Energie dann in Spitzenlastzeiten genutzt werden. Dies ist besonders bei geringer Sonneneinstrahlung von Vorteil.
Nutzung flexibler Speichersysteme zur Netzoptimierung und zum Netzausgleich:
Die Aufgabe der Strommärkte (kWh-Märkte) und ihrer Teilnehmer besteht darin, ein möglichst ausgeglichenes Verhältnis zwischen Angebot (Produktion) und Nachfrage (Verbrauch) zu erreichen, bevor Strom benötigt wird. Für die optimale Integration dieser Energiequellen in den Markt, insbesondere von Photovoltaik und Windkraft aufgrund ihrer natürlichen Schwankungen, sind Prognoseinstrumente mit vielfältigen Optionen erforderlich. Eine solche Option ist die dezentrale Batteriespeicherung (die zusammen ein „virtuelles Kraftwerk“ bildet).
Aus Sicht des Netzbetreibers:
Verbesserte Netzqualität.
Der signifikante Anstieg netzgekoppelter PV-Anlagen führt zu einer größeren Verantwortung dieser Anlagen für die Bereitstellung von Dienstleistungen und die Sicherstellung der Netzqualität. Durch den Einsatz von Energiespeichersystemen können PV-Anlagen eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der erforderlichen Spannungs- und Frequenzniveaus im Verteilnetz spielen. Die zusätzliche Funktion des Ladens von Batterien mit Wechselstrom aus dem Netz (nach Durchlauf durch den Wechselrichter) erhöht die Flexibilität der PV-Anlage.
Teilnahme am Stromausgleichsmarkt:
Der Netzbetreiber gleicht elektrische Ungleichgewichte aus, indem er die Stromerzeugung steuert, wenn Produktion und momentaner Bedarf nicht übereinstimmen. Das Strommanagement erfolgt somit netzorientiert, um ein Gleichgewicht zwischen Stromnachfrage und -produktion zu erreichen. Ähnlich wie der Netzbetreiber diese Netzkapazität nutzt (siehe unten), bietet die dezentrale Batteriespeicherung eine flexible Strommanagementoption, die sich an den Bedürfnissen von Nutzern und Netz orientiert.
Multi-Flow-Technologie
Die im vorherigen Abschnitt beschriebenen Energieflüsse sind für die optimale Leistung des PV-Speichersystems unerlässlich. Für diese Betriebsarten wird nicht nur der Wechselrichter benötigt, sondern es ist auch wichtig zu wissen, ob die Stromflüsse parallel (gleichzeitig) auftreten können. Die in der Fronius Symo Hybrid-Serie eingesetzte Multi-Flow-Technologie stellt einen umfassenden Ansatz zur Energieflusssteuerung dar, bei dem der Wechselrichter zur intelligenten Steuerzentrale für alle Stromflüsse wird. Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Vorteile von Speichersystemen mit Multi-Flow-Technologie.
Gleichzeitige Energieversorgung des Hauses durch die PV-Anlage und die Batterie:
Um den Energiebedarf des Hauses zu decken, liefert die PV-Anlage Strom, wobei ein eventueller Fehlbetrag von der Batterie ausgeglichen wird.
Ohne Multi-Flow-Technologie, d. h. wenn Energieflüsse nicht parallel erfolgen können, könnte die Photovoltaikanlage den Bedarf des Haushalts selbst mit gespeicherter Batterieleistung nicht decken. Außerdem müsste die Photovoltaikanlage abgeschaltet werden, was zu Energieverlusten führen würde.
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Batterieladung und Hausstromversorgung mit PV-Anlage:
Übersteigt die Stromerzeugung der PV-Anlage den Stromverbrauch des Hauses, wird die überschüssige Energie in der Batterie gespeichert. Diese überschüssige Energie wird erst dann ins Stromnetz eingespeist, wenn die Batterie vollständig geladen ist.
Ohne die Multi-Flow-Technologie müsste der Wechselrichter seine Leistung reduzieren, was zu Energieverlusten führen würde.
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Gleichzeitige Stromversorgung des Hauses und Batterieladung mit PV und anderen Energiequellen:
Um den Energiebedarf des Hauses zu decken, wird der vom PV-System und anderen Energiequellen (z. B. einer kleinen Windkraftanlage oder einem Blockheizkraftwerk) erzeugte Strom genutzt, wobei überschüssige Energie gleichzeitig in der Batterie gespeichert wird. Dadurch wird eine deutlich höhere Autonomie erreicht, auch in den Wintermonaten.
Systeme ohne Multi-Flow-Technologie können die Batterie nicht zur temporären Speicherung von Energie aus anderen Quellen nutzen.
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Deckung des Energieverbrauchs in Notsituationen durch Photovoltaikanlage und Batteriespeicher.
In Notsituationen kann der Energieverbrauch eines Haushalts gleichzeitig durch eine Photovoltaikanlage und einen Batteriespeicher gedeckt werden. Daher ist der Notbetrieb auch bei entladenem Batteriespeicher gewährleistet, vorausgesetzt, die erzeugte Energie übersteigt den Verbrauch.
Bei Systemen ohne Multi-Flow-Technologie kann die Energie der PV-Anlage oft nicht für Notfallmaßnahmen genutzt werden und geht daher verloren.
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6 Zusammenfassung
Die Anforderungen an Wechselrichter in Energiespeichersystemen sind höher als in herkömmlichen PV-Anlagen ohne Speicher. Der Wechselrichter eines modernen Speichersystems muss jeden Energiefluss intelligent steuern und den Eigenverbrauch maximieren. Um Energieverluste zu vermeiden und höchste Energieeffizienz zu erreichen, müssen alle Energieflüsse gleichzeitig bereitgestellt werden können. Für bestimmte Anwendungen ist dies nur mit der AC-Ladefunktion möglich, wodurch diese Funktion noch wichtiger wird.
Das Fronius Energy Package und die Multi-Flow-Technologie erfüllen die hohen Anforderungen an die Steuerungstechnik moderner Energiespeichersysteme. Dank der Multi-Flow-Technologie ist das Speichersystem sowohl heute als auch in Zukunft für ein breites Anwendungsspektrum einsetzbar.
