Für ein Maximum an Energieausbeute

Während beim Thema Solarenergie häufig nur vom Energieträger Sonne und den Silizium-Panels zur Energiegewinnung gesprochen wird, darf nicht vergessen werden: Es gibt noch mehr wichtige „Para­meter“, die notwendig sind. Ebenso entscheidend sind elektrotechnische Gesamtlösungen mit hohem Wirkungsgrad, die das vorhandene Potenzial optimal ausschöpfen können. Die Gegenwart folgt dem Trend, die kostenlose Sonnenenergie so effizient wie möglich zu nutzen.

Und das ungeachtet der Situation, wie die Stromeinspeisung von der jeweiligen Regierung bezuschusst wird. Der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) etwa verweist darauf, dass 800 GW an neu bereitzustellender Stromerzeugungskapazität die Voraussetzung dafür sind, die Umgestaltung des europäischen Strommarkts bis 2030 erreichen zu können. Ein solcher Neubaubedarf bedeutet ein Investitionsvolumen von mehr als eine Billion € in den nächsten 20 Jahren.

Zwei Drittel davon sollen aus dem Bereich der erneuerbaren Energien stammen, was eine Verdreifachung im Vergleich zum Jahr 2007 bedeuten würde. Selbst wenn der Solarmarkt derzeit zum Energiemix noch einen relativ unwesentlichen Anteil beiträgt, zeichnen die Entwicklungsprognosen ein vollkommen anderes Bild: Der VDMA schätzt in seiner Stromversorgungsprognose, dass Solarstrom bis zum Jahr 2030 einen Anteil von fünf % haben könnte, also etwa 182 TWh. Solche Zahlen geben Anlass, in langfristige Versorgungskonzepte zu investieren.
Neben den Solarmodulen ist natürlich auch die dahinter stehende Technik ein wesentlicher Aspekt bei der Energiegewinnung und dem damit verbundenen monetären Ergebnis. Vor diesem Hintergrund bietet Siemens Wechselrichterlösungen Sinvert PVS für Leistungen zwischen 350 kW und 2.000 kW und einem maximalen Wirkungsgrad von 98,4 % an. Gemessen an der Gesamtinvestition eines Solarkraftwerks spielen die Wechselrichterkosten nur eine untergeordnete Rolle. In Bezug auf das Ertragsvolumen redet diese innovative Zentral-Wechselrichtertechnik dagegen ein überaus gewichtiges Wort mit.

Ein wesentlicher Aspekt dabei ist, dass die Systeme nach dem Master-Slave-Prinzip arbeiten. An einen Master können bis zu drei Slaves angeschlossen werden. Durch die intelligente Leistungszuordnung der PV-Felder werden die einzelnen Wechselrichter entsprechend dem Energieaufkommen ausgesteuert. Damit werden der optimale Betriebspunkt (MPP, maximum power point) jedes einzelnen Wechselrichters und so ein maximaler Wirkungsgrad des gesamten Solarfelds schneller erreicht, was sogar für den Teillastbereich gilt.
Selbst die Verfügbarkeit lässt sich durch dieses Schaltungsprinzip erhöhen, weil die Steuerung nur genau die gerade erforderliche Anzahl von Wechselrichtern mit PV-Strom beaufschlagt.

Die nicht benötigten Slaves bleiben so lange ausgeschaltet, bis sie benötigt werden. Das spart Verlustleistung und verlängert ihre Lebensdauer. Zusätzlich ist die Steuerung in der Lage, die Auslastung der einzelnen Slaves zu synchronisieren. Das bedeutet, die Slaves einer Master-Slave-Kombination werden anhand der jeweiligen Betriebsstundenzahl intelligent ausgesteuert – nämlich der mit der geringsten Zahl wird zuerst eingeschaltet –, so dass eine stets ausgewogene Einschaltdauer gewährleistet ist.

Ein weiteres Beispiel soll verdeutlichen, welche anderen positiven Auswirkungen ein solches Master-Slave-Prinzip der Sinvert PVS von Siemens auf die Wirtschaftlichkeit von Solarenergieanlagen noch hat. Fällt zum Beispiel eine Wechselrichter-Teileinheit aus, wird der Tagesenergieertrag lediglich um zehn Prozent geringer. Dies resultiert aus der Tatsache, dass Wechselrichter 1 (Master) die gesamte Grundlast von etwa 38 % liefert. Wechselrichter 2 (1. Slave) steuert an sonnigen Tagen zirka 30 % bei, Wechselrichter 3 (2. Slave) noch rund 22 % und Wechselrichter 4 (3. Slave) die erwähnten zehn Prozent.

Durch die intelligente Verschaltung und Steuerung der Energieflüsse übernehmen drei der vier Wechselrichter rund 90 % des Energieaufkommens. Die Praxis zeigt, dass bei einem Ausfall also lediglich die Spitzenleistungen wegfallen. An Tagen mit normaler oder geringer Sonneneinstrahlung wären aufgrund der beschriebenen intelligenten Lastverteilung überhaupt keine Ertragseinbußen zu verzeichnen.

Die Technik der Zentralwechselrichter Sinvert PVS von Siemens zeigt sich auch beim Symmetrie-Monitoring. Diese Option informiert sofort über aufgetretene Probleme im Photovoltaikfeld, weil die Systeme die einzelnen Gleichspannungseingänge miteinander vergleichen. Gibt es deutliche Abweichungen, ist das ein Indiz dafür, dass etwas nicht stimmt.

