PV-Anlagen mit Notstromfähigkeit

Schon zahlreiche PV-Anlagenbesitzer haben sich darüber gewundert, dass ihre teure Investition zwar in der Lage ist, Solarstrom ins öffentliche Netz einzuspeisen. Aber wenn das öffentliche Netz mal ausfällt, dann kann sie nicht mal das eigene Hausnetz versorgen - selbst wenn die Sonne von einem strahlenden Himmel lacht.

Dass eine eigene Notstromversorgung kein abwegiger Wunsch ist, zeigt ein Blick auf die durchschnittliche Netzausfallzeit in Deutschland. Diese liegt zwar im internationalen Vergleich immer noch recht niedrig, hat sich aber allein von 2003 bis 2005 verdoppelt - von 15 auf 30 Minuten jährliche Ausfallzeit. Die großen Ereignisse der letzten Jahre sind noch in guter Erinnerung:

• USA und Italien 2003: Im Abstand weniger Wochen fallen in den USA bzw. Italien große Teile der Verbundnetze aus. In beiden Fällen sind ca. 50 Millionen Menschen für Stunden bis Tage ohne Strom. In beiden Fällen sind ausgefallene Leitungen und fehlende Reservekapazitäten die wesentlichen Ursachen.
• Luxemburg/Trier/Eifel 2004: Mehrfache Leitungsausfälle u. a. durch Fehlfunktion eines Schutzrelais. Eine nicht an die lokale Notstromversorgung angeschlossene Fernsteuerung verursacht die lange Netzausfallzeit von 4,5 Stunden. Betroffen: 1 Million Menschen in Luxemburg und Deutschland.
• Münsterland 2005: Etwa 50 zum Teil veraltete Strommasten knicken unter Schnee und Eis ein. Etwa 250.000 Menschen sind mehrere Tage ohne Strom.
• Europa 2006: Um einem neuen Kreuzfahrtschiff den Weg zu bahnen, wird eine Hochspannungsleitung über die Ems abgeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt fließen etwa 10.000 MW Leistung, vor allem aus Windkraftanlagen, von Norddeutschland und Nordeuropa nach West- und Südeuropa. Aufgrund fehlender Leitungskapazitäten kommt es unbeabsichtigt zur Trennung der Verbundnetze. Im Westen und Süden Europas fehlen plötzlich 10.000 MW, sodass es in Deutschland, Frankreich, Belgien, Italien, Österreich, Spanien und Marokko zu Stromausfällen von bis zu 2 Stunden Dauer kommt. Betroffen: 10 Millionen Menschen.

Was einen Stromausfall besonders unangenehm machen kann, ist die Tatsache, dass moderne Heizungen nicht ohne Strom funktionieren. Im Winter sitzt man also nicht nur im Dunkeln, sondern auch im Kalten. Und für viele sicher noch schlimmer: auch das Handy kann nicht mehr aufgeladen werden! Also mehr als genug Gründe, sich über die Wahrscheinlichkeit eines Stromausfalls Gedanken zu machen.

Natürlich können Stromausfälle aus technischen Gründen niemals völlig ausgeschlossen werden. Die in den letzten Jahren steigenden Ausfallzeiten haben aber auch wirtschaftliche Gründe. Nach der Deregulierung der Strommärkte sind die Erhaltungsinvestitionen in die Stromnetze deutlich gesunken. Veraltete Bauteile werden vielfach nicht mehr vorsorglich, sondern erst bei Auffälligkeiten ausgetauscht. Durch die massive Zunahme des internationalen Stromhandels sind Leitungen und Koppelstellen viel öfter als früher bis zum Anschlag ausgelastet. Reservekapazitäten werden nur ungenügend eingeplant. Darüber hinaus haben die Netzbetreiber viel zu spät die zahlreichen neuen Stromeinspeiser aus erneuerbaren Quellen in ihre Planungen einbezogen. Nun fehlen angepasste Regelmechanismen und Stromleitungen. Erst die so genannte "Mittelspannungsrichtlinie" versucht seit 1.1.2009 große PV-Anlagen in die Regelung der Stromnetze einzubeziehen.

