1. Was ist eine netzgekoppeltePV-Anlage? (Begriffserklärung, Definition)
Eine Photovoltaikanlageist eine technische Anlage, mit der sich Solarenergie (Lichtenergie) inelektrische Energie (Elektrizität, Strom) umwandeln lässt. Sie kann an undauf Gebäuden (Fassadenanlage, Balkonanlage, Dachanlage) sowie freistehend(Freiflächenanlage) installiert sein.
Netzgekoppelt ist eine solchePhotovoltaikanlage dann, wenn sie an dasöffentliche Stromnetz angeschlossen ist. Über den Netzanschluss kann derSolarstrom, den die Anlage erzeugt, ins Netz eingespeist werden. Damit wirdder lokal (dezentral) erzeugte Solarstrom auch für die Deckung des Strombedarfsanderer Stromverbraucher verfügbar.
Das ist dann auch schon der Zweck derNetzkopplung: Mit ihr gelingt das Einbinden (Integrieren) von dezentralerzeugter erneuerbarer Energie, hier: Solarstrom, in die lokale(dezentrale) oder zentrale Energieversorgung.
Wasbedeutet Einspeisung?
Der Begriff „Einspeisung“ beschreibt das Übertragenvon Energie, bei Photovoltaikanlagen: von Solarstrom, in ein Transport-und/oder Verteilernetz.
Volleinspeisung,Überschusseinspeisung, Nulleinspeisung – wie unterscheiden sie sich?
Je nach Zweck und Auslegung der Anlage lässtsich der damit erzeugte Strom
· entweder kompletteinspeisen (sogenannte Volleinspeisung).
· Oder es werden nur die Anteileeingespeist, die vor Ort nicht direkt als Eigenbedarf verbraucht und/oder zumzeitversetzten Verbrauch gespeichert werden. Das Mehr an Solarstrom, das nichtgebraucht wird, nennt man auch Überschuss – seine entsprechende Einspeisung Überschusseinspeisung.
Der Vollständigkeit halber müssen hier auchdie PV-Anlagen erwähnt werden, die trotz Netzkopplung nicht ins Netzeinspeisen (sogenannte Nulleinspeisung).
Wassind die Komponenten einer netzgekoppelten PV-Anlage?
Eine netzgekoppelte PV-Anlage besteht imWesentlichen aus den folgenden technischen Komponenten:
· Solarmodule – bestehend aus vielen Solarzellen
· Wechselrichter – zum Umwandeln des von den Solarzellen erzeugten Gleichstroms in insNetz einspeisefähigen Wechselstrom mit aufs Netz abgestimmten Leitungs- undSpannungswerten
· Schutzeinrichtung – zum automatischen Abschalten bei Störungen im Stromnetz
· Stromzähler – zum Erfassen der ins Stromnetz eingespeisten Strommenge
· optional: Batterie – zumZwischenspeichern von Solarstrom, der nicht direkt eingespeist wird
2. Wie funktioniert dieNetzkopplung?
Zum Übertragen des Solarstroms, den diePV-Anlage erzeugt hat, macht man sich das Prinzip der elektrischen Energieübertragungzunutze.
Wiewird Strom übertragen?
Der Begriff „Strom“ meint bereits, dass freie,elektrisch geladene Teilchen (Elektronen) durch leitfähige Materialien „strömen“.Die „Strömung“ (der Stromfluss) kommt zustande, weil es eine Spannungzwischen zwei unterschiedlichen Potentialen gibt. Mit der Spannung lässtsich der Stromfluss demnach ausrichten.
Wiefließt Strom?
Damit Strom überhaupt fließt, braucht maneinen Stromkreis, bestehend aus einer Spannungsquelle, einemStromverbraucher und Leitungen dazwischen. Der Strom fließt von einem Polder Stromquelle durch den Stromkreis zum anderen Pol der Stromquelle.
Ganz einfach erklärt, fließt Strom so: Dasleitfähige Material besteht aus Atomen, um die herum sich freie Elektronenbewegen – und zwar vergleichsweise langsam. Ihre Bewegung ist dem Zufallüberlassen. Sie strömen (noch) nicht in eine bestimmte Richtung.
