Von Jeremy Cook
Mit Sonnenkollektoren können wir die Energie der Sonne nutzen. Um diese Energie jedoch auch zu nutzen, wenn die Sonnenkollektoren nicht aktiv Strom produzieren, sollten Sie den Einbau eines Energiespeichersystems (Energy Storage System, ESS) in Betracht ziehen. Bei einem ESS handelt es sich in der Regel um eine Batteriebank mit Inverter, die über eine DC- oder AC-Koppellösung aufgeladen wird. Beide Arten von Energiespeichern, ob mit AC- oder mit DC-Kopplung, haben Vor- und Nachteile. Außerdem sind Energiespeicher nicht in jeder Situation die beste Option. Dieser Artikel befasst sich mit den verschiedenen Szenarien.
Betrachten wir zunächst den einfachsten Anwendungsfall für eine Solaranlage: eine Photovoltaik(PV)-Anlage ohne Batterienotstrom. In diesem Szenario erzeugen Sonnenkollektoren einen Gleichstrom, der an einen Inverter geleitet wird. Dieser Inverter verwandelt den Gleichstrom in Wechselstrom und speist die elektrische Hauptschalttafel. Über einen bidirektionalen Stromzähler kann überschüssiger Strom in das öffentliche Stromnetz verkauft werden. Aus Sicherheitsgründen schalten sich diese Systeme jedoch ab, wenn das Netz ausfällt.
Eine Solaranlage ohne Batterienotstrom kann vergleichsweise einfach installiert werden. Sie enthält ein PV-Array, einen Inverter (der mit dem Netz interagiert) und einen PV-System-Trennschalter. Der Nachteil einer solchen Installation besteht darin, dass der Trennschalter ausgelöst wird, wenn das Netz ausfällt. Ihr System kann während eines Stromausfalls die Beleuchtung und wichtige Systeme nicht mit Strom versorgen.
Energiespeicher mit AC-Kopplung
Mit dem Batterienotstrom können Sie die Stromversorgung auch während eines Netzausfalls aufrechterhalten. Ein System mit AC-Kopplung ist die einfachste Möglichkeit, für eine Solaranlage in einem Unternehmen oder zu Hause eine Notstromversorgung über Batterie zu installieren. Anstatt nach der PV-Trennung Strom zur Hauptschalttafel zu leiten, speist der Inverter eine Backup-Schalttafel. Die Backup-Schalttafel speist anschließend einen Multimodus-Inverter, einen Energiespeicher-Trennschalter und Batterien, um Strom zur späteren Verwendung zu speichern. Schließlich speist das System die Hauptschalttafel über eine interaktive Systemtrennung, die bei einem Netzausfall die Solaranlage/das Backup-System abschaltet.
Bei einem Stromausfall im Netz wird über den Multimodus-Inverter Strom aus der Energiespeicherbank zur Backup-Schalttafel geleitet, die kritische Geräte mit Strom versorgt. In diesem Szenario kann weiter Solarstrom genutzt werden (wenn die Sonne scheint), da der Inverter den Strom aus dem ESS nutzt, um Netzsignale nachzuahmen und Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Alle zusätzlichen Solaranlagen/Backup-Geräte werden nach der Trennung des interaktiven Systems installiert (in Bezug auf die Hauptschalttafel).
Energiespeicher mit DC-Kopplung
In einem Szenario mit DC-Kopplung speist das PV-Array über einen PV-Trennschalter einen Multimodus-Inverter und einen Ladecontroller. Der Ladecontroller ermöglicht über einen weiteren Trennschalter die Weiterleitung von Gleichstrom zu den Notstrombatterien, ohne dass eine Umwandlung erforderlich ist oder Effizienzverluste auftreten. Der Inverter sendet Wechselstrom – aus dem Energiespeichersystem umgewandelt – an eine Backup-Schalttafel. Die Backup-Schalttafel kann über einen Gesamttrennschalter auch Strom an die Hauptschalttafel senden und Strom aus der Hauptschalttafel empfangen.