Ob die Stromwirtschaft in der Lage sein wird, die Ausfallzeiten auf niedrigem Niveau zu halten ist kaum vorhersagbar. Vorsorglich können sich Privatleute und Unternehmen auch selbst absichern, indem sie auf eine eigene Notstromversorgung setzen. Normale netzgekoppelte PV-Anlagen sind dabei keine Lösung, da sie im Falle eines Netzausfalls sofort abschalten. Dieses Verhalten wird von der in Deutschland maßgeblichen Norm DIN VDE 0126-1-1 vorgeschrieben und ist auch durchaus sinnvoll. Ein Techniker, der außerhalb des Hauses am Stromnetz arbeitet und dafür den Strom abschaltet, muss sicher sein können, dass die Leitung nicht etwa von eine PV-Anlage unter Spannung gesetzt wird. Darüber hinaus muss die PV-Anlage sicherstellen, dass es nicht durch Wechselwirkungen zwischen Verbrauchern und Erzeugern im abgeschalteten Stromnetz zu einer Inselnetzbildung kommt, die dem PV-Wechselrichter ein funktionierendes Stromnetz vorgaukelt. Entsprechende Sicherheitseinrichtungen ("Anti-Islanding-Verfahren") muss jeder PV-Wechselrichter beherrschen.

Bei einem Netzausfall ist das aber genau das was man haben will: ein Inselnetz. Eine Notstromversorgung auf Basis einer PV-Anlage muss also dafür sorgen, dass bei einem Stromausfall das Hausnetz vom öffentlichen Stromnetz getrennt und gleichzeitig der Anti-Islanding-Schutz wirkungslos wird. Ferner wäre es ganz praktisch, wenn man dann nicht nur bei Sonnenschein die Nachttischlampe betreiben könnte. Tatsächlich gibt es ein System, das all das kann - das Sunny Backup von SMA. Mit anderen Worten: eine weitere Energiequelle (zum Beispiel eine Batterie) müsste in die Notstromversorgung integriert werden. Bevor Sie jetzt aber leuchtende Augen bekommen, sollten Sie erstmal in Ihrem Geldbeutel nachsehen, ob der auch tief genug ist, denn billig wird das nicht!

Ein Sunny Backup System besteht aus mehreren Komponenten, die man einzeln kaufen kann oder auch als Set:

• ein bidirektionaler Wechselrichter "Sunny Backup"
• eine zentrale Schalteinrichtung "Automatic Switch Box"
• ein Satz Batterien

Das System kann eine bereits vorhandene PV-Anlage mit einem Batterie-Wechselrichter von SMA integrieren. Theoretisch kann man es auch ganz ohne PV-Anlage betreiben, aber das wäre nur der halbe Spaß. In Abbildung 1 ist ein Backup-System mit PV-Anlage zu sehen.

Die zentrale Schalteinrichtung verknüpft alle Komponenten bzw. Stromkreise und sorgt dafür, dass der Strom immer den richtigen Weg nimmt. Im Normalbetrieb fließt der Strom aus dem Wechselrichter der PV-Anlage über den Einspeisezähler in das öffentliche Stromnetz; das Hausnetz wird wie üblich über den Verbrauchszähler versorgt. Anders als sonst übernimmt das Backup-System die Überwachung des Netzes gemäß der gültigen Normen. Der PV-Wechselrichter ist vom Installateur auf Inselbetrieb konfiguriert worden und verhält sich damit robuster gegenüber Schwankungen von Spannung und Frequenz. Alle SMA-Wechselrichter der Baureihen Sunny Boy und Sunny Mini Central kennen diese Betriebsart. Stellt das Backup-System einen Ausfall des öffentlichen Netzes fest, so trennt es in Sekundenbruchteilen das Hausnetz vollständig ab und beginnt mit der Versorgung aus der Batterie. Dies geschieht über einen zusätzlichen Wechselrichter, der das Hausnetz mit der Batterie verbindet, in diesem Fall ein Sunny Backup 5000.

