Solare Insel- und Backup-Versorgung

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1 TechnikKompendium 2 Solare Insel- und Backup-Versorgung Grundlagen, Anwendungen und SMA Lösungen

2 Titelseite: 30 kwp Hybrid-Backup-System in Ntarama, Ruanda, zur Versorgung eines Berufsschulzentrums für Solar-Technik Inbetriebnahme: 2009 Quelle: Juwi Solar GmbH

3 INHALT 1. Regenerative Inselsysteme Komponenten Systemdesign Die DC-Kopplung DC-/AC-Mischsysteme Die AC-Kopplung Funktionsweise Wachstum und Vernetzung von Inselsystemen Sunny Backup die Notstromversorgung von SMA Der Insel-Wechselrichter Sicherheitsfunktionen Betriebs- und Benutzerführung Datenerfassung und Datenspeicherung Stromerzeuger im Inselnetz Wechselrichter für Photovoltaik Wechselrichter für Windturbinen Wechselrichter für Wasserturbinen Blockheizkraftwerke (BHKW) Wechselrichter für Brennstoffzellen Verbrennungsaggregate Die Betriebsführung in Inselsystemen Aufgaben und Ziele Optimale Betriebsführung: die Laderegelung des Sunny Island Generatormanagement Systemmanagement Kommunikation im Inselnetz Sunny WebBox die Kommunikationszentrale Sunny Portal Datenspeicherung und Anzeige online Auslegung von Inselsystemen Hinweise zum Auslegungsbeispiel Verbraucher und Nutzungszeiten Vorgehen bei der Auslegung Auswahl des Insel-Wechselrichters Dimensionierung der Batterie Dimensionierung der PV-Anlage Auslegung des Dieselgenerators Kalkulation der Anlagenkosten Ökonomische Aspekte von Inselsystemen Kompetent, flexibel, weltweit: der SMA Service Referenzen Literatur 42 3

4 SMA Solar Technology 1. Regenerative Inselsysteme Nach Schätzungen der Europäischen Union leben weltweit mehr als eine Milliarde Menschen ohne Strom. Die hohen Investitionskosten, die beim Ausbau der öffentlichen Netze anfallen, sowie der gleichzeitig niedrige Strombedarf werden einen Netzanschluss dieser entlegenen Gebiete auch mittelfristig verhindern. PV-Inselsysteme bieten hier eine sinnvolle Alternative. PV-Inselsysteme sind autarke Stromnetze, die mit der Energie eines Photovoltaikgenerators gespeist werden. Als Beispiele sind hier Stromversorgungssysteme auf Inseln, für vereinzelte Siedlungen oder auch ganze Dörfer zu nennen. Nach Schätzungen der EU haben allein in Europa etwa Gehöfte und Gebäude keinen Anschluss an das öffentliche Stromnetz. Der Einsatz photovoltaischer Inselsysteme ist hier oft die wirtschaftlichste Lösung. Bei der Planung, Auslegung und Auswahl eines Inselsystems müssen verschiedene Randbedingungen berücksichtigt werden. So hängt die optimale Auslegung eines Stromversorgungssystems vor allem von folgenden fünf Faktoren ab: 1. Notwendige Anschlussleistung 2. Energieverbrauch 3. Art der Verbraucher 4. Nutzungszeitraum 5. Meteorologische Randbedingungen Neben diesen technischen Aspekten sind auch kulturelle, soziale, ökonomische und finanzielle Aspekte zu berücksichtigen. Abb. 1.1: Elektrifizierungsrate (Quelle: Weltbank) 4

