Zentrales Nervensystem

In puncto Wirkungsgrad garantieren Wechselrichter bereits Höchstwerte. Mit der Digitalisierung der Energiewende rücken die Anforderungen an sie in Sachen Vernetzung, Speicherintegration und Flexibilität in den Mittelpunkt. Unser Beitrag liefert einen Überblick über den Stand der Technik und die Trends.

Rund 145 000 neue Solaranlagen sind in Deutschland 2020 ans Netz gegangen. Immer mehr Hausbesitzer entscheiden sich für die Stromversorgung vom eigenen Dach und immer mehr nehmen auch einen Speicher mit dazu. Im Fokus stehen zunehmend ganzheitliche Energiesysteme, die eine Vernetzung der Sektoren Strom, Wärme und Mobilität ermöglichen. Mit Hilfe eines intelligenten Energiemanagers kommunizieren Wechselrichter, Batterie, Wärmepumpe, Ladesäule so miteinander, dass der Solarstrom vom Dach möglichst effizient und direkt vor Ort genutzt wird. Dadurch versorgen sich Anlagenbetreiber zunehmend mit klimafreundlicher Energie. Sie sparen nicht nur bei den Stromkosten, sondern senken auch ihre Ausgaben für Mobilität und Heizung.

Konnektivität und Kommunikation

Die Wechselrichter und alle weiteren Komponenten im System tauschen Informationen aus, um den optimalen Einsatz von Solarenergie zu gewährleisten. Im Haushalt übernimmt ein Energiemanager die Steuerung und die zentrale Funktion der Kommunikation. Er überwacht die Energieflüsse im Haushalt und bindet Verbraucher wie Elektrogeräte, Wärmepumpen aber auch Ladesäulen für Elektrofahrzeuge über Standard-Schnittstellen wie EEBUS oder SEMP-Protokolle in das häusliche Energiesystem ein. Hierbei spielt die Qualität der Kommunikation eine entscheidende Rolle. Früher wurden die Verbraucher zugeschaltet, ohne Berücksichtigung der individuellen Gegebenheiten wie Wetterprognose oder individuelles Lastverhalten im Haushalt. Ob die Verbraucher komplett mit Solarstrom versorgt wurden, war eher Zufall. Heute werden bei Schalthandlungen alle Rahmenbedingungen wie aktuelle und zukünftige Einstrahlung sowie der aktuelle und prognostizierte Verbrauch berücksichtigt. So wird sichergestellt, dass die Verbraucher auch ausschließlich mit Solarstrom versorgt werden. Durch die integrierte künstliche Intelligenz des Energiemanagers passt sich dieser automatisch dem Verbrauchsverhalten des jeweiligen Haushalts an und lernt Stück für Stück dazu. Das Zusammenspiel von Verbrauchern und Solarenergie wird dabei über Monitoring-Portale visualisiert. Der Nutzer kann selbst einsehen, welche Verbraucher mit welchem Energiemix – Sonne, Batterie, Netz – versorgt werden.

AC-gekoppelte Speicher bieten Flexibilität

Eine wichtige Anforderung an die Solar-Wechselrichter der Zukunft ist ihre flexible Erweiterbarkeit. Energiesysteme und mit ihnen die Solaranlagen müssen sich den Bedürfnissen der Nutzer anpassen. Das gilt für die Größe der Anlage genauso wie für die Erweiterbarkeit um Speicher oder weitere Bereiche. AC-gekoppelte Speichersysteme spielen hier eine entscheidende Rolle und machen die Speichererweiterung möglich, ohne das ursprüngliche Design der Photovoltaik-(PV)-Anlage zu verändern. Speicher können so jederzeit nachgerüstet werden, ohne Wechselrichter und PV-Anlage updaten zu müssen. AC-gekoppelte Speicher ermöglichen es in der Endausbaustufe sogar, zeitunabhängig zusätzliche Batterien anzuschließen, wenn eine Batterie nicht mehr ausreicht. Batterie-Wechselrichter mit Multibatteriekonzept erlauben den Anschluss von bis zu drei Batterien auch von unterschiedlichen Herstellern. Der Vorteil für den Nutzer: Er bindet sich nicht an ein einmal installiertes und dann fertiges System, sondern ist auch für die Zukunft flexibel aufgestellt und kann sein Energiesystem jederzeit neuen Anforderungen anpassen.

