Optimierter Eigenbedarf und mehr Autarkie - Laderegler sichern die energieeffiziente und flexible Eigenstromverbrauchssteuerung

Der Solarstrom-Wechselrichter wandelt den produzierten Gleichstrom in Wechselstrom, der primär zum Eigenverbrauch genutzt wird und lediglich im Falle von Stromüberschüssen in das öffentliche Netz eingespeist wird. Die Zwischenspeicherung des überschüssigen Solarstroms kann in einem Batteriesystem erfolgen. Innerhalb des Batteriewechselrichters wird u.a. der Batteriezustand überwacht sowie die Ladung und Entladung des Stromspeichers geregelt.
Da bereits in der EEG-Novelle 2012 die Verpflichtung verankert wurde, dass die Betreiber kleiner PV-Anlagen bis 30 kWp  die maximale Einspeisung der Wirkleis­tung auf  70% der installierten Leistung  begrenzen, wächst auch das Interesse an Batteriespeichern im Sinne des Gesetzgebers. Aufgrund dieser Vorgabe müssten die Leistungsspitzen gekappt werden oder – damit kein Solarstrom verloren geht – der selbst erzeugte Strom entweder im Haushalt verbraucht oder in eine Batterie gespeichert bzw. ins öffentliche Netz eingespeist werden.

Teilnahme am Netzmanagement
Seitdem der Solarstromanteil eine entscheidende Größe für das öffentliche Stromnetz geworden ist, möchten die Netzbetreiber einen verstärkten Einfluss darüber ausüben, wieviel und zu welchem Zeitpunkt der Solarstrom eingespeist wird. Aus diesem Grund wird seitens des Netzmanagements eine Volleinspeisung schrittweise eingeschränkt. Andererseits müssen die Wechselrichter in der Lage sein, die Einspeiseleistung auf 70% zu beschränken und diese über Funk entsprechend den Vorgaben der Energieversorger stufenweise abregeln. Hierzu sendet der Netzbetreiber Signale an einen Rundsteuerempfänger, der beim PV-Anlagenbetreiber installiert ist und dessen potenzialfreie Ausgänge sich zum Ab- und Zuschalten von Teillasten der Solarstromanlage nutzen lassen.

Solarstromspeicherung
Zur flexiblen Eigenstromnutzung werden von den Produktherstellern unterschiedliche Batteriesysteme angeboten. Das Batteriesystem – als Bindeglied zwischen der Solarstromerzeugung und Eingenstromnutzung – speichert den überschüssigen Solarstrom, der dann z.B. in den frühen Morgenstunden, abends oder nachts verbraucht werden kann. Der Batteriewechselrichter regelt die Ladung und Entladung des Stromspeichers und schont zugleich durch eine optimierte Energieflusssteuerung das Batteriesystem. Die Erfassung des Ladezustands erfolgt in Abhängigkeit vom Batterietyp ein- oder dreiphasig, wobei sich der Eigenverbrauch über die schaltbaren Verbraucher automatisch steuern lässt. Sobald ein vordefinierter Solarstromüberschuss erreicht wird, schaltet das Steuerelement über potenzialfreie Relaiskontakte während der Spitzenlastzeit die nach Prioritäten zugeordneten Verbraucher zu.

Der Energiemanager mit Batteriespeicher sorgt dafür, dass der Solarstrom nach vier Prioritäten verbraucht wird:
1. Deckung des Eigenstrombedarfs,
2. Batteriespeicherung,
3. Notstromversorgung,
4. Netzeinspeisung.
 
Im Energiemanagementsystem sind die  Funktionen

• Laderegler für die Einspeisung des Solarstroms in das Hausnetz,
• Zwischenspeicherung in Batterien, zur späteren Nutzung des Solarstroms,
• Wechselrichter (Umwandler von DC in AC) zur Einspeisung in das öffentliche Stromnetz,
• Batteriemanager mit Regelung zwischen Eigenstromnutzung und VNB-Einspeiseregelung,

eingebunden.