5 Solare Insel- und Backup-Versorgung 1.1 Komponenten Der PV-Generator ist als regenerative Energiequelle eine zentrale Komponente des Inselsystems. Als weitere Erzeuger stehen Generatoren mit Verbrennungskraftmaschinen (z. B. Dieselgeneratoren oder BHKW) sowie Wasserkraft- und Windturbinen zur Verfügung. Generell lassen sich Inselanlagen entsprechend ihrer System-Spannung (DC oder AC) unterscheiden. In DC-gekoppelten Systemen wird der PV-Generator über spezielle DC/DC-Laderegler eingebunden (Abb. 1.2). In AC-gekoppelten Systemen kommt ein konventioneller PV-Wechselrichter zur Netzeinspeisung zum Einsatz (Abb. 1.4). Der Batterie- oder Insel-Wechselrichter bildet das Herz des AC-gekoppelten Systems. Er gewährleistet zu jedem Zeitpunkt das Gleichgewicht von erzeugter und verbrauchter Leistung. Wird zu viel Energie erzeugt, speichert der Wechselrichter diese in den Batterien. Wird mehr Energie benötigt als zur Verfügung steht, entlädt der Wechselrichter die Batterien. Die Hauptunterschiede zwischen Insel- und PV- Wechselrichter werden in der Tab. 1.1 aufgeführt. Der Batterie-Wechselrichter Sunny Island auf einen Blick Optimal für Energieversorgungssysteme von 2 kw bis > 100 kw Flexibel ein- und/oder dreiphasig parallel schaltbar Modular erweiterbar Herausragende Überlasteigenschaften Einsetzbar bei extremen klimatischen Bedingungen Optimales Batteriemanagement und Lade zustandserfassung für lange Batterielebens dauer Kostengünstige Integration von Standard Wechselstromverbrauchern, regenerativen Quellen und Generatoren Einfache Inbetriebnahme Für den bestmöglichen Betrieb einer Inselversorgung ist ein Managementsystem mit Batterie-, Generatorund Lastmanagement unverzichtbar. Diese Kontrollfunktion ist in den Batterie-Wechselrichter integriert. Das vereinfacht den Systembetrieb und senkt die Investitionskosten. Der Batterie-Wechselrichter Sunny Island bietet alles, was für ein zuverlässiges Systemmanagement nötig ist. Er ist flexibel einsetzbar und eröffnet auch für die AC-Kopplung völlig neue Möglichkeiten beim Aufbau autarker Energiesysteme. PV-Wechselrichter Insel-Wechselrichter Energiefl ussrichtung Unidirektional Bidirektional Funktionalitäten MPP-Regelung Sinusförmiger Netzstrom Batterie-, Generator-, und Lastmanagement, sinusförmige Netzspannung Überlastfähigkeit ca. 110 % ca. 300 % (kurzschlussfest) Wirk-/Blindleistung Einspeisung reiner Wirkleistung Lasten mit beliebigem Leistungsfaktor Typische DC-Spannung 125 V 750 V (Stringtechnik) 12 V, 24 V, 48 V Tab. 1.1: Gegenüberstellung PV- und Insel-Wechselrichter 5

6 SMA Solar Technology 1.2 Systemdesign Ein PV-Inselsystem besteht neben Verbrauchern wie Lampen, Radio, Fernseher und Kühlschrank im Wesentlichen aus vier Komponenten: Stromerzeuger (z. B. PV-Generator), Batteriespeicher, Laderegler und Wechselrichter. Diese Komponenten können auf unterschiedlichen Systemebenen gekoppelt werden: DC-seitig, AC-seitig oder in Mischsystemen Die DC-Kopplung Bei der DC-Kopplung werden alle Verbraucher und Erzeuger ausschließlich auf der Batteriespannungsebene gekoppelt (Abb. 1.2). Eine Gleichspannungsversorgung auf 12-Volt-Basis bietet sich für einfache Systemkonstellationen an. Vor allem dann, wenn der Stromverbrauch primär für die Beleuchtung genutzt werden soll wie zum Beispiel bei einem sogenannten Solar-Home-System (SHS) im Leistungsbereich von einigen hundert Watt. Tagsüber speichert die Batterie die vom PV-Generator zur Verfügung gestellte Energie, die dann abends für den Betrieb der Beleuchtung wieder zur Verfügung steht. Unterstützt durch einen zusätzlichen kleinen Wechselrichter kann der Nutzer im DC-System auch konventionelle AC-Stromverbraucher einsetzen. Grundsätzlich ist es von Vorteil, wenn Wechselstromverbraucher eingesetzt werden können. Diese sind weltweit verfügbar und kostengünstig in der Anschaffung. DC-Bus AC-Bus Abb. 1.2: Solar-Home-System mit der Möglichkeit, Wechselstrom zur Verfügung zu stellen 6

