icon deutschland icon englisch  1484583120 facebook

header-PV-Komponenten

Speichersysteme

PV-Hybrid-Systeme

Hauptmerkmal eines Hybrid-Systems ist die Nutzung von zwei oder mehreren unterschiedlichen Stromquellen.

Bei PV-Hybridsystemen wird die Solarenergie primär direkt verbraucht und der Mehrbedarf über eine Batterie oder eine weitere Erzeugungsanlage (z.B. Windgenerator) oder über das öffentliche Netz gedeckt. Das Hybridsystem regelt zudem die Wiederaufladung der Batterie und die Einspeisung von überschüssigem Strom in das Netz.

Eine PV-Hybridanlage in Verbindung mit einem Energiemanagementsystem ermöglicht eine hohe Selbstnutzung des selbst erzeugten Solarstroms, welche in Verbindung mit einem Energiespeicher noch gesteigert werden kann. So ist eine Eigenverbrauchsquote von 80% und darüber bei entsprechender Systemauslegung durchaus machbar. Zudem liefert solch ein System auch dann selbsterzeugten Strom, wenn der oder die Generatoren nicht produzieren.

Bemessung des Speichers

Aufgrund der in Deutschland geltenden Anschlussregeln müssen netzgekoppelte Speichersysteme beim Überschreiten von 4,6 kVA Nennleistung pro Außenleiter dreiphasig und leistungssymmetrisch angebunden sein. Ab 30.06.2014 dürfen neu installierte Speichersysteme auch im Ladebetrieb keine Schieflast von mehr als 4,6 kVA zwischen beliebigen Phasen verursachen.

Die für die PV-Eigenversorgung jährlich erzeugte Energiemenge sollte grundsätzlich in der Größenordnung des jährlichen Energieverbrauchs liegen. Größere Leistungen in der Erzeugung oder Speicherung sind für typische Eigenheimanwendungen also nicht unbedingt sinnvoll. Wird z.B. in einem Haushalt mit einem Jahresstrombedarf von 4 MWh (4.000 kWh) ein PV-System mit einer Leistung von 4 kWp installiert, entspricht dies einer spezifischen PV-Leistung von 1 kWp/MWh. Bei dieser Systemgröße können Einfamilienhaushalte im Jahresmittel einen Eigenverbrauchsanteil und Autarkiegrad von jeweils rund 30 % erzielen.

Wird zusätzlich ein Batteriespeicher mit einer nutzbaren Speicherkapazität von 1 kWh/MWh (zum Beispiel 4-kWh-Batteriespeicher bei einem Jahresstrombedarf von 4 MWh) installiert, kann der Eigenverbrauchsanteil auf 60 % und der Autarkiegrad auf 55 % gesteigert werden. Eine Vergrößerung der Speicherkapazität auf über 1,5 kWh/MWh würde den Eigenverbrauchsanteil und Autarkiegrad nur noch wenig steigern. Dies ist darauf zurückzuführen, dass größere Batteriespeicher in der Nacht nicht vollständig entladen werden. Um hohe Autarkiegrade zu erzielen, ist es aus energetischer Sicht daher sinnvoll, je 1 kWp PV-Leistung eine nutzbare Speicherkapazität von 1 kWh zu installieren.

Ein- und dreiphasige Netzanbindung

Die einphasige Abgabe der AC-Leistung ist technisch am einfachsten zu realisieren und unter Kostengesichtspunkten die günstigste Lösung. Die bilanzielle Verrechnung von Erzeugung und Verbrauch über alle drei Phasen erfolgt mittels eines saldierenden Zählers und ist nach VDE-AR-N 4400 und VDE-AR-N 4105 vorgeschrieben. Für typische Eigenheimanwendungen sind einphasige Systeme derzeit die effizienteste Lösung. Der Netzbetreiber bestimmt die Anschlussbedingungen. So sind z.B. in verschiedenen Kantonen in der Schweiz nur dreiphasig einspeisende Batteriespeicher erlaubt.

Dreiphasig mit dem Stromnetz verbundene Speichersysteme sind unabhängig von der DC-seitigen Topologie dann interessant, wenn dreiphasige Verbraucher mit Drehstrom versorgt werden müssen. Solche Speichersysteme sind dafür ausgelegt, 400V Drehstrom dreiphasig in das Haus- oder Betriebsnetz einzuspeisen. Der Stromverbrauch wird hierbei auf jeder Phase gemessen. Bei einphasiger Netzkopplung wird der Energieverbrauch durch phasenbezogene Bilanzierung ermittelt.

Drehstrom kann einmal über einen sogenannter Vierleiter-Umrichter geliefert werden, der seine Leistung flexibel auf die einzelnen Phasen verteilen und ein- und dreiphasige Verbraucher direkt versorgen kann, wobei eine leistungssymmetrische Einspeisung gefordert ist. Diese Flexibilität gibt es allerdings nur um den Preis einer komplexeren Leistungselektronik und einer deutlichen Überdimensionierung: So muss ein Umrichter mit 3,6 kVA, der diese Leistung auf jede beliebige Phase legen kann, in Sachen Stromtragfähigkeit wie ein 10-kVA-Gerät ausgelegt sein.

Eine andere Lösung ist die Einspeisung über drei gleichgeschaltete Laderegler, die phasenverschoben 400V Drehstrom in das Haus- oder Betriebsnetz liefern. Der Aufwand für zwei zusätzliche Laderegler wird durch kostengünstige Systeme (z.B. Sunny Island von SMA) im Vergleich zum Vierleiter-Umrichter jedoch ausgeglichen.