In solchen Fällen können umgehend Servicemaßnahmen eingeleitet werden, was sich natürlich positiv auf die gesamte Energieausbeute der Anlage auswirkt.
Durch diese vergleichende Messung innerhalb der Wechselrichtersysteme kann auf die ansonsten mögliche Einzelmessung von Photovoltaik-Strings verzichtet werden, denn über das Symmetrie-Monitoring kann der betroffene Anlagenteil genau ermittelt werden. Das spart Investitionsvolumen. Mit entsprechenden Handmessgeräten kann dann die genaue Ursache vor Ort lokalisiert und ermittelt werden. Hierzu misst der Techniker die einzelnen Strings des fehlerhaften DC-Eingangs.
Wie schnell ein Schaden auftreten kann, zeigt die Statistik: Ein Blitzschlag pro 2-MW-Photovoltaikinstallation ereignet sich jährlich allein in der Region Leipzig.

Aber auch das Entwenden bzw. Komplettdefekte von Modulen, Zellenbruch oder Kontaktschwäche werden über die beschriebene DC-Messung sofort erkannt. Und weil sich die Zentralwechselrichter über die gängigen Kommunikationsbusse mit einer Leitstelle vernetzen lassen, werden entsprechende Unzulänglichkeiten schnell erkannt. Ergebnis: Ertragseinbußen lassen sich signifikant reduzieren.

Eine weitere technische Finesse der Solarwechselrichter Sinvert PVS, die die Ertragssituation positiv beeinflusst, ist die so genannte Netzstabilisierung. Zum Hintergrund: Alle Stromnetze unterliegen Spannungsschwankungen. Photovoltaikanlagen können gerade im Mittelspannungsnetz zur Netzstabilisierung eingesetzt werden. Normalerweise schalten PV-Anlagen bei einer Überspannung von +10 % ab. Dieser Wert kann jedoch abhängig vom Energieversorger variieren und deutlich darunter liegen. Deshalb müssen zum Beispiel in Deutschland alle Anlagen ab 100 kW vom Netzbetreiber abgeregelt werden können.

Für Solaranlagenbetreiber bedeutet also eine stark wechselnde Netzqualität immer auch einen gewissen Vergütungsausfall. Durch die Möglichkeit der frequenzabhängigen Wirkleistungsregelung in den Sinvert-PVS-Wechselrichtern kann dies gänzlich vermieden werden. Ab einer Netzfrequenz von 50,2 Hz begrenzt der Wechselrichter nämlich seine Wirkleistung, wenn aus dem Mittelspannungsnetz die Information kommt, dass die Netzspannung zu hoch wird. Die Wechselrichter reduzieren so ihre Einspeiseleistung, schalten aber nicht ab. Ein sinnvoller Begleitaspekt dabei ist, dass sich so die Regelbarkeit des Netzes verbessert. Denn das vollständige Zu- und Abschalten von Solarkraftwerken würde sich zusätzlich destabilisierend auf Stromnetze auswirken.
Während des Betriebs mit reduzierter Leistung sorgt die Steuerung dafür, dass die Wechselrichter unterhalb der vorgeschriebenen Abschaltschwelle bleiben. Das Ergebnis ist eine optimierte Einspeiseleistung selbst bei äußerst ungünstigen Netzbedingungen. Ergänzend dazu sind die Anlagen in der Lage, eine dynamische Netzstützung FRT (Fault ride through) durchzuführen. Das bedeutet, bei kurzzeitigen Spannungseinbrüchen trennen sich die Wechselrichter nicht vom Netz.

Um gerade bei großen Solarfeldern den zeitlichen und kostenmäßigen Aufwand für die Elektroinstallation einzugrenzen, bietet Siemens einige interessante Möglichkeiten an. Beispielsweise gibt es die Software Sinvert Select zur Auslegung, Bewertung und Optimierung von Wechselrichtern für Photovoltaikanlagen mit Leistungen von wenigen Kilowatt bis in den Megawattbereich. Anhand von Basisdaten wie Standort, Solarmodul, Nennleistung, etc. werden die möglichen Sinvert-Wechselrichter vorgeschlagen. Für jede Variante erfolgt eine Berechnung des Leistungsverhältnisses (Performance Ratio, PR) und des möglichen Energieertrags.
Die Zentralwechselrichter Sinvert PVS eignen sich sowohl für kristalline als auch für Dünnschicht-Solarmodule. Die gesamte dazu gehörige Elektrotechnik kann bei Bedarf von Siemens in Fürth als Containerlösung komplett montiert und geprüft werden. Auf diese Weise wird Zeit gespart und es sind keine zusätzlichen baulichen Maßnahmen vor Ort notwendig. Damit unterstreicht Siemens seinen Ruf als Systempartner in einem Markt, der davon lebt, „Solar-Plantagen“ schnell aufzustellen und vom ersten Tag ab mit der Sonne Geld zu verdienen. Denn nur durch schnell installierbare und zuverlässige Systeme mit hohem Wirkungsgrad lassen sich die Ziele erreichen, die aktuelle Zukunftsstatistiken bereits für das Jahr 2100 ausweisen – einen Strommix, bei dem der Solarstrom alles andere in den Schatten stellt.

Dipl.-Ing. Gert Zauscher,

Siemens, Fürth