Die PV-Anlage speist nun über die Schalteinrichtung direkt in das Hausnetz ein und kann je nach PV-Leistung die Batterie entlasten oder aufladen. Der Lastausgleich zwischen PV-Anlage, Batterie und Verbrauchern wird vollautomatisch vom Sunny Backup erledigt. Sobald der Stromausfall vorüber ist, wird ebenso automatisch wieder auf das öffentliche Stromnetz umgeschaltet und die Batterie voll aufgeladen. Auch das Aufladen der Batterie erledigt der Sunny Backup. Dieser Wechselrichter ist von der Funktion her "bidirektional", d. h. er ist in der Lage, über ein und dieselbe Halbleiterschaltung sowohl Gleichstrom in Wechselstrom zu wandeln, als auch umgekehrt Wechselstrom in Gleichstrom.

Das klingt genial, und das ist es auch. Allerdings sind vor der Installation einige wichtige Dinge zu beachten, sonst kommt im Ernstfall raus, dass Sie das WM-Endspiel doch nicht mit einem kühlen Bierchen genießen können. Zunächst müssen Sie sich vergewissern, dass das Stromnetz ein so genanntes TN-Netz ist (Kasten 1).

Vergewissern Sie sich unbedingt bei Ihrem Netzbetreiber. Ohne TN-Netz kein Sunny Backup! Nachdem das erledigt ist müssen Sie zwischen verschiedenen Systemgrößen wählen. In der nachfolgenden Tabelle 1 sehen Sie die verfügbaren Sets.

Set S

Das Set S ist sozusagen das Einsteiger-Set. Es stellt 2200 Watt als Dauerleistung zur Verfügung, was für die wichtigsten Verbraucher in einem Haushalt ausreichend ist, z. B. Heizung, Beleuchtung, Fernseher - und das Handy kann man dann auch noch aufladen. Das Problem besteht naturgemäß darin, die richtigen Verbraucher auszuwählen, sodass das Backup-System nicht überlastet wird. Ein Ansatz könnte darin bestehen, Selbstdisziplin zu üben und während einer Notstromphase alle großen Verbraucher von Hand auszuschalten, bzw. nicht einzuschalten. Das ist aber aus verschiedenen Gründen unpraktisch, oder weiß etwa die Tochter die Hauses, dass ihr Fön schon die Hälfte der verfügbaren Leistung aufbraucht? Oder wissen Sie selbst, dass die Kaffeemaschine ebenso gierig ist?

Die eine Lösung besteht darin, die großen Verbraucher vor (!) dem Backup-System direkt an das öffentliche Stromnetz anzuschließen, sodass nur vorab ausgewählte Verbraucher mit Notstrom versorgt werden (Abbildung 2). Dies erfordert im Grunde ein getrenntes Stromnetz für alle wichtigen Verbraucher, es sei denn Sie wollen lediglich die Heizung versorgen, und vielleicht noch über Verlängerungskabel die ein oder andere Stehlampe im Keller. Eine andere Lösung ist das Set M.

Set M

Das Set M stellt 5000 Watt dauerhaft zur Verfügung und sogar 8400 Watt als kurzzeitige Überlast. Das reicht um eine komplette Phase (siehe Kasten 2) eines Hausnetzes zu versorgen. Damit werden automatisch alle Stromkreise versorgt, die an diese Phase angeschlossen sind. Man kann also Glück haben und das Stromnetz des Heizungskellers hängt an derselben Phase wie das Wohnzimmer. Dem Fernsehabend bei kuschliger Raumtemperatur stünde dann nichts mehr im Wege. Ist die Aufteilung der Stromkreise ungünstig, dann muss der Installateur das eben ändern. Auf jeden Fall muss man sich einige Gedanken machen, welche Stromkreise versorgt werden sollen.