Anschaulicher macht das dieses Beispiel:Stellen Sie sich einen Stromleiter einmal als Rohr vor. Das Rohr ist der Längenach mit Murmeln gefüllt. Jede Murmel entspricht einem freien Elektron. StopfenSie jetzt eine weitere Murmel in ein Rohrende, drückt diese dort auf die ersteMurmel. Die wiederum drückt auf die zweite Murmel im Rohr, die zweite auf diedritte und so weiter. Die Bewegung – und die zugehörige Energie – der extra insRohr gestopften Murmel wurde demnach direkt und unmittelbar von Murmel zu Murmelweitergeleitet, wobei sich jede einzelne Murmel im Rohr nur wenig bewegte. Dassteht im Beispiel für schnelle Energieübertragung bei zugleich deutlichlangsamerer Elektronenbewegung.
Gleichstromvs. Wechselstrom: Was ist der Unterschied?
Gleichstrom, wieihn die PV-Anlage erzeugt, ändert zeitlich weder seine Richtung noch Stärke. Wechselstromdagegen ändert seine Richtung periodisch und in steter Wiederholung. In Europa wechseltdie Stromrichtung bei Wechselstrom fünfzig Mal pro Sekunde.
Im Vergleich zu Gleichstrom lässt sich die Stromspannungbei Wechselstrom kostengünstig ändern. Zudem ist auch die Wechselstromübertragungauf weite Entfernung viel effizienter als bei Gleichstrom, da dabei wenigerEnergie verloren geht. Das ist der Grund, warum die Stromnetze auf Wechselstromausgelegt wurden.
Wofindet die Netzkopplung statt?
Für PV-Anlagen mit einer installierten Leistung von bis zu30 KilowattPeak (kWP) ist der bereits bestehendeNetzanschluss des Gebäudes, der in Deutschland vorgeschrieben ist, der sowohltechnisch als auch wirtschaftlich günstigste Punkt zur Netzkopplung.
Der Netzanschluss ist Sache des Netzbetreibers. Dieserkann mit der Aufgabe auch einen zertifizierten und eingetragenenInstallationsbetrieb betrauen.
Bei Anlagen mit mehr als 30 kWPinstallierter Leistung bestimmt der Netzbetreiber den günstigsten Punkt zurNetzkopplung.
3. Welche Vorteile und Nachteilehat eine netzgekoppelte Solaranlage?
Eine netzgekoppelte PV-Anlage macht esmöglich, den
· Eigenbedarf an Strom mit erneuerbarer Energie zu decken
· und überschüssigen Strom insNetz einzuspeisen.
Wegen des inzwischen großen Preisunterschiedszwischen eigens erzeugtem Solarstrom (zwischen 0,08 und 0,10 Euro proKilowattstunde - kWh) und Strom aus der Steckdose (November 2023: rund 0,30Euro pro kWh) lohnt es sich, möglichst viel dessen, was man an Strombraucht, mit dem Solarstrom von der eigenen Anlage zu decken. Aber auch insgesamtwirken sich die niedrigen Stromgestehungskosten des Solarstroms auf dasStrompreisniveau aus. Am Ende haben alle Stromverbraucher etwas davon.
Das Einspeisen vom PV-Strom geschieht dankNetzkopplung mit hohem Wirkungsgrad, da die Umwandlungs- undTransportverluste gering sind und keine Energieverluste entstehen wie beimlokalen (dezentralen) Speichern. Auf diese Weise kann sämtliche solar erzeugteEnergie weiteren Verbrauchern verfügbar gemacht werden – das Netz übernimmthier quasi eine zentrale Speicherfunktion, so dass die Verwertung desSolarstroms maximiert wird.
Mit jedem Kilowatt (kW) Solarstrom wirderneuerbare Energie ins Netz eingespeist. Erklärtes Ziel ist es, dassDeutschland bis zum Jahr 2045 klimaneutral (Stichwort: Nullemissionen) wird.Dazu trägt erneuerbarer Strom bei, der fossilen und atomaren Strom imStrommix langfristig komplett ersetzt.
Fürs Einspeisen von PV-Strom ins Stromnetz gibt’s eine Belohnung (ein Entgelt): die Einspeisevergütung.Die sinkt zwar mit jedem Jahr, 2023 lag sie bei gut 0,08 Euro pro kWh fürkleine Anlagen bis 10 kWP, wird aber über eine Zeitspanne von 20Jahren garantiert gezahlt. Damit hat man auf lange Sicht regelmäßige Einnahmen.
