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Ein Paradigmenwechsel schafft grössere Wirtschaftlichkeit von Solaranlagen und eine höhere Kapazität im Netz.

PV Anlagen in Mitteleuropa produzieren rund 1000 kwh pro installierte kWp Leistung pro Jahr. Mit einem Paradigmenwechsel in der Dimensionierung von Modulfeld und Wechselrichter kann diese Zahl wesentlich erhöht und damit Kapazität für mehr Solarstrom in den Verteilnetzen geschaffen werden. Das BKW Technology Center erarbeitet zusammen mit Hochschulen Strategien, um mehr Solarstrom günstiger in das bestehende Netz zu integrieren. Das PV-Lab der Berner Fachhochschule BFH in Burgdorf untersucht mit uns die technischen Möglichkeiten der Umsetzung.

Es fällt auf, dass die installierte Wechselrichterleistung von PV Anlagen zumeist annähernd der Peak Leistung der Module entspricht. Damit wird versucht, die maximal mögliche Leistung der Solarmodule tatsächlich einzuspeisen, obschon die Spitzen nur einen geringen Beitrag zum Ertrag der Anlage beitragen. Gleichzeitig entstehen aber Kosten für die Bauherrschaft und die Allgemeinheit, wenn das Verteilnetz für diese Leistungsspitzen ausgebaut werden muss. Die unabhängige Dimensionierung von Wechselrichter und Modulfeld erlaubt es, die Stromproduktion pro Leistungseinheit zu steigern und gleichzeitig die Kosten für Netzausbau zu senken.

Der Ansatz kommt insbesondere bei der Optimierung von Arealen, Eigenverbrauchsgemeinschaften und Gebäudeportfolios mit Solar Contracting zum Tragen.

Praxis und Theorie treffen am Beispiel einer Eigenverbrauchsgemeinschaft aufeinander

Die Abbildung zeigt die 6 Teildächer der Eigenverbrauchsgemeinschaft (blaue Flächen) mit der Panelleistung (kWp) sowie den Vergleich der drei verglichenen Varianten.

Wie so oft bei Erkenntnissen stand auch bei dieser Geschichte am Anfang der Kunde: Für 135 kWp dachintegrierte Solaranlagen auf den Mehrfamilienhäusern einer Eigenverbrauchsgemeinschaft war das Anschlussgesuch beim Installateur liegen geblieben. Als dieser es endlich eingereicht hatte, waren die Dächer schon fertig gebaut, inklusive der Solaranlagen. 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 Peakleistung zu schliessen, boten sich drei Varianten an:

1.Rückbau der gesamten Solaranlage auf 67.5 kWp und Ersatz durch konventionelle Ziegel. Elektronische Abregelung auf 60 kWp

  • Der Rückbau der Anlage um 50 Prozent der Fläche hat Einbussen von 50 Prozent Stromertrag zur Folge. Das wäre weder im Interesse des Bauherrn noch der Energiestrategie.
  • Weil das Dach bereits als Solardach gebaut ist, wäre der nachträgliche Ersatz der Solaranlage mit Tonziegeln sehr teuer und aufwändig

2. Elektronische Abregelung der Einspeiseleistung auf 60 kVA und Pufferung mittels Batterie und Eigenverbrauch

  • Die Leistung der Wechselrichter kann elektronisch auf 60 kVA reduziert werden, falls volle Produktion und kein zeitgleicher Eigenverbrauch vorhanden ist. Im Vergleich zur Variante 1 wird der Ertrag nur um 11% reduziert, weil die Fläche der Solarmodule auf der ursprünglichen Grösse bleibt.
  • Auf Netzausbau kann vollends verzichtet werden

3. Verkleinerung der Wechselrichteranlage auf 67.5 kVA und Pufferung mittels Eigenverbrauch

  • Es werden nur halb so viele Wechselrichter installiert (67.5 kVA) die zusätzlich elektronisch auf 60 kVA abgeregelt werden können, wenn volle Produktion und kein zeitgleicher Eigenverbrauch vorhanden ist. Im Vergleich zur Variante 2, welche die gleichen Erträge verspricht, können bei Variante 3 die Wechselrichterkosten um ca. 50 Prozent reduziert werden.
  • Auf Netzausbau kann auch hier vollends verzichtet 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 die Hälfte zu reduzieren. Die Einsparungen waren viel grösser als die Einbussen.