Ein komplexes Batteriesystem zeichnet sich durch eine hohe Leistungsdichte, schnelle Ladezeit, hohe Zyklenzahl und Entladungstiefe sowie eine sehr hohe Sicherheit aus. Um einen hohen Nutzungsgrad zu erreichen, sollte das System zudem noch Steuerfunktionen, wie Smart Metering, Demand Site Management etc. enthalten.
Die Solarstromspeicher können entweder direkt am Wechselrichterausgang (AC-gekoppelt) oder im zwischengeschalteten Gleichstromkreis vor dem Wechselrichter (DC-gekoppelt) werden. Da ein Solarstrombatteriesystem generell Gleichstrom lädt, müssen die AC-gekoppelten Systeme zusätzlich mit einem Konverter (Batteriewechselrichter) ausgerüstet sein, der den Wechselstrom zum Laden der Solarstrombatterie in Gleichstrom umwandelt. Zum Entladen wird der Gleichstrom aus der Batterie wieder in Wechselstrom gewandelt.
Da DC-gekoppelte Systeme keinen Konverter benötigen – weil hier der erzeugte Gleichstrom direkt verwendet wird –, erreichen sie auch einen etwas höheren Wirkungsgrad. Im Gegensatz zur AC-gekoppelten Variante muss der Wechselrichter bei einer nachträglichen Solarstrom-Speicherinstallation nicht getauscht werden. Zur Kompabilität des Gesamtsystem muss jedoch beachtet werden, dass sich die Funktionalität des Energiemanagers, Anlagenmonitoring und Notstromoptionen auch mit dem Batteriesystem (AC- oder DC-gekoppelt) realisieren lassen.
Die Bewertung eines Batteriesystems erfolgt auf Basis der nutzbaren Speicherkapazität, die aus der Nennkapazität und der Entladungstiefe ermittelt werden kann. Die Entladungstiefe der Solarstrombatterie schwankt je nach Fabrikat und Batteriesystem zwischen 50 und 90%.
Waschmaschinen, Trockner etc. fordern kurzfristig einen höheren Strombedarf und erzeugen insofern Lastspitzen. Die maximale Entladeleistung gilt als Indikator, ob die Lastspitzen mit dem gewählten Batteriesystem abgedeckt werden. Zudem wird mit der „C-Rate“ angegeben, wie schnell sich das Batteriesystem im Verhältnis zur Speicherkapazität entlädt. Demgegenüber wird mit der maximalen Ladeleistung definiert, wie schnell das Batteriesystem wieder aufgeladen werden kann.