Auch wenn die Kontinuität des Solarertrags wegender Abhängigkeit der PV-Technologie von der Sonnenstrahlung von Natur aus nichtgegeben ist, resultiert aus der Vielzahl dezentraler Anlagen mit Anschlussans Netz an unterschiedlichen Standorten eine hohe Versorgungssicherheit.
Als Nachteil netzgekoppelter Anlagen gilt,dass diese vom Netz getrennt werden müssen, wenn die Verbindung zum Netzunterbrochen wird, beispielsweise infolge eines Stromausfalls. Auchnachteilig angekreidet wird netzgekoppelten Anlagen, dass die Netzkopplung eineAbhängigkeit bedeutet, die den Autarkiegrad senkt.
4. Wie wirkt sich dieNetzkopplung von Solaranlagen auf das Stromnetz aus?
Laut der Bundesnetzagentur kann es beimErzeugen von Strom und der anschließenden Netzkopplung der Erzeugungsanlagen zustörenden Netzrückwirkungen kommen. Mit geeigneten, elektrotechnischenBetriebsmitteln ließen sich diese Auswirkungen aufs Netz demnach jedoch mindern.
Pauschale Aussagen,nach denen die Spannungsqualität wegen des Ausbaus der erneuerbaren Energiensinken würde, greifen allerdings zu kurz, ist im Bericht zurSpannungsqualität 2020 (Stand: Mai 2021) der Bundesnetzagentur zu lesen. DerGrund: Jeder Erzeuger habe an seinem Einspeisepunkt strenge Norm- beziehungsweiseRichtwerte einzuhalten, um die Spannungsqualität im Netz zu gewährleisten.
Das Umsetzen des europäischen Network-Codes„Requirements for Generators“ finde sich demnach unter anderem in
· der VDE-AR-N 4105„Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz“,
· der VDE-AR-N 4110 „TechnischeRegeln für den Anschluss von Kundenanlagen an das Mittelspannungsnetz und derenBetrieb“
· sowie der VDE-AR-N 4120„Technische Regeln für den Anschluss von Kundenanlagen an das Hochspannungsnetzund deren Betrieb“ wieder.
5. Vor welche Herausforderungenwird das Netz gestellt, wenn Solaranlagen angeschlossen werden – und welcheChancen ergeben sich damit?
Herausfordernd ander Integration von PV-Anlagen ins öffentliche Netz ist, die Netzstabilitätzu gewährleisten und das Netz zu managen. Doch diese Herausforderung lässtsich mit moderner Netztechnik lösen. Laut dem schon erwähnten Bericht derNetzagentur spielt auch die Kommunikation zu einem gemeinsamen Konzept zurStörungsvermeidung zwischen Netzbetreiber und Anlagenbetreibern eine wichtigeRolle dafür, dass die negativen Auswirkungen auf die Spannungsqualität sogering wie möglich sind.
Die große Chance der Netzkopplung vondezentral installierten PV-Anlagen ans öffentliche Netz ist die: Sie sindwie Windenergieanlagen eine unverzichtbare Säule der künftig kompletterneuerbaren Stromerzeugung und -versorgung. Bis zum Ziel „Netto nullEmissionen“ machen sie einzelne Stromverbraucher und in Summe derer das ganzeLand unabhängig von fossilen und atomaren Stromquellen und deren Besitzern.
6. Welche Rolle spielenStromspeicher bei der Netzkopplung?
Für die Stromnetze in Europa heißt Netzstabilitätund Netzqualität, dass im Niederspannungsnetz der Verteilnetzbetreiber zurVersorgung von Haushalten der sogenannte Spannungseffektivwert von 230 Volt(V) gewährleistet werden muss. Und die Netzfrequenz muss in engenToleranzbereichen stets bei genau 50 Hertz liegen.
Diese Frequenz von Wechselstrom erzielen dieNetzbetreiber nur, indem sie das Angebot von und die Nachfrage nach Stromausgleichen – mit sogenannter Regelenergie und regelbaren Lasten. Bei derRegelenergie schalten sie Stromerzeugungsanlagen dazu, um einer erhöhtenNachfrage bei absinkender Frequenz nachzukommen und bei 50 Hertz zu halten. Istkeine Erzeugungsanlage verfügbar, werden Lasten wie industrielleGroßverbraucher vom Netz genommen.
So weit. Sogut.
