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Das BKW Technology Center erarbeitet zusammen mit verschiedenen Hochschulen Strategien, um mehr Solarstrom mit weniger Zusatzkosten in das bestehende Verteilnetz zu integrieren. Der Ansatz der unabhängigen Dimensionierung von Modulfeld und Wechselrichter könnte ein Schlüssel dazu sein. Das PV-Lab der Berner Fachhochschule BFH in Burgdorf untersucht mit uns die technischen Möglichkeiten der Umsetzung.

Und so kam es überhaupt erst dazu

Wie so oft bei bedeutenden Erkenntnissen in der Forschung stand auch bei dieser Geschichte am Anfang nur ein Zufall: Für eine grosse, dachintegrierte Solaranlage mit 135 kWp war das Anschlussgesuch beim Installateur liegen geblieben. Als dieser es endlich eingereicht hat, war das Dach schon fertig gebaut, inklusive der Solaranlage. Der Anschluss wurde von der BKW mit Netzverstärkung bewilligt, mit offerierten Kosten von 42’000 Franken für den Kunden und über 150’000 Franken Aufwand für den Netzbetreiber. Der Anschluss hätte von bestehenden 60 kW auf 135 kW Leistung mehr als verdoppelt werden müssen, um die Spitzenleistung der Anlage bei idealen Bedingungen aufnehmen zu können.

Weil damit die Wirtschaftlichkeit der Anlage dahin gewesen wäre, musste eine Alternative her. Um die Lücke zwischen 60 kW Anschlussleistung und 135 kW Produktionsleistung zu schliessen, boten sich drei Szenarien:

  1. Rückbau der PV Panels auf 60 kWp Leistung und Ersatz durch konventionelle Ziegel
    • Weil das Dach bereits als Solardach gebaut war, wäre der teilweise Ersatz der Solaranlage mit Tonziegeln sehr aufwändig und unsinnig gewesen
    • Der Rückbau des Modulfelds um 55 Prozent der Fläche hätte 55 Prozent weniger Stromertrag zur Folge
  2. Elektronische Abregelung der Einspeiseleistung und Pufferung mittels Batterie
    • Technisch interessante Lösung. Die Abregelung der Wechselrichter um 55% auf 60 kW Leistung würde zu einem Minderertrag von ca. 15 Prozent führen, ein Teil davon könnte mit Batterien wieder wettgemacht werden.
    • Durch die zusätzlichen Komponenten und Regelungen entstehen Mehrkosten
  3. Nutzung der gesamten Dachfläche für PV, Redimensionierung der Wechselrichterleistung auf 60 kW
    • Die Redimensionierung der Wechselrichter um 55% auf 60 kW Leistung würde zu einem Minderertrag von ca. 15 Prozent führen, ein Teil davon könnte mit Batterien wieder wettgemacht werden.
    • Die Wechselrichterkosten könnten um ca. 50 Prozent reduziert werden.

Bei genauem Hinsehen hat sich die dritte Variante als beste erwiesen, auch wenn sie auf den ersten Blick sehr radikal wirkt. Wir empfahlen dem Kunden tatsächlich, seine Wechselrichterleistung um mehr als die Hälfte zu reduzieren. Denn die Einbussen bei der Stromproduktion machen weniger als 15% der Energie aus und weniger als 5% des finanziellen Ertrags, wegen der Differenz zwischen Eigenverbrauch und Rückspeisetarif.

Die Theorie dahinter: Mehr Stromertrag trotz weniger Leistung

Die Grafik zeigt: Fast die Hälfte des Stromertrags einer Solaranlage wird mit den untersten 20 Prozent (!) der Wechselrichterleistung produziert. 85 Prozent des Ertrags werden mit den untersten 50 Prozent geerntet und nur gerade 3.5 Prozent mit den obersten 30% Leistung. Grosse Anlagen, richtig dimensioniert, sparen die Investitionen für den Netzausbau, der sonst für die Leistungsspitzen notwendig wäre. In wie weit die Dimensionierung hardwareseitig (Weglassen der Wechselrichter) oder softwareseitig (Abregelung der Leistungsspitzen) sinnvoller ist, wird derzeit in einer Forschungsarbeit unter Professor Muntwyler der BFH Burgdorf, PV-Lab erforscht. Zu diesem Zweck wird auf dem akkreditierten Prüfstand das Temperaturverhalten unterschiedlicher Wechselrichtertypen ausgemessen.

 

Die Stundenwerte der Solaranlage über das ganze Jahr verteilt machen deutlich, dass im gelben Bereich die Leistung mit einer hohen Verlässlichkeit vorliegt. Hier entsteht der grosse Anteil der Energie der Anlage. Das Ideale Spannungsband liegt am Morgen früher und am Abend länger vor, sodass die Wechselrichter mehr Zeit haben um Energie zu produzieren. Sonnenenergie, die im Haus für Geräte, Beleuchtung, Elektromobilität, Wärme/Kühlung und Warmwasseraufbereitung im Eigenverbrauch verwendet wird. Die Leistungsspitzen, rot dargestellt, treten während relativ kurzen Zeiten auf. Dann nämlich, wenn die Sonne steil auf die kühlen und sauberen Module scheint, etwa nach dem Durchzug einer Kaltfront. Der Anteil an der wirtschaftlichen Energieproduktion der Spitzen wird zustätzlich geschmälert, weil diese oft den Leistungsbereich übersteigen, der im Haus verwendet werden kann. Statt Eigenverbrauch, müsste der Strom dann zu Marktpreisen ins Netz eingespeist werden.

Die Wechselrichter bewirtschaften bei einem relativ überdimensionierten Modulfeld eine grössere Fläche und die Volllaststunden und die Energieproduktion pro Wechselrichter nehmen zu. Einige Wechselrichter, die an der BFH untersucht worden sind, können diese erhöhten Anforderungen erbringen, ohne dass die Temperatur der Komponenten ansteigt und damit die Lebensdauer abnimmt. Andere wiederum kommen ins Schwitzen. Hier empfiehlt es sich, grössere Geräte einzukaufen und die Leistungsregelung über die Software zu aktivieren. Die Messkampagne wird weiter fortgeführt, um die Resultate besser verwenden zu können.

Anmerkung: für die bessere Leserlichkeit verwendet der Autor kW (Kilowatt) sowohl bei der DC Leistung wie bei der AC (Schein-) Leistung, welche technisch korrekt als kVA (Kilovoltampere) notiert werden müsste.

Martin Bolliger

Martin Bolliger

Martin Bolliger ist Projektmanager im BKW Technology Center und befasst sich dort mit verschiedenen Aspekten der Energiezukunft. Seine Schwerpunktthemen sind Solarenergie, Speicher und Elektromobilität. Er fährt seit 20 Jahren mit Elektroautos und Velos mit Stromunterstützung.