Laderegler und Lastprofile
Der Laderegler ermöglicht nicht nur in ein- und dreiphasigen Systemen das Batteriemanagement (Be- und Entladen) und das Systemmanagement der autarken Solarstromanlage, sondern auch die Eigenstromversorgung für größere Haushaltsgeräte, Beleuchtung, Kühl- und Wärmeaggregate bis hin zur Elektromobilität in Wohn- und Geschäftshäusern sowie Kleinbetrieben etc.). Mit einem Solarstrom-Laderegler in Kombination mit einem Energiemanagement und komfortablen Speichersystem lassen sich hohe Autokratiegrade erwirtschaften. Während bei kleineren PV-Anlagen ohne Solarstromspeicher die Eigenstromnutzung lediglich 20 bis 30% beträgt, lassen sich mit einem intelligenten Energiemanagemet und Stromspeichersystem bis zu 90% des erzeugten Solarstroms direkt vor Ort nutzen. Zudem lässt sich aufgrund der hohen Batterieladezyklen die Batterielebensdauer auf bis zu 20 Jahren erhöhen.
Die Wechselrichterhersteller wie Bosch, Kostal, Nedap und SMA bieten Wechselrichter mit Batterieladefunktion an. Für den Fachplaner, Solarteur oder Energieberater ist es jedoch nicht einfach, die passende Speicherkapazität zu bestimmen.
Der Einsatz eines Ladereglers ist zum Betrieb der PV-Anlage mit Solarstromspeicher unbedingt erforderlich, damit eine gleichmäßige Ladung des Energiespeichers gewährleistet und eine Überladung oder Tiefentladung verhindert und letztlich auch die Lebensdauer des Stromspeichers erhöht  wird. In gute Laderegler, wie Längs- und Serienregler, sind eine Fülle von Schutzeinrichtungen wie u.a. Gasungssteuerung integriert, um sich selber, den Solargenerator  und das Batteriesystem zu schützen.
Ein weiteres Einsatzgebiet für die Selbstversorgung mit Solarstrom bietet sich im Bereich der Notstromversorgung an, wobei zur Anlagenkonfiguration ebenfalls ein Speichersystem mit Ladeeinheit installiert wird.
Die Solarstromspeicher sollten nach den Kriterien der Effizienz, Zuverlässigkeit und Qualität ausgewählt werden. In der Regel lassen sich die Endkunden nach der Inbetriebnahme der PV-Anlage eine Aussage über die Wirtschaftlichkeit und Rentabilität erstellen. Hierzu muss nicht nur die Anlagenauslegung herangezogen, sondern auch die Annahme zur Eigenverbrauchsquote berücksichtigt werden. Der Endkunde muss dem Batterieherstellers spätestens zu diesem Zeitpunkt ein gewisses Vertrauen bei den Angaben über den Wirkungsgrad und die Zyklenfestigkeit entgegenbringen.
Die Beurteilung des Gesamtsystems erfolgt durch die Angabe zum Systemwirkungsgrad, wobei das Batteriesystem über die elektronischen Komponenten, Laderegler und Batteriewechselrichter  gesteuert wird. Mit dem Gesamtwirkungsgrad, d.h. die Systemeffizienz, wird definiert, wie viel der gespeisten Solarstromenergie wieder verwendet werden kann. Für den Systemwirkungsgrad ist es daher entscheidend, welche Größenordnung sich durch den Batterie-Zykluswirkungsgrad und durch die Teilwirkungsgrade der unterschiedlichen elektronischen Komponenten ergeben. Bei den Batteriesystemen mit Bleitechnologie wird ein Zyklenwirkungsgrad von ca. 75% und bei der Lithium-Ionen-Technologie von bis zu 90% erreicht.
Bei den Herstellerangaben zur Zyklen- und kalendarischen Lebensdauer eines Batteriesystems handelt es sich teilweise um theoretische und werbungsintensive Angaben. Demgegenüber haben die Angaben zur  nutzbaren Speicherkapazität und Gebrauchsdauer einen praktischen Charakter. Mit der Zyklenlebensdauer wird definiert, auf wie viele Vollzyklen eine Batterie dimensioniert ist. Demgegenüber vermittelt die Angabe zur kalendarischen Lebensdauer lediglich eine Bewertung zur Funktionalitätsdauer, unabhängig davon, ob die Batterie geladen oder entladen wird.

Reaktionsverhalten von Solarstromspeichern
In der Praxis können die Solarstromspeicher auf die dynamisch sich ändernden Leistungswerte nur zeitverzögert reagieren. Da die Erzeugungskurve der PV-Anlage und das Lastverhalten im Haushalt starken Schwankungen unterworfen ist, wird der Solarstromspeicher für kurze Zeitphasen mit zu hoher oder zu niedriger Leis­tung be- und entladen. Sollte der Solarstromspeicher direkt mit dem öffentlichen Stromnetz gekoppelt sein, hat dieses einen ungewollten Energieaustausch zur Folge. Denn das Reaktionsverhalten der gängigen Solarstrombatterien führt zu einem kurzzeitigen Leistungsaustausch zwischen dem Solarstromspeicher und dem öffentlichen Stromnetz.
Da die Batterieleistung je nach Leis­tungssituation (versetzte Differenzleistung aus Solarstromleistung abzüglich der gebäudeinternen Last) entweder zu hoch oder zu niedrig ist, kommt es zur Netzeinspeisung des Batteriespeichers oder im Umkehrsinn zur Batterieladung mit Netzstrom.