Zu bedenken ist, wie auch bei Set S, dass keine dreiphasigen Verbraucher versorgt werden können, also üblicherweise E-Herd und Durchlauferhitzer. Gewisse Kompromisse sind also auch mit dem Set M unvermeidlich, aber man bekommt eine Stromversorgung, die fast alle Geräte eines Haushalts versorgen kann. Wer sehr ungern Kompromisse macht, kann auch zum Set L greifen.

Set L

Das Set L besteht aus drei einzelnen Sunny Backup 5000, die jeweils eine Phase des Hausnetzes versorgen. Alles in allem stellt dieses System somit 15 kW Dauerleistung bereit. Für einen Haushalt ist das im Grunde zu viel und zu teuer, es ist mehr für Kleingewerbe gedacht. Jenseits davon kann man mit dem Set XL sogar noch mehrere Wechselrichter pro Phase parallel schalten, sodass Notstromversorgungen bis 60kW möglich sind. Damit können kleine Hotels oder landwirtschaftliche Betriebe versorgt werden.

Kleinigkeiten

Leider kann man nicht so einfach von einem kleinen Set auf ein großes "upgraden". Beim Übergang von S zu M müssen sowohl der Wechselrichter als auch die Automatic Switch Box ausgetauscht werden. Außer der reinen Leistung gilt es somit auch die Kleinigkeiten zu beachten. Eine dieser Kleinigkeiten ist die Zeit, innerhalb derer bei einem Stromausfall auf Batteriebetrieb umgeschaltet wird. Das Set M erledigt das in 20 ms. Das ist so schnell, dass auch Computer in der Regel keinen Herzstillstand bekommen. Das Set S nimmt sich dagegen 50 ms. Computer können da schon mal unwillig reagieren, sodass eine Absicherung des Computers mit einer eigenen USV ("Unterbrechungsfreie Stromversorgung") ratsam ist. Diese bekommt man ab 70 Euro im Elektronikversand.

Eine andere Kleinigkeit ist der Eigen-Stromverbrauch des Backup-Systems, der natürlich nicht zu hoch sein sollte. Das Set S verbraucht 40 Watt, das Set M 48 Watt, was leider nicht ganz wenig ist. Man kann den Eigenverbrauch durch Auswahl des "Silent Mode" reduzieren, bei dem die PV-Anlage nachts vollständig vom Netz getrennt wird. Allerdings erhöht sich dadurch die Umschaltzeit bei Netzausfall; beim Sunny Backup 5000 nur auf 30 ms, beim Sunny Backup 2200 hingegen auf volle 10 Sekunden! Das liegt daran, dass das Gerät in eine Art Standby geht, aus dem es erst wieder aufwachen muss, bevor es die Stromversorgung übernehmen kann. Immerhin spart man über längere Zeit damit etwa 20% des Eigenverbrauchs.

Und schließlich gibt es noch ein weiteres nicht unwesentliches Kriterium. An den Sunny Backup 5000 (Set M) kann man zusätzlich einen handelsüblichen Kleingenerator anschließen, am Sunny Backup 2200 (Set S) geht das nicht. Der Generator wird vom Wechselrichter automatisch gestartet wenn Batteriekapazität und PV-Anlage nicht mehr reichen. So kommt man auch über längere Netzausfälle mit unzureichendem Solarstrom-Ertrag. Außerdem bietet es die Möglichkeit, die Batterie kleiner zu dimensionieren.