7 Solare Insel- und Backup-Versorgung DC-/AC-Mischsysteme DC-/AC-Mischsysteme eignen sich besonders, um AC-Verbraucher des mittleren Leistungsbereichs mit DC-Erzeugern zu koppeln. Gleichzeitig kann so die Batterie auf der DC-Seite über ein Ver brennungsaggregat aufgeladen werden (Abb. 1.3). Die Anforderungen an ein Mischsystem unterscheiden sich von denen an ein Solar-Home-System: Sie dienen der Versorgung entlegener Verbraucher und werden einem höheren Energiebedarf gerecht. Dementsprechend kommen DC-/AC-Systeme in Farmhäusern, kleineren Betrieben oder Bauernhöfen zum Einsatz. Bei der Anlagenauslegung sollte der Planer berücksichtigen, dass die Wechselrichter-Leistung der notwendigen Verbraucherleistung entsprechen muss: Auch wenn mehr Energie aus PV und Wind zur Verfügung steht, begrenzt der Wechselrichter die AC-seitig zur Verfügung stehende Leistung. DC-Bus AC-Bus Abb. 1.3: Hybridsystem mit DC-gekoppelten Komponenten 7

8 SMA Solar Technology Die AC-Kopplung Die Kopplung aller Verbraucher und Erzeuger auf der AC-Seite (Abb. 1.4) bietet einen entscheidenden Vorteil: Die Systeme lassen sich flexibel und modular mit standardisierten Komponenten aufbauen oder erweitern. Je nach Anwendung und verfügbaren Energiequellen können erneuerbare, aber auch konventionelle Energieträger eingebunden werden. Das ist insbesondere bei schwacher Netzstruktur vorteilhaft. Die angeschlossenen Energiequellen laden die Batterien und stellen im Bedarfsfall Energie zur Verfügung. Sind die Wechselrichter und Verbrennungsaggregate dafür vorgesehen, ist ein Anschluss an das öffentliche Netz möglich. Das System lässt sich durch zusätzliche Stromerzeuger einfach ausbauen. Damit wird es einem steigenden Energiebedarf gerecht. Hinzugeschaltete AC-Quellen führen AC-seitig zu einer echten Leistungsaddition. AC-gekoppelte Anlagen können zur Versorgung aller elektrischen Verbraucher genutzt werden. Damit eignen sie sich hervorragend für den Einsatz in ländlichen Regionen von Entwicklungs- und Schwellenländern. Die Struktur dieser Versorgungssysteme erfordert im mittleren Leistungsbereich (2 100 kw) keine zusätzliche Kontroll- und Überwachungseinheit. Der Batterie-Wechselrichter, beispielsweise der Sunny Island, überprüft selbstständig die Verfügbarkeit des Netzes und der Systemkomponenten. Das vereinfacht den Systembetrieb und senkt die Investitionskosten. Aus ökonomischer Sicht sind Inselsysteme mit Bat teriespeicher im kw-leistungsbereich deutlich günstiger als Anlagen, bei denen ausschließlich Dieselgeneratoren eingesetzt werden. Sogar größere Hybridsysteme, bei denen ein Dieselgenerator zur Vermeidung langfristiger Batteriespeicherung eingesetzt wird, können zu geringeren Kosten betrieben werden als Stationen, die ausschließlich mit Dieselaggregaten arbeiten. Dies ist auf den hohen Wartungsaufwand, die kurze Lebensdauer und den sehr schlechten Teillastwirkungsgrad von Dieselgeneratoren zurückzuführen. DC-Bus AC-Bus Abb. 1.4: Hybridsystem mit AC-gekoppelten Komponenten 8

9 Solare Insel- und Backup-Versorgung In Stromversorgungssystemen abseits der Verbundnetze spielen vor allem die Erweiterbarkeit und die Art der Ankopplung der einzelnen Komponenten eine wichtige Rolle. Durch die AC-Kopplung mit dem Sunny Island lassen sich Energieerzeuger jeder Art sowie alle handelsüblichen Verbraucher an das Inselnetz anschließen. Das System ist auf der Verbraucherseite wie auch auf der Erzeugerseite einfach zu erweitern (Abb. 1.5). Vorteile der AC-Kopplung Struktur 100 % kompatibel zum öffentlichen Netz Einfache Installation, da Standardkomponenten aus der Hausinstallation verwendet werden können Leistungsaddition aller ins Netz einspeisender Komponenten Beliebig skalierbar, auch für größere Systeme (von 2 kw bis in den Megawatt-Bereich) Problemlos erweiterbar Mit netzparallelen und netzbildenden Energieerzeugern (Dieselaggregaten, Kleinwasser kraftwerken, Windenergieanlagen etc.) kombinierbar Höchste Zuverlässigkeit durch redundanten Systemaufbau DC-Bus AC-Bus Abb. 1.5: Modulares und flexibles AC-gekoppeltes Hybridsystem 9