Das Ganze war imbisherigen Strommarkt mit fossilen Stromerzeugungsanlagen für Netzbetreiber rechtüberschaubar. Die Vielzahl – die Rede ist von Millionen – dezentralererneuerbarer Erzeugungsanlagen macht diese Aufgabe jedoch künftig komplex,erklärt der DKE- VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. Nicht zu vergessen seien demnachschließlich auch die Stromspeicher großer und kleiner Anlagen, die gleichfallsins Netz einspeisen sollen.
FürsAufrechterhalten von Netzstabilität und Netzqualität sei das insofernbedeutsam, als dass die physikalischen Eigenschaften dieser Anlagenschwieriger ins Netz einzubinden seien. Der Gleichstrom der erneuerbarenAnlagen müsse schließlich zunächst in Wechselstrom gewandelt werden, wozu manwissen müsse, dass die entsprechenden Wechselrichterjedoch Spannungsschwankungen nicht wie Synchrongeneratoren in konventionellenKraftwerken ausbalancieren könnten. Aber: Speicher ließensich für diese netzstabilisierenden Aufgaben aufrüsten.
Stromspeichererfüllen bereits systemstabilisierende Funktionen in den lokalen Verteilnetzen. Kleine 10-kW-Akkusfür eine private PV-Anlage zur Erhöhung des Eigenstromverbrauchs zum Beispiel würdendie Netzlast senken. Und Großspeicher machten Regelenergie verfügbar. Sie agiertendabei wie Verbrauchs- und Erzeugeranlagen, wenn sie Strom aus dem Verteilnetz bezögenoder einspeisten.
Dasfunktioniere jedoch nur mit einem Energiemanagementsystem, das dieFähigkeit besitze, den Netzbezug zeitweise über ein externes Steuersignal zubeschränken oder umgekehrt, netzdienliche Einspeisung bei vollemLadezustand abzufordern. Der Netzbetreiber signalisiere dann, wenn er zurNetzstabilisierung (Spannung und Frequenz) Regelstrom brauche. Mit solchenSpeichern könnten die Verteilnetzbetreiber lokales Lastmanagement betreibenund Angebot- und Nachfrageschwankungen ausbalancieren.
Außerdem könntenSpeicher weitere Aufgaben zur lokalen Netzoptimierung-, -stabilisierung und-qualität erledigen: Neben Regelleistung auch Blindleistung. BeiWechselstrom könne zwischen Erzeugeranlagen und großen Verbrauchern mit Spulenund Kondensatoren sogenannter Blindstrom entstehen, der über Blindleistung fürdie Netzstabilität kompensiert werden müsse.
Nicht zuletztkönnten Speicher als abschaltbare Lasten bei einem Störfall helfen – undbeim Wiederhochfahren des Netzes (sogenannten Schwarzstart) nach einemkompletten Netzzusammenbruch.
7. Wie tragen Smart Grids dazubei, die Integration von Solaranalagen zu verbessern?
Das Umweltbundesamt(UBA) schreibt, dass intelligente Stromnetze (sogenannte Smart-Grids)Erzeugung, Speicherung und Verbrauch kombinierten. Eine zentrale Steuerungstimme sie demnach optimal aufeinander ab und gleiche auf diese WeiseLeistungsschwankungen – vor allem verursacht von fluktuierenden erneuerbarenEnergien – im Netz aus.
Die Vernetzung finde dabei mit dem Einsatz vonInformations- und Kommunikationstechnologien (IKT) sowie dezentral organisiertenEnergiemanagementsystemen zur Koordination einzelner Komponenten statt. Dasheiße, dass in einem Smart-Grid nicht nur Energie, sondern auch Datentransportiert würden, sodass Netzbetreiber in kurzen AbständenInformationen zu Energieproduktion und -verbrauch erhielten. Bisher hätten die Netzbetreiberdem UBA zufolge weder Kontrolle noch Kenntnis, wann und wo eine dezentraleErzeugungsanlage Strom ins Netz einspeise. Wachse der Anteil solcher„unkoordinierten“ Erzeuger übermäßig, steige das Risiko von instabilenNetzzuständen.
Dank intelligenter Vernetzung, Lastmanagementund Nachfrageflexibilisierung könnten somit eine effiziente Nutzung undIntegration der erneuerbaren Energien sowie eine Optimierung der Netzauslastungerreicht werden, erklärt das UBA.