Anbieter und Lösungen
Durch die Einbindung des „PhonoCubeHybrid“ System von Phono Solar Technology in das Energy-Management-System „Solar-Log“ von Solare Datensysteme (SDS) werden alle wichtigen Daten und Werte des Speichermediums visualisiert. „Solar-Log“ erhält über die Protokollinformation sowohl die Status- und Fehlermeldungen des Wechselrichters als auch die Zustandsergebnisse des Batteriesystems. Vom „Solar-Log“ werden die Informationen des Wechselrichters über eine Relaisstation ausgewertet und die Eigenstromnutzung optimiert. Parallel dazu werden die Stromdaten, wie z.B. der verbrauchte Stromanteil, und Batteriekapazität visualisiert und die Batteriebeladung bzw. Entladung gemessen und visualisiert. Eine Information des Batterieladezustands erfolgt jedoch nicht. Mit „Solar-Log“ kann z.B. das Varta-Batteriesystem „Stand alone“ eingebunden und über eine
Schnittstelle die Status- und Fehlermeldungen lokalisiert werden. Ferner können auch die aktuellen Batteriezustände (Ladung und Entladung) und weitere relevante Informationen angezeigt und visualisiert werden.
Die Gefahr von Stromzusammenbrüchen ist nicht nur in der autarken Solarstromversorgung (Inselsystem), sondern auch beim Strombezug aus dem öffentlichen Netz gegeben. Durch den Einsatz von Notstromanlagen, wie Generatoren oder unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), wird die Energieversorgung sichergestellt. Die Energiesicherung muss nicht nur mittels Dieselaggregats mit Anlaufverzögerung, sondern auch über USV in hochsensiblen Bereichen – z.B. OP-Bereiche in Krankenhäusern, RLT-Reinraumanlagen in Rechner-, Multiswitching- und Telekommunikationsanlagen etc. – sichergestellt werden.
Bei einem Stromausfall fällt aber auch die netzgekoppelte Solarstromanlage aus, obwohl Energie zur Verfügung steht. Das „Solsafe“-System der Steca Elektronik GmbH bietet bereits seit 2010 eine Lösung aus Kombiwechselrichter und Batteriesystem an. Durch den Hybrid-Wechselrichter werden die Batterien vom öffentlichen Netz in einem vollen Batteriezustand gehalten und ggf. nachgeladen. Zudem werden die gesicherten Verbraucher im Transfermodus aus dem öffentlichen Netz gespeist. Bei Netzausfall schaltet der Hybrid-Wechselrichter auf den Betriebsmodus als Sinus-Wechselrichter um und versorgt unterbrechungsfrei die gesicherten Verbraucher. Weil der Netzwechselrichter nicht länger ins Netz einspeisen kann, wird dessen Leis­tung durch ein Relaismodul direkt an die abgesicherten Verbraucher gekoppelt. Insofern können die Lasten direkt vom Netzwechselrichter der PV-Module versorgt werden. Parallel dazu wird die Batterie durch Solarenergie nachgeladen.