10 SMA Solar Technology 1.3 Funktionsweise Insel-Wechselrichter wie der Sunny Island sind an einen Batteriespeicher angeschlossen und bilden das AC-Netz des Inselsystems. Dabei regeln sie die Spannung und Frequenz auf der AC-Seite. An das AC-Netz sind sowohl Verbraucher als auch Erzeuger direkt angeschlossen. Im Falle eines Überschusses an Energie (z. B. viel Sonneneinstrahlung und wenig Verbrauch) entnimmt der Insel-Wechselrichter dem AC-Netz Energie und lädt damit die Batterien. Bei Energiemangel (wenig oder keine Sonneneinstrahlung und viel Verbrauch) versorgt der Sunny Island das Netz über die Batterien (Abb. 1.6). In das Inselnetz lassen sich unterschiedliche Energieerzeuger einbinden: PV-Anlagen mit Sunny Boy-Wechselrichtern, Windenergieanlagen mit Windy Boys, Wasserkraftwerke und Dieselgeneratoren. Letztere können einspringen, wenn der Ladezustand der Batterien abnimmt und nicht genügend Sonneneinstrahlung zur Verfügung steht. PV-Energieertrag > Verbrauchernachfrage (Batterieladung während des Tages) PV-Energieertrag = 0, Versorgung durch die Batterie PV-Energieertrag < Verbrauchernachfrage (zusätzliche Energie aus der Batterie) Abb. 1.6: PV-Energieertrag und Verbrauchernachfrage 10

11 Solare Insel- und Backup-Versorgung 1.4 Wachstum und Vernetzung von Inselsystemen Inselnetze mit Sunny Island lassen sich durch die Parallelschaltbarkeit aller Einspeiser und Verbraucher nach und nach zu großen Anlagen ausbauen. Sie sind deshalb besonders gut geeignet, um netzferne Regionen, wie etwa abgelegene Dörfer, mit Energie zu versorgen. Abbildung 1.7 zeigt den Aufbau und die Erweiterungsmöglichkeiten einer AC-gekoppelten Dorfstromversorgung. Das autarke Energiesystem lässt sich bei steigendem Strombedarf der Ver braucher problemlos um Stromerzeuger erweitern. Ein weiterer Vorteil des Inselsystems: Energie, die tagsüber nicht benötigt wird, steht dank der Batteriespeicher nachts beispielsweise für die Straßenbeleuchtung zur Verfügung. Legende Abb : PV-Generator 2: PV-Wechselrichter Sunny Boy 3: Batterie-Wechselrichter Sunny Island 4: Batteriespeicher 5: Generator 6: Windkraftanlage 6 Abb. 1.7: Erweiterungsmöglichkeiten eines AC-gekoppelten Hybridsystems für eine Dorfstromversorgung 11

12 SMA Solar Technology 1.5 Sunny Backup Die Notstromversorgung von SMA Um in größeren Systemen ein Höchstmaß an Systemsicherheit zu gewährleisten, werden die Sunny Island-Wechselrichter in sogenannten Clustern aufgebaut. Dabei bilden bis zu drei Geräte (als Drehstromsystem) oder sogar vier Geräte (einphasig parallel betrieben) zusammen mit der Batterie eine Einheit. Damit nun die gewünschte Leistung erreicht wird, können mehrere solcher Einheiten parallel geschaltet werden (Cluster). Der Vorteil: Fällt eine Batterie aus, ist nicht das gesamte System betroffen (Abb. 1.8). Während Inselsysteme eine Netzkopplung überflüssig machen, ermöglicht das Sunny BackupSystem eine zeitlich begrenzte Unabhängigkeit netzgekoppelter PV-Anlagen vom öffentlichen Stromnetz. Kommt es zu einem Stromausfall, übernimmt das Backup-System die Weiterversorgung des Hausnetzes. Das System besteht im Wesentlichen aus dem Wechselrichter Sunny Backup, einer PV-Anlage sowie einem Batteriespeicher. Im Normalbetrieb speisen ein oder mehrere Solar-Wechselrichter den Strom aus der PV-Anlage in das öffentliche Netz ein. Erst bei einem Netzfehler bzw. -ausfall wird das Sunny Backup-System aktiv: Die Umschalteinrichtung trennt sowohl PV-Anlage als auch Verbraucher normgerecht vom Netz während das Hausnetz aus der Batterie weiter versorgt wird. Der Sunny Backup koordiniert als Systemmanager sämtliche Schalthandlungen. So wird jeder Netzausfall zuverlässig kompensiert. Die PV-Anlage fungiert hier als Energiequelle zur direkten Versorgung der Verbraucher und zur Abb. 1.8: AC-gekoppeltes Hybridsystem mit vier Clustern, angeschlossen an eine Multiclusterbox 12

