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Die Zukunft der Wechselrichter

Der Ausbau regenerativer Energien schreitet rasant voran. Immer mehr Blockheizkraftwerke, Photovoltaik- oder Windkraftanlagen gehen ans Netz. Damit einher geht ein Wandel der Energieversorgung weg von einer zentralen Struktur mit großen Grundlast- und Spitzenlastkraftwerken hin zu vielen kleinen, dezentralen Erzeugern.
Verteilten bislang Großkraftwerke den Strom von oben nach unten, fließt Energie künftig zwischen den Netzen unterschiedlicher Spannungsebenen in alle Richtungen. Dabei bestimmt zunehmend die Energieerzeugung den Verbrauch. Bis dato war es umgekehrt. Wechselrichter sitzen an der Schnittstelle zwischen Erzeuger und Netz, deshalb spielen sie im Umbauprozess hin zu intelligenten Stromnetzen eine wichtige Rolle. Auch auf die unregelmäßig schwankende Energieproduktion aus erneuerbaren Energien müssen sich Netzbetreiber einstellen. Steigt der Anteil der erneuerbaren Energien, muss der Einsatz konventioneller Energie reduziert werden. Deshalb erfordert die Vielzahl dezentraler Kraftwerke eine neue Betriebsführung des Stromnetzes – das intelligente oder smarte Netz. Ein optimales Netzmanagement mit steigender Durchdringung dezentraler Erzeuger verlangt eine verbesserte Abstimmung zwischen Erzeugung, Speicherung, Verteilung und Verbrauch. Wie ein solches Konzept genau aussehen kann, wird derzeit in zahlreichen Forschungsprojekten entwickelt.

Vom Lieferanten zum Netzmanager

In intelligenten Netzen müssen Wechselrichter sukzessive Netzmanagement-Funktionen übernehmen, die bislang ausdrücklich verboten waren. Erstmals werden Erzeugungsanlagen nicht mehr als negative oder additive Last betrachtet, sondern als Kraftwerke, die bei Netzstörungen stabilisierend reagieren müssen, anstatt sich vom Netz zu trennen. Verteilnetzbetreiber müssen die Möglichkeit erhalten bei Netzüberlastung die Leistung von PV-Anlagen abzuregeln. Kaco new energy hat 2009 als einer der ersten Hersteller seine Wechselrichter und seinen großen Datenlogger aufgerüstet, damit dieser die Signale eines Rundsteuerempfängers auswerten und als Stellvorgabe an die Wechselrichter weitergeben kann. Von den Herstellern bereits realisierte Funktionen der Netzunterstützung sind die Reduzierung der Wirkleistung in Abhängigkeit von der Netzfrequenz und das langsame Anfahren nach Fehlerabschaltung und das versetzte Zuschalten der Wechselrichter. Um dem Netzbetreiber ein geordnetes Hochfahren des Netzes nach einem Fehler zu ermöglichen, ist es notwendig, dass die Einspeiseleistung langsam gesteigert wird. Die Leistungsabregelung und eine zentrale Steuerung der einzelnen Einheiten sind ohne größeren Entwicklungsaufwand in die bestehenden Wechselrichter-Topologien zu integrieren. Dagegen erfordert die Bereitstellung von Blindleistung, durchweg digitale Steuerungen. Blindleistung entsteht, wenn Strom und Spannung phasenverschoben sind. Je nachdem, in welche Richtung die Phasen gegeneinander verschoben sind, spricht man von induktiver respektive kapazitiver Phasenverschiebung. Während Wirkleistung nutzbare Energie ist, mit der sich elektrische Geräte betreiben lassen, lässt sich mit Blindleistung keine Arbeit verrichten. Stattdessen pendelt sie im Stromnetz hin und her. Durch die Kompensation vorhandener Blindleistung lässt sich das Netz entlasten bzw. die Aufnahmekapazität erhöhen. Darüber hinaus lässt sich mit der Einspeisung von Blindleistung die Netzspannung regulieren. Denn eine kapazitive Phasenverschiebung erhöht die Spannung, eine induktive senkt sie. Ab 1. April 2011 müssen Wechselrichter das Netz zudem dynamisch stützen. Sie müssen bei Spannungseinbrüchen und Kurzschlüssen am Netz bleiben (bislang mussten sie sich sofort trennen) und einen definierten Blindstrom einspeisen. Auch diese Funktionen erfordern erhebliche Entwicklungsarbeit. Die Investitionen in einen Photovoltaikwechselrichter mit netzstabilisierenden Eigenschaften schaffen so die Voraussetzung für ein stabiles Netz und damit für den unbegrenzten Zubau der Solarstromerzeugung.