Batteriewechselrichter (Auszug der Systemhersteller)
Die Bosch Power Tec GmbH produziert das Speichersystem „BPT-S 5 Hybrid“ in fünf unterschiedlichen Speichergrößen von 4,4 bis 13,2 kWh. Hinsichtlich der Wechselrichterleistung mit 5 kW ist die Speicherkapazität zwar hoch, der Hersteller verfolgt jedoch das Ziel, dass dem Nutzer trotz unvermeidlicher Speicherverluste mindestens 90% des selbst erzeugten Solarstroms für den Eigenverbrauch zur Verfügung stehen.
Die E3/DC hat in den neuen Systemspeicher „S10 Mini“ die TriLink-Technologie integriert, mit der über das Internet die TGA-Steuerungen und die Hausautomation ferngeschaltet werden kann. Freigeschaltet werden zudem sämtliche Funktionen zur Ladesteuerung. Insofern kann der Nutzer das Batteriesystem auch zeitgesteuert fernladen und im Notstrombetrieb  den Solarstrom nachladen. E3/DC hat die Produktpalette von 13 Produkten auf zwei „All-In-One“ Geräte reduziert. Bisher wurden ihre Wechselrichter getrennt nach Leistungen und AC-/DC-Speichersystemen hergestellt. Anstatt getrennter Systeme nach AC und DC werden jetzt Hybridsysteme hergestellt, an die sich ein Solargenerator anschließen lässt, der die Batterie lädt. Die Batterie kann auch mit Wechselstrom geladen werden.
Aufgrund des modularen Aufbaus kann mit dem Hybrid-Wechselrichter von Fronius International selbst erzeugter Solarstrom gespeichert und erweitert werden. Zudem besteht auch die Option, die Speicherbatterie zu einem späteren Zeitpunkt nachzurüsten. Der „Symo-Hybrid“-Wechselrichter, mit einer DC/AC-Nennleistung von 3, 4 und 5 kW, lässt sich um die Batterie- und Notstromfunktion zu einer umfassenden Speicherlösung („LiFePO“) erweitern.  Der Anlagenbetreiber kann sich jederzeit durch die Kommunikation mit Ethernet, WLAN und Webserver über die Performance seiner PV-Anlage informieren.
Der „Powador-gridsave“ von Kaco new energy bündelt Speicherung und Energiemanagement von Solarstrom in einem Gerät. „Powador-gridsave“, die einphasige Serie „Powador 7700“ und „Powador 9600“ mit Li-Speicher und Batteriewechselrichter für maximale Entladeleistung von 3,3 kW hat einen maximalen Wirkungsgrad (Solargenerator/Batterie/Verbraucher) von 90,9%.
Die Kostal Solar Electric fährt in der Batterietechnologie zweigleisig mit und hat das „Piko-BA-System“ der Pb-Variante um sechs Baugrößen der Li-Variante erweitert. Das intelligente „Piko BA System“ beinhaltet den dreiphasigen Wechselrichter (Leis­tung 4 bis 10 kW) mit phasenkonformer Einspeisung zum Netzbetreiber, den Laderegler, das Energiemanagementsystem sowie die Kommunikations- und Monitoringeinheit. Mit dem „Piko BA“-System wird mit dem „Piko BA“ Stromsensor die dynamische Eigenverbrauchssteuerung geregelt und optimiert sowie gespeichert oder der überschüssige Solarstrom ins öffentliche Netz gespeist. Zudem wird mit der „Piko BA Backup Unit“ eine sichere Stromversorgung während eines Stromausfalls sichergestellt.
Da bei einer Bleibatterie eine Tiefentladung vermieden werden muss, ist bei dieser Systemlösung nur lediglich 50% der Kapazität nutzbar. Aus diesem Grund wurde von Kostal das System aus Speicherwechselrichter und Stromsensor um die Variante für Lithium-Ionen-Batterien von Nedap „fortelion“ in sechs Kapazitätsvarianten von 3,6  bis 9,6 kWh ergänzt. Mit der zusätzlich entwickelten „Piko Battery Li Switch Box“ wird das System u.a. gegen Überspannungen geschützt.
Das niederländische Unternehmen Nedap NVo hat die Produktserie des „Powerrouter PR50SB-BU“ für den Eigenverbrauch mit integriertem Batteriemanager erweitert. Da die PV-Module, Solarstrombatterien und der Netzanschluss an ein Gerät angeschlossen werden, kann der „Powerrouter“ durch einen intelligenten Algorithmus automatisch den aktuell optimalsten Solarstrom zum Eigenverbrauch nutzen, in das Batteriesystem laden oder bereits gespeicherten Strom verwenden, bzw. den überschüssigen Solarstrom ins öffentliche Netz einspeisen. Beim Modell „Powerrouter PR50SB-RE“ kann der Nutzer im Falle eines Stromausfalls über die integrierte Notstromfunktion den erzeugten und gespeicherten Solarstrom weiterhin nutzen. Der Nedap-Wechselrichter mit integriertem Laderegler wird mit den Solarstrombatterien (Speicherkapazität im Leistungsbereich von 3,0 und 3,7 sowie 5,0 kW) von Hoppecke und Enersys (Blei-Gel- und Bleisäure-Batterien) kombiniert.