Ein weiterer Nachteil einer dreiphasigen Netzversorgung ist die deutlich höhere Zwischenkreisspannung. Dreiphasig-symetrische Umrichter benötigen rund 600 V, Vierphasen-Umrichtern sogar 700 V. Die Zwischenkreisspannung ist damit doppelt so hoch wie bei einphasigen Varianten mit 350V. Der Abstand zur Nennspannung der Batterie vergrößert sich damit deutlich, was sich nachteilig auf die Effizienz der DC-Anpassungsstufe und des Gesamtsystems auswirken kann.

AC- oder DC-Kopplung

Ob eine DC- oder AC-Kopplung vorliegt, entscheidet der Verknüpfungspunkt des Speichers mit dem häuslichen Stromnetz.

DC-Kopplung

Die DC-Kopplung bindet den Speicher vor dem Wechselrichter in den Gleichstrom-Zwischenkreis ein. Zwischengespeicherter und direkt genutzter Solarstrom fließen über den gleichen Wechselrichter an den AC-Verbraucher. Für die Zwischenspeicherung müssen lediglich die unterschiedlichen Spannungen angepasst werden.

DC-gekoppelte Systeme erzeugen bei einer Systemleistung von maximal 4,6 kVA außerdem keine unzulässige Schieflast.

Vorteilhaft sind DC-gekoppelte Systeme also vor allem dann, wenn eine optimale Kombination aus Batterietechnologie, Batterie-Nennspannung und Wechselrichterkonzept zum Einsatz kommt – zum Beispiel bei Einsatz einer Lithium-Batterie mit 150 bis 200 V Nennspannung in Verbindung mit einem einphasigen Wechselrichter.

1 DC-gekoppeltes System 2 DC-gekoppeltes System 3 DC-gekoppeltes System
DC-gekoppeltes System - WR-optimiert DC-gekoppeltes System - Batterieoptimiert DC-gekoppeltes System - Systemoptimiert
(Graphiken: SMA)    

AC-Kopplung

Bei einer AC-Kopplung verfügt das Batteriesystem dagegen über einen gesonderten Wechselrichter. Es ist völlig unabhängig von der Leistung der PV-Anlage und dem Installationsort des PV-Wechselrichters und kann auch nachträglich eingebaut werden kann.

Nachteilig bei der AC-Kopplung ist der systembedingte Leistungsverlust, der der PV-Strom drei Mal umgewandelt wird:

  • vom PV-Wechselrichter von Gleichstrom in Wechselstrom
  • vom Batteriewechselrichter von Wechselstrom in Gleichstrom zum Laden der Batterie
  • und anschließend wieder in Wechselstrom zur Speisung eines Verbrauchers.

Der Anschluss von AC-gekoppelten Speichersystemen sollte auf der gleichen Phase wie die (einphasige) PV-Anlage erfolgen.

AC-gekoppelte Systeme bieten als wesentlichen Vorteil eine hohe Flexibilität und können bei sinnvoller Auslegung sehr gute Wirkungsgrade erzielen, in der Regel sogar höhere als DC-gekoppelte Systeme mit niedrigen Batteriespannungen.

AC-gekoppeltes System
AC-gekoppeltes System - Systemoptimiert
(Graphik: SMA)

DC-DC-Kopplung

Bei der DC-DC-Kopplung oder auch DC-Generator-Kopplung wird das Speichersystem in den DC-Stromkreis zwischen PV-Generator und Wechselrichter geschaltet.

Der Vorteil gegenüber DC-Systemen ist, dass DC-DC-Systeme in bestehende Anlagen leicht nachgerüstet werden können und sie im Vergleich zu AC-Systemen weniger Wandlerstufen benötigen. Die Anpassung der Batteriespannung an die äußerst variable PV-Spannung kann regelungstechnisch jedoch problematisch sein und beeinträchtigt die Wandlungseffizienz. Zudem ist das Nachladen der Batterie aus dem Versorgungsnetz ausgeschlossen.

DC-DC-gekoppeltes System
DC-DC-gekoppeltes System (DC-Generator)
(Graphik: SMA)

Dreiphasige Einspeisung und Verbrauch

Unsere Stromversorgung erfolgt durch einen Mehrphasenwechselstrom (Drehstrom), der aus drei einzelnen Wechselströmen oder Wechselspannungen (Phasen L1, L2, L3) mit gleicher Frequenz besteht, die zueinander in ihren Phasenwinkeln fest um 120° verschoben sind.

Wenn nun ein einphasiger Batteriespeicher an Phase L1 angeschlossen ist und eine Lampe an L2, kann die Lampe nicht über das Batteriesystem direkt betrieben werden.

In diesem Fall würde die Lampe den Strom aus dem Netz beziehen und das Speichersystem – je nach Regelung – ins Netz einspeisen oder auch keinen Strom abgeben.

Dies hätte zur Folge, dass elektrische Verbraucher ihren Strom komplett aus dem Netz beziehen, der Batteriespeicher zur gleichen Zeit vollgeladen im Keller steht und die gespeicherte Energie nicht abgerufen werden kann.

Vermeiden läßt sich dies durch den Einbau eines 3-Phasen-Leistungsanalysators. Der Analysator misst den Stromverbrauch auf jeder Phase und schaltet die Batterie auf die verbrauchsbelastete Phase. Eine andere Möglichkeit wäre, die Verbraucher im Haus auf die Phase zu klemmen, auf welcher die Batterie einspeist. Somit wäre ebenfalls die Versorgung der elektrischen Verbraucher mit Batteriestrom gewährleistet.

Webbanner ecoshop

ECO-MC GmbH   |   Geschäftsführer: Reiner Germann   |   Bergstrasse 6   |   D-67434 Neustadt/Wstr.   |   Tel: (+49) 6321 / 929982   |   Fax: (+49) 6321 / 929469   |   Mail Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!

(c) by ECO-MC 2018  |  Impressum  |  Datenschutz  |  AGB  |  Developed by arSito design