13 Solare Insel- und Backup-Versorgung Batterieladung. So können Verbraucher auch bei Stromausfall über lange Betriebszeiten mit Energie versorgt werden. Die Einbindung lokal verfügbarer regenerativer Energiequellen führt trotz kleiner Batteriekapazitäten zu einer Verlängerung der Autonomiezeit. Voraussetzung für ein reibungsloses Zusammenspiel von Sunny Backup und Solar- Wechselrichtern ist die konsequente Nutzung der AC-Kopplung. Als ideale Synthese zwischen Netz- und Inselstrombetrieb wird das Sunny Backup-System für immer mehr Betreiber interessant. In Entwicklungsund Schwellenländern bietet es hervorragende Alternativen bei instabilen Netzen. Und auch hierzulande kann es das öffentlich Stromnetz sinnvoll ergänzen. Denn lang andauernde Blackouts und zeitweilige Stromausfälle werden, so die Meinung der Experten, europaweit zunehmen. Wechselrichter Sunny Backup auf einen Blick Optimal für Energieversorgungssysteme von 2 kw bis 100 kw Integrierbar in neue und bestehende PV-Anlagen Vorkonfiguriertes Set Kompakte, preiswerte Umschalteinrichtung Kleine Dimensionierung der Batterie durch Einbindung der PV-Anlage Energieversorgung und Batterieladung übers Netz Unverändert hoher PV-Wirkungsgrad Automatische Umschaltung auf Backup- Versorgung in nur ca. 20 Millisekunden Abb. 1.9: Die Backup-Lösung von SMA 13

14 SMA Solar Technology 2. Der Insel-Wechselrichter Der Insel-Wechselrichter Sunny Island ist der erste modulare Batterie-Wechselrichter, der die Kopplung verschiedenster Einspeiser (PV-Anlagen, Windenergieanlagen, Stromerzeugungsaggregaten, Blockheizkraftwerken, Kleinstwasserkraftwerken) auf der Wechselspannungsseite (AC-Kopplung) ermöglicht. Der Insel-Wechselrichter verfügt über verschiedene Managementsysteme, um einen zuverlässigen Betrieb des Energieversorgungssystems zu garantieren. Batterie-, Generator-, Energie- und Lastmanagement ergänzen sich zu einem allumfassenden Systemmanagement. Sämtliche notwendigen Größen werden vom Sunny Island gemessen oder berechnet, um keine Schalthandlung oder Sollwert-Änderung dem Zufall zu überlassen. Um den Parallelbetrieb der AC-gekoppelten Spannungsquellen ohne Kommunikation zu ermöglichen, wird der sogenannte Droop-Mode (SelfSync ) benutzt. Diese Methode basiert auf dem Einsatz von Wirk- und Blindleistungsstatiken, um das Betriebsverhalten der verschiedenen miteinander gekoppelten Stromrichter zu koordinieren (Abb. 2.1). Zum Erreichen eines optimalen Leistungsflusses werden die Netzparameter Spannung und Frequenz gezielt beeinflusst. Jeder Stromrichter arbeitet mittels einer Kaskadenregelung als Spannungsquelle. So wird beispielsweise die Wirkleistungsaufnahme oder -abgabe eines jeden parallelen Stromrichters in Abhängigkeit von der Frequenz im Inselnetz selbstständig geregelt. Steigt die Frequenz bei plötzlicher Entlastung an, reduzieren alle Stromrichter die eingespeiste Leistung das System bleibt im Gleichgewicht. Diese Regelungsalgorithmen erlauben eine schnelle Reaktion auf typische Leistungsschwankungen im Inselnetz. Sie sind für alle relevanten Netzkonfigurationen (400 V oder 230 V/50 Hz sowie 120 V/60 Hz) verfügbar. 0 Abb. 2.1: Regelungsalgorithmus im Insel-Wechselrichter von SMA (SelfSync ) 14