Der große Vorteil von Systemen mit DC-Kopplung besteht darin, dass die Batterien von der Solaranlage effizienter als bei einer AC-Kopplung aufgeladen werden.
Solarenergiespeicher mit AC-Kopplung und DC-Kopplung
Unter Effizienzgesichtspunkten scheint ein System mit DC-Kopplung die bessere Wahl als ein Batteriespeichersystem mit AC-Kopplung zu sein. Ein System mit AC-Kopplung muss drei verlustbehaftete Umwandlungen durchführen, um Backup-Solarstrom zu erzeugen: PV (DC) zur Backup-Schalttafel (DC zu AC), dann zum Energiespeicher (AC zu DC) und schließlich wieder zur Backup-Schalttafel (DC zu AC). Systeme mit DC-Kopplung führen lediglich eine einzelne Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom durch: vom Gleichstrom-Speichersystem und von der PV-Anlage über einen einzelnen Inverter zur Wechselstrom-Backup-Schalttafel.
Allerdings können mehrere Faktoren ein System mit AC-Kopplung für Ihren Anwendungsfall attraktiver machen. Aus Nachrüstungssicht hat ein ESS mit AC-Kopplung Vorteile, da der vorhandene interaktive Inverter, der PV-Trennschalter und die zugehörige Verkabelung weiterverwendet werden können. Systeme mit DC-Kopplung erfordern hingegen Änderungen an der Verkabelung und Ausrüstung der vorhandenen Solaranlageninfrastruktur. Da jede Backup-Lösung von gut bezahlten (und fehlbaren) Menschen entworfen, installiert und gewartet werden muss, bietet die Einfachheit eines ESS mit AC-Kopplung Vorteile.
Sie sollten außerdem berücksichtigen, dass interaktive Inverter, die in einem PV-zu-Stromnetz-Szenario oder in einem Sofortnutzungsszenario verwendet werden, tendenziell effizienter als Multimodus-Inverter sind. Sie könnten auch an die relativen Vorteile denken, die zwei verschiedene Invertertypen in einem System mit AC-Kopplung gegenüber einem einzelnen Multimodus-Inverter in einem System mit DC-Kopplung bieten. Ein System mit AC-Kopplung und zwei Invertern stellt weiter Funktionalität bereit, wenn ein Inverter ausfällt. Allerdings gibt es in einem solchen System auch mehrere Fehlerquellen.
Weitere Optionen: Entkopplung von Solar- und Notstrom?
Systemdesigner könnten auch darüber nachdenken, ob ein Batterie-Notstrom in einigen Szenarien überhaupt notwendig ist. Längere Stromausfälle sind in den USA selten und dank der Möglichkeit, Energie in das Netz einzuspeisen, können die Rechnungen für den Stromverbrauch nach Sonnenuntergang auch ohne eine Backup-Lösung vor Ort gesenkt werden. Rein aus Kostengesichtspunkten lohnt sich die zusätzliche Anfangsinvestition für eine Speicherung vor Ort möglicherweise nicht. In einigen Fällen ist ein Backup-Generator möglicherweise eine bessere Option als ein ESS, auch bei einer Installation für den allgemeinen Gebrauch.
Fazit zu Backup-Lösungen für Solaranlagen
Solarenergie hat zwei Hauptvorteile: Kosteneinsparungen durch reduzierte Stromrechnungen und eine Backup-Stromversorgung für den Fall, dass das Netz ausfällt. Wie hier besprochen, bieten Backup-Systeme mit AC-Kopplung und mit DC-Kopplung relative Vorteile. Angesichts der Effizienz und der relativen Seltenheit von Stromausfällen sollten Installateure Solarenergie und Backup-Kapazität vielleicht als zwei verschiedene Themen behandeln, die am besten gemeinsam (oder auch nicht gemeinsam) gelöst werden können.
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