Höhere Erträge und einfacher Service

Nach wie vor sind Wechselrichter dafür zuständig, dass immer ausreichend Solarstrom zur Versorgung der verschiedenen Verbraucher oder zum Zwischenspeichern in den Batterien zur Verfügung steht. Doch dazu muss der Energiewandler zunehmend intelligenter werden. Denn in den Eigenverbrauchsanlagen geht es darum, möglichst über den gesamten Tagesverlauf maximale Erträge zu erwirtschaften. Moderne String-Wechselrichter verfügen daher über integrierte Features, die den Ertrag der Solaranlage für den Betreiber optimieren und den Installations- und Wartungsaufwand für den Installateur reduzieren.

Polystrings lösen Probleme komplexer Dachstrukturen

Anlagendesigns mit unterschiedlicher Ausrichtung der Module nach Osten, Süden und Westen rücken in den Fokus. Damit steht auch in den frühen Morgenstunden sowie in den späteren Abendstunden noch Solarenergie für den Eigenverbrauch zur Verfügung. In solchen Szenarien würde man davon ausgehen, dass je nach Ausrichtung mehrere Wechselrichter benötigt werden. Wirtschaftlicher ist es hingegen, wenn Wechselrichter ein so genanntes Polystring-Design ermöglichen. Dann können zwei verschieden ausgerichtete PV-Generatoren (gleicher PV-Modultyp, aber unterschiedliche Ausrichtung) parallel und über einen gemeinsamen Maximum Power Point Tracker verschaltet werden. Das reduziert Aufwand und Kosten.

Moduloptimierer verzichtbar

Auf zusätzliche Hardware wie Moduloptimierer kann verzichtet werden. Integrierte Softwares wie die SMA Shade-Fix machen die zusätzliche Installation von Moduloptimierern überflüssig, weil sie den Energieertrag auch bei Verschattung durch Bäume oder Dachgauben optimiert. Die Software scannt in regelmäßigen Abständen mit einem sehr schnellen und genauen Tracking-Algorithmus die Leistungskennlinie der Solaranlage, um die höchstmöglichen Leistungs-Peaks zu ermitteln und stellt sicher, dass der Wechselrichter stets den globalen Maximum Power Point (GMPP) findet. Energieverluste aufgrund von Verschattung werden damit auf ein absolutes Minimum reduziert.

Wechselrichter-Monitoring reduziert Ausfallzeiten

Moderne, integrierte Wechselrichter-Monitorings benachrichtigen Installateur und Anlagenbetreiber im Servicefall schnell und automatisch und liefern die passende Diagnose gleich mit. So werden Ausfallzeiten im System minimiert und der Installateur spart wertvolle Arbeitszeit für Analyse und Fehlerbehebung.

Für den Installateur wird’s einfacher

Für Installateure ist die Installation eines Wechselrichters heute insgesamt einfacher denn je. String-Wechselrichter für den Einsatz im häuslichen Energiesystem sind deutlich kleiner und handlicher sowie leichter als früher und lassen sich bequem von einer Person installieren. Auch die Inbetriebnahme wird durch integrierte User Interfaces mit intuitiven und automatisierten Konfigurationsassistenten vereinfacht und ist in wenigen Schritten intuitiv durchführbar, ohne das Gerät zu öffnen. Gleichzeitig stehen dem Fachhandwerker immer mehr praktische Apps zur Verfügung, die sein Tagesgeschäft erleichtern, indem sie Anlagensimulation, Planung, Inbetriebnahme und Monitoring sowie automatische Benachrichtigung im Servicefall vernetzen und die Daten jederzeit auf Handy oder Tablet zur Verfügung stellen. Und auch Anlagenbesitzer wollen bequem über den aktuellen Status ihres Energiesystems informiert sein, Informationen abrufen oder Befehle an die einzelnen Verbraucher geben können. Apps für Smartphones und Tablet machen das mit den Informationen, die das Energiesystem liefert, einfach möglich.