Batterie

Spätestens jetzt stellt sich die Frage, wie viel Kapazität so eine Batterie eigentlich hat. Oder anders ausgedrückt: Welche Überbrückungszeit bietet eine bestimmte Batteriekapazität? Üblicherweise wird die Kapazität einer Batterie in Amperestunden (Ah) angegeben. Im Kasten 2 finden Sie eine Erläuterung, was das heißt und wie man es in kWh umrechnet. Das Set S beinhaltet eine Batterie mit 3,4 kWh Kapazität. Damit lässt sich eine Verbraucherstruktur wie oben beschrieben über Nacht am Leben halten. Jedenfalls wenn man nicht 10 Stunden lang den Fernseher laufen lässt, sondern sich auf Heizung, Kühlschrank und Licht beschränkt. Sollte der Stromausfall auch am nächsten Tag noch anhalten und das Wetter keine Stromproduktion erlauben, sollte man sehr, sehr sparsam werden. Sonst reicht es bald auch für die Heizung nicht mehr. Sollte aber die Sonne scheinen, kann eine PV-Anlage mit 3 kWp die Versorgung übernehmen und gleichzeitig innerhalb weniger Stunden die Batterie wieder aufladen. Mit dem Set M sieht es ganz ähnlich aus. Die Batterie ist doppelt so groß und kann damit mehr Verbraucher durch die Nacht bringen. Die PV-Anlage sollte 5 kWp groß sein, sonst kann die Batterie auch bei gutem Wetter evtl. nicht ganz wieder aufgeladen werden.

Für alle Sets gilt, dass selbstverständlich auch größere bzw. mehr Batterien angeschlossen werden können, am Set M bis zu 480 kWh! Das ist natürlich viel zu viel und völlig unwirtschaftlich. Batterien sind recht teuer, deswegen sollte man sich gut überlegen, ob die Wahrscheinlichkeit eines sehr langen Stromausfalls die Investition in eine größere Batterie rechtfertigt. Die Wahrscheinlichkeit eines Stromausfalls, der länger als einen Tag anhält, ist trotz der Erfahrungen im Münsterland äußerst gering.

Wenn Sie sich für eine andere Batteriekapazität entscheiden, dann können Sie den Sunny Backup und die Schalteinrichtung einzeln kaufen, und dazu eine Batterie eines anderen Anbieters. In Frage kommen grundsätzlich Nickel-Cadmium-Batterien (NiCd), sowie Blei-Säure-Batterien mit festgelegtem Elektrolyt sowie flüssige Blei-Säure-Batterien.Für diese Typen ist das Batteriemanagement des Sunny Backup ausgelegt. Zu Vor- und Nachteilen fragen Sie bitte den Fachhändler Ihres Vertrauens oder Google.

Tabelle 2:

DC-Kopplung als Alternative

Vielleicht haben Sie sich gleich zu Anfang schon gefragt, ob es nicht einfacher ist, eine Batterie mit Laderegler direkt an die PV-Anlage anzuschließen. Das kann man durchaus so machen. Es nennt sich "DC-Kopplung", da die Batterie auf Gleichstrom-(DC-)Seite angeschlossen ist - im Gegensatz zur "AC-Kopplung", bei der die Batterie an das Wechselstrom-(AC-)Netz angeschlossen ist.

Der Laderegler sorgt für die Ladung der Batterie solange die PV-Anlage ausreichend Strom liefert. Der PV-Wechselrichter speist das was noch übrig ist ganz normal in das öffentliche Netz ein. Bei Stromausfall muss das Hausnetz vom Stromnetz getrennt und der Wechselrichter auf Inselbetrieb umgestellt werden. Jetzt sorgt der Wechselrichter dafür, dass bei Bedarf Leistung aus der Batterie zur Verfügung gestellt wird.
Die DC-Kopplung hat gegenüber der AC-Kopplung Vor- und Nachteile. Welche überwiegen, ist von der jeweiligen Situation. Hier eine kleine Auswahl der Unterschiede:

• DC-Kopplung kostet tendenziell weniger, da nur ein Wechselrichter nötig ist - allerdings nur dann, wenn nicht bereits ein normaler PV-Wechselrichter vorhanden ist.
• Batterieladeregler besitzen in der Regel kein richtiges MPP-Tracking. Die PV-Anlage wird dann nicht optimal ausgenutzt. Eine Alternative wäre ein PV-Wechselrichter, der die Batterie hinter dem MPP-Tracker integriert.
• Bei DC-Kopplung wird die Batterie mit teurem PV-Strom aufgeladen, bei AC-Kopplung mit preiswertem Bezugsstrom.
• Bei DC-Kopplung muss die Stringspannung in etwa der Batteriespannung entsprechen und man ist auf wenige geeignete PV-Wechselrichter festgelegt. Das beschränkt die Möglichkeiten zur Anlagenauslegung und damit die Effizienz der Anlage.