Die Theorie dahinter: Grenznutzenbetrachtung zur Bestimmung der optimalen Wechselrichterleistung

Der Grenznutzen der zusätzlichen Wechselrichterleistung besteht im Mehrertrag, den die Anlage dadurch erbringen kann. Dieser sollte immer höher sein als die Grenzkosten (Kosten der Investition, die für den zusätzlichen Ertrag aufgewendet werden), damit die Rechnung aufgeht. Die oben abgebildete Dauerlinie der Anlage zeigt diesen Zusammenhang grafisch. Daraus geht hervor, dass rund die Hälfte des Stromertrags einer Solaranlage mit den untersten 20 Prozent (!) der Wechselrichterleistung produziert wird. 85 Prozent des Ertrags werden mit weniger als 50 Prozent Leistung geerntet und nur gerade 3.5 Prozent mit dem obersten Drittel der Leistung. Bei Anlagen, die nicht genau nach Süden ausgerichtet sind, vergrössert sich der Anteil der Produktion bei kleiner Leistung. In unserem Beispiel haben wir Ost-West-Dächer betrachtet, auf welchen mit 50% Leistung 89% der Energie produziert werden.

Die Grenzkosten der Wechselrichter nehmen gegen oben exponenziell zu, weil sie immer weniger zum Ertrag beitragen. Einen Sprung nach oben machen sie zudem auf dem Leistungsniveau, wo Netzausbau notwendig wird. Grosse Anlagen mit wirtschaftlich dimensionierten Wechselrichtern optimieren ihre Produktion für den Eigenverbrauch und verzichten eher auf die Leistung oberhalb dieser Grenze für die Einspeisung, womit sie die Kosten für den Netzausbau umgehen können.

Mehr Volllaststunden: Neue Herausforderungen für die Wechselrichter

Die Wechselrichter bewirtschaften bei einem überdimensionierten Modulfeld eine grössere Kapazität aus den Solarzellen. Die Volllaststunden und die Energieproduktion pro Wechselrichter nehmen zu. Dass es Wechselrichter Hersteller gibt, die schon in diese Richtung denken, sieht man am Beispiel der Symo Linie von Fronius, welche die Geräte dafür baut und die entsprechende 2:1 Dimensionierung im Datenblatt aufführt.

Ob die Dimensionierung jeweils 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.

Bedeutung für die Energiestrategie 2050

Die unabhängige Dimensionierung von Modulfeld und Wechselrichter hilft dabei, die Leistungskurve der Anlagen zu glätten sowie die Produktion zu verbreitern (grösseres Modulfeld produziert früher am Vormittag und länger am Nachmittag sowie mehr Solarenergie von Herbst bis Frühling). Die Produktion kann dadurch einen grossen Anteil des Eigenverbrauchs decken und mehr Solarstrom kann sinnvoll ins bestehende System integriert werden. Der Ansatz der unabhängigen Dimensionierung von Modulfeld und Wechselrichter ist ein sehr einfaches und praktisches Instrument, um die Energiestrategie effizienter, sicherer und kostengünstiger umzusetzen.

Ausblick

Damit das Zusammenspiel zwischen Endkunden, Installateuren und Netzbetreibern funktioniert, muss jede Partei die für sie relevanten Daten und Informationen erhalten. Ohne Umschweife und ohne Zeitverzögerungen, partnerschaftlich und auf Augenhöhe. Auch da ist ein Paradigmenwechsel angezeigt. Wie dieser mit neuen, digitalen Prozessen ermöglicht wird, soll Inhalt eines nächsten Artikels sein werden.

Anmerkungen

kWp (Kilowatt Peak) ist die maximale DC-Leistung, welche die Solarpanels bei optimalen Bedingungen (Strahlung, Temperatur, Sonnenstand, Verschmutzung) liefern können.

kVA (kilo Volt Ampere) ist die AC (Schein-) Leistung, welche der Wechselrichter ins Netz einspeisen kann. Sie ist entscheidend für die Dimensionierung des Netzanschlusses. Im vorliegenden Fall entspricht sie der Wirkleistung in kW, weil keine Phasenverschiebung bzw. Blindleistung erzeugt wird.

Das erwähnte Beispiel basiert auf einem echten Fall. Die Angaben wurden zwecks besserer Leserlichkeit und Anonymität des Kunden leicht vereinfacht.

Martin Bolliger

Martin Bolliger

Martin Bolliger ist Leiter des 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.