Und was gilt für gewerbliche Solarsysteme?

In den vergangenen Jahren wurden Wechselrichter für den gewerblichen Einsatz bezüglich ihres Wirkungsgrads bei geringer Sonneneinstrahlung weiter optimiert. Ermöglicht wird dies durch neue Halbleiter-Materialien wie Siliziumkarbid. Solarwechselrichter wie der Sunny Highpower Peak3 ermöglichen so die Wandmontage bei 150 kW Leistung und erreichen bereits bei 5 % Leistung 98 % Wirkungsgrad. Und auch im gewerblichen Umfeld spielen Vernetzung und Intelligenz des Gesamtsystems eine entscheidende Rolle für die Optimierung von Energieverbrauch und Betriebskosten. Hier stehen zumeist die Betriebskosten im Fokus. Neue Technologien zur Generator-Überwachung können hier helfen, den Wartungsaufwand zu reduzieren. Mussten bislang jährliche Kennlinien-Messungen der Photovoltaik-Strings mit Spezialgeräten vorgenommen werden, übernehmen gewerbliche Wechselrichter diese Aufgabe zukünftig automatisiert.

Interessant für produzierende Betriebe ist die Kompensation des Blindleistungsbedarfs des Maschinenparks. Aktuelle Wechselrichter können Blindleistung auch bei Nacht ohne Wirkleistungseinspeisung bereitstellen. Dies spart laufende Kosten für den Blindleistungsbezug vom Energieversorger (EVU) bzw. die Investition in eine Kompensationseinrichtung.

Dienen Speicher im Eigenheim-Bereich vor allem der Erhöhung des Eigenverbrauchs, ergeben sich im Gewerbe-Bereich große Einsparmöglichkeiten durch gezielten Einsatz zur Spitzenlastkappung. Der anhand der monatlichen Spitzenlast festgemachte Leistungspreis ist ein wesentlicher Hebel zur Reduktion der Energiebezugskosten.

Solare Energiesysteme im gewerblichen Bereich senken Betriebskosten, indem sie insbesondere auf die Spitzenlastkappung abzielen.

Gewerbliche Wechselrichter übernehmen bestimmte Überwachungsaufgaben zukünftig automatisiert.

Ein Ausblick: Mehr Nachhaltigkeit

Ganz klar, die Solarindustrie hat den Einsatz von nachhaltiger Energie im Fokus. Doch für die Branche ist das Thema Nachhaltigkeit damit nicht abgeschlossen. Denn auch die Produkte und die Produktionsprozesse sollen und müssen nachhaltiger und umweltfreundlicher werden. Es gibt das Vorhaben der EU, Ecodesign-Vorgaben für PV-Anlagen festzulegen, sowie ein Energielabel und Regeln für ein Green Public Procurement zu schaffen. Auch ein erstes internationales Ecolabel vom Green Electronic Council in den USA für PV-Module und Inverter wurde bereits veröffentlicht. Darunter fällt der effiziente Umgang mit Materialien. Das bedeutet nicht nur geringeren Materialverbrauch, sondern auch Substitution – insbesondere durch Materialien, die keine negativen Auswirkungen auf die Umwelt, die Gesundheit und Menschenrechte haben. Gleichzeitig ist bei der Herstellung ein effizienterer Umgang mit Energie gefordert. Beginnend bei der Gewinnung von Rohstoffen bis zur Entsorgung. Denn das Ziel muss es sein, kostbare natürliche Ressourcen zu schonen, damit Wechselrichter und Ener gielösungen mit innovativen Technologien noch langlebiger, servicefreundlicher und recyclingfähiger werden.

Autor: Thomas Thierschmidt, Platform Product Manager Power Conversion Home, SMA und Bo LØnborg Müller, Platform Manager Digital Solutions Business, SMA

Bilder: SMA