15 Solare Insel- und Backup-Versorgung 2.1 Sicherheitsfunktionen Der Insel-Wechselrichter ist sowohl für thermische als auch für elektrische Überlastbedingungen optimiert. Er passt die maximale Leistung direkt an die Umgebungsbedingungen an. Mit dem patentierten Kühlsystem OptiCool (Abb. 2.2) bietet SMA jetzt eine technische Lösung, die sowohl passive als auch aktive Kühlung miteinander verbindet. Das intelligente Temperaturmanagement besteht aus einem Zweikammersystem mit einem wasserdichten Bereich für die Elektronik und einem luftdurchströmten Bereich mit den relevanten Wärmequellen. Das gewährleistet einen hervorragenden Schutz bei gleichzeitig außergewöhnlichem Überlastverhalten und bestmöglicher Zuverlässigkeit. Im Falle von hohen Einschaltströmen kommen Sanftanlauffunktionen zum Einsatz: Der Überstrom wird beispielsweise beim Sunny Island 5048 für die ersten 0,1 Sekunden auf 100 A begrenzt. Bis zu drei Sekunden liefert der Wechselrichter den 2,5-fachen Überstrom. Erst danach z. B. bei einem Dauerkurzschluss wird das Gerät aus Sicherheitsgründen abgeschaltet. 16 A Schutzschalter mit B-Charakteristik werden innerhalb von 100 ms ausgelöst, wodurch auch die Sicherheitsansprüche netzparalleler Installation abgedeckt werden. Abb. 2.2: Kühlsystem OptiCool ermöglicht Einsatz bei extremen Umgebungsbedingungen Abb. 2.3: U- und I-Kurve des Sunny Island 5048 vor, während und nach Auftreten eines Kurzschlusses 15

16 SMA Solar Technology 2.2 Betriebs- und Benutzerführung Grundlage des Bedienkonzepts der Insel-Wechselrichter (z. B. SI 5058, SI 2224) ist der Single Point of Operation (SPO). Alle Einstellungen, Schaltabläufe oder wichtigen Systemgrößen können zusammengefasst und so auf einem einzelnen Display angezeigt bzw. verändert werden. SPO erlaubt eine geschlossene Systemübersicht und ermöglicht die Einstellung paralleler Einheiten sowie angeschlossener Laderegler von einem Gerät aus. Informationen über externe Quellen oder Lasten können eingesehen werden, da alle automatischen Schalthandlungen ebenfalls durch den Insel- Wechselrichter aktiviert werden. Über eine interne Kommunikationsstruktur werden alle relevanten Informationen zwischen den Systemkomponenten ausgetauscht soweit sie eine solche Funktion unterstützen. Um Installateur und Nutzer die Installation und Bedienung des Sunny Island so einfach wie möglich zu machen, hat SMA den Quick-Configuration- Guide entwickelt. Über das Menü gibt der Installateur Antworten auf einige wenige Fragen und programmiert so das komplette System. Aus ca. sechs einfachen Einstellungen kann der Wechselrichter alle fehlenden Defaultwerte generieren und gewährleistet so den sicheren Systembetrieb. 2.3 Datenerfassung und Datenspeicherung Ein wesentlicher Teil des internen Bedienmenüs befasst sich mit der Historie aller aufgetretenen Betriebszustände. Spitzenwerte sowie wichtige Informationen und Ereignisse werden in einem internen, permanenten Speicher abgelegt. Ein integriertes Datenerfassungssystem übernimmt alle Messungen, Berechnungen und Auswertungen. So kann ein umfassendes Bild aller Aktivitäten von Ladevorgängen bis hin zu automatischen Lastabwürfen erstellt werden. Alle wichtigen Daten werden auf einer Flash- Speicherkarte gespeichert. Der Nutzer kann zwischen Kartenspeichergrößen von 128 MB bis 2 GB wählen. Die Daten werden nach dem FIFO-Verfahren (First In First Out) gespeichert. So stehen die neuesten