Inselnetzbetrieb

Ob man sich nun für DC- oder AC-Kopplung entscheidet - in jedem Fall wird ein Wechselrichter mit einer Fähigkeit benötigt, die ein normaler PV-Wechselrichter nicht hat: die Fähigkeit ein Inselnetz aufzubauen und zu regeln. Dazu gehört insbesondere der Ausgleich der Leistungen von Batterie, PV-Anlage und Verbrauchern. Dabei hat die PV-Anlage klaren Vorrang. Sie speist immer mit voller Leistung in das Inselnetz ein, die Batterie liefert nur die zur Deckung des Verbrauchs fehlende Leistung. Ist die Leistung der PV-Anlage größer als der momentane Verbrauch, dann wird die Batterie geladen.

Doch was passiert, wenn die Batterie bereits randvoll ist? Wohin mit der Leistung der PV-Anlage, wenn die Verbraucher nicht genug verbrauchen? Selbstverständlich darf die Batterie nicht überladen werden. Der Sunny Backup kennt dafür zwei Lösungen, je nachdem welcher PV-Wechselrichter vorhanden ist.
Ältere Geräte der SWR-Baureihe und auch alle alten trafolosen (TL) Sunny Boys werden über eine Frequenzerhöhung des Wechselstroms zum Abschalten gebracht. Die Versorgung des Inselnetzes geschieht danach vollständig aus der Batterie. Erst wenn die Batterie zu 5% entladen ist, wird der PV-Wechselrichter wieder eingeschaltet und die Batterie aufgeladen. Neuere Sunny Boys werden durch eine gezielte Erhöhung der Frequenz soweit abgeregelt, dass sie gerade genug Leistung zur Verfügung stellen, dass die Batterie nicht benötigt wird. Die Abregelung beginnt bei 51 Hz Frequenz und steigt linear an, bis bei 52 Hz eine Leistung von 0 Watt erreicht wird. Der Wechselrichter bleibt aber weiter am Netz und kann die eingespeiste Leistung sehr schnell wieder erhöhen, wenn z. B. zusätzliche Verbraucher eingeschaltet werden. Die Regelung funktioniert auch dann, wenn mehrere PV-Wechselrichter in das Inselnetz einspeisen.

Irgendwann ist jeder Stromausfall einmal zu Ende. Dann wird das Hausnetz automatisch wieder an das Stromnetz angeschlossen und die Notstromversorgung eingestellt. Das ist jedoch nicht so einfach wie es sich anhört, schließlich handelt es sich um zwei verschiedene Wechselstromsysteme, die höchst wahrscheinlich nicht synchronisiert sind. Das bedeutet die Sinuswellen der Wechselspannungen sind nicht aufeinander abgestimmt, sie sind zeitlich gegeneinander verschoben. Solche Netze kann man nicht einfach miteinander verbinden. Bevor also das öffentliche Stromnetz wieder zugeschaltet wird, verstellt der Sunny Backup die Inselnetzfrequenz so, dass die Phasenlagen sich allmählich annähern. Sobald sie übereinstimmen wird die Umschaltung vorgenommen.

Etwas schwieriger wird es, wenn sich das Inselnetz gerade in einem Zustand wie oben beschrieben befindet, also wenn die PV-Anlage gerade über eine Erhöhung der Frequenz abgeregelt ist. Die Frequenz kann dann unmöglich an die Netzfrequenz herangeführt werden, da in dem Fall sofort zu viel Leistung zur Verfügung stünde. Daher erhöht der Sunny Backup die Frequenz noch weiter bis auf 54,5 Hz. Der PV-Wechselrichter schaltet daraufhin komplett ab, die Versorgung geschieht aus der Batterie und es steht einige Zeit zur Verfügung um die Netzfrequenzen zu synchronisieren. Sobald das geschehen ist wird das öffentliche Stromnetz zugeschaltet und die Notstromversorgung beendet.