Die SMA Solar Technology  beschränkt sich bei der Wandsystemlösung „Sunny Boy Smart Energy“ und dem integrierten Lithium-Ionen-Speicher auf eine Kapazität von 2 kWh und einen Systemwirkungsgrad, einschl. Laden und Entladen der Batterie, von 91,7%. Hierbei handelt es sich um einen Multi-String-Wechselrichter mit integriertem Speicher für einen Eigenversorgungsgrad von 60 bis 80%, der einen Jahresverbrauch von 2000 kWh abdeckt. Die Speichersystemlösung kann mit dem dynamischen „Sunny Home Manager“ kombiniert werden, der den typischen Verbrauch mit der prognostizierten Solarstromerzeugung erfasst und die unterschiedlichen Verbraucher zum effektivsten Zeitpunkt ansteuert.  
Im neuen Batteriespeichersystem „MyReserve“ von Solarwatt wird die Lithium-Ionen-Technologie verwendet. Bei der neuartigen Systemtopologie wird das Batteriesystem auf der DC-Seite zwischen den PV-Modulen und dem Wechselrichter installiert. Umwandlungsverluste konnten so erheblich reduziert werden. Das Batteriesystem ist mit allen gängigen Wechselrichtern kompatibel und erreicht nach Herstellerangaben über den gesamten Lade- und Entladezyklus einen Wirkungsgrad von 93%. Mit dem „Solarwatt Energy Manager“ können zudem Programme, wie z.B. Smart Home, die Speicherkapazität des Batteriespeichersystems oder der Ladestatus eines angeschlossenen Elektromobils eingebunden werden.
Die Steca Elektronik GmbH hat ihre „Coolcept“-Wechselrichtertechnologie im Leistungsbereich von 1,8 bis 4,2 kW um die „Coolcept3“-Serie sowie mit dem Solarladeregler „Steca Tarom MPPT 6000-M“ und „StecaStecaGrid SEM“ erweitert. Die Wechselrichter eignen sich für exakt auf den Eigenverbauch abgestimmte PV-Anlagen. Mit der dreiphasigen „Coolcept3“-Serie im Leistungsbereich von 3,0 bis 5,5 kW hat Steca sämtliche Vorzüge der einphasigen Wechselrichter übernommen. Mit „Tarom MPPT 6000-M“ hat Steca Elektronik einen Spitzenladeregler  für autarke PV-Anwendungen entwickelt. Mit 3,6 kW eignet sich das Gerät für alle Lithium-Ionen-Batterien. Neben den komplexen Ladealgorithmen zeichnet sich der Laderegler durch Batterie-Diagnosen, einen Langzeit-Datenlogger, Schnittstellen und den hohen Wirkungsgrad aus.
Der „StecaGrid SEM“ (SmartGrid Manager) erfüllt sämtliche gesetzlichen Anforderungen zum Einspeisemamagement, wobei der Anwender zwischen den drei Betriebsarten wählen kann: Weitergabe des Rundsteuersignals, dynamische Einspeisebegrenzung und direkte Ansteuerung des Relais. Weiter hat Steca Elektronik  die Ladetechnologie um den „Steca Solarix 2020-x2“ erweitert, mit dem gleichzeitig zwei unterschiedlich – vom Typ und der Spannung – ausgelegte Batterien geladen werden können, wobei durch die automatische Schwebeladung die Batterielaufzeit verlängert wird.
Umfangreicher ist die im „Steca SolUse Basic System“ integrierte „Steca SolUse Basic Box“, deren Funktionen ausgewählte Verbraucher direkt oder mit gespeichertem Solarstrom versorgt. Die „Steca SolUse Basic Box“ beinhaltet den bidirektional arbeitenden Sinus-Wechselrichter „Steca XTM 4000-48“, der für das Laden der Batterien, die Versorgung der Lasten sowie die Systemsteuerung zuständig ist.

Ein Fall für den Fachberater
Wenn der Endverbraucher seinen elektrischen Energiebedarf zum überwiegenden Teil durch die eigene PV-Anlage decken möchte, sollte er die unterschiedlichen Systemlösungen nur mithilfe eines Fachberaters (Solarteur oder Energieberater) durchführen lassen, denn allein die Lade- und Eigenverbrauchssteuerung sowie das passende Batteriesystem mit effizientester Speicherkapazität ist nicht einfach zu bestimmen. Neben den o.a. Kriterien sollten auch die Qualitätsaspekte bewertet werden. Da letztlich die Investitionskosten für diese Systeme noch immer hoch sind, sollten die marktführenden Unternehmen nur Produkte mit werthaltiger Garantie verkaufen.

Autor: Dipl.-Ing. Eric Theiß ist als freier Journalist mit den Themenschwerpunkten TechnischeGebäudeausstattung (TGA) und rationelle Regenerativtechnologien tätig. 81369 München, dipl.ing.e.theiss@online.de