Vom Netzstützen zum Netzbilden

Wechselrichter werden in Zukunft weit mehr leisten. Ein echtes multidirektionales Energienetzwerk bedeutet für Wechselrichter den Übergang vom Netzstützen zum Netzbilden. Dabei beteiligen sich Wechselrichter am Lastmanagement: Eine Echtzeitmeldung über die bereitstehende Leistung dient dem Eigenverbrauch durch den Anlagenbetreiber oder andere Verbraucher in der Nähe. Wird der Solarstrom eingespeist, dient diese Information dem Kraftwerksmanagement durch den Verteilnetzbetreiber. Eigenverbrauch von selbst erzeugtem Solarstrom hilft Kosten für Netzstrom zu vermeiden. Kaco new energy hat einen Initiativvorschlag unterbreitet, wie der Eigenverbrauch technisch umgesetzt werden kann. Dazu stattet der Neckarsulmer Hersteller seine Powador-Wechselrichter optional mit dem Relais 33 aus: Um die Verbraucher im Haushalt zu starten, gibt das Relais 33 ein Steuersignal an ein externes Lastrelais. Dieses schaltet die Stromversorgung z.B. für Markisen, Klimaanlagen oder Bewässerung frei. In der Werkseinstellung schaltet das Relais 33, wenn der Wechselrichter über 30min 250W liefert. Die Differenz zwischen Produktionszähler und Einspeiszähler ergibt die Menge des selbst verbrauchten Solarstroms.

Zukunftsmusik Smart Grid

Bevor der Wechselrichter der Zukunft jedoch Realität werden kann, muss das Smart Grid Fortschritte machen. Was sich klar abzeichnet, ist, dass auf einen Teil der bislang vorgehaltenen Regelenergie verzichtet werden kann. Die Steuerung erfolgt künftig über den Energieverbrauch, indem Geräte gezielt zu- und abgeschaltet werden. Dazu ist eine bidirektionale Datenkommunikation einerseits zwischen Erzeugern und Verbrauchern, andererseits zwischen den Energieversorgungsnetzen nötig. Über welche Kanäle die Kommunikation erfolgen soll, wird derzeit intensiv getestet: Über die Stromleitung selbst oder lieber über einen zusätzlichen Kanal wie das Telefon- und Datennetz? Über ein Mobilfunknetz der ersten Generation wie GSM oder über ein Breitbandnetz wie GPRS oder UMTS? Oder über eine Kombination von Netzen? Digitale Stromzähler, sogenannte Smart Meter, schaffen die Voraussetzungen für das Stromnetz der Zukunft. Energieversorger könnten dann automatisch und zu jeder Zeit den Stromverbrauch ihrer Kunden aus der Ferne erfassen. Zeitlich flexible Anwendungen, z.B. Wäschewaschen, auf Zeiten ‚billigen Stroms‘ in der Nacht verschoben werden. Die Geräte melden dabei bereits im Voraus, zu welcher Zeit und für wie lange sie in Betrieb gehen werden. Das glättet Verbrauchsspitzen und entlastet so das Stromnetz.

Offene Fragen

Auf dem Weg zum Wechselrichter der Zukunft sind nicht nur technische Aspekte zu klären: Angesichts stetig steigender Geräteanforderungen und rapide sinkender Preise stellt sich auch die Frage, in welchem Erdteil die zukünftigen Wechselrichter langfristig gebaut werden? Lässt sich der steigende Kostenanteil des Wechselrichters an einer Solarstromanlage vermitteln? Kann die Preissteigerung über höhere Stückzahlen aufgefangen werden? Und sind die Verbraucher damit einverstanden, ihre Verbrauchsgewohnheiten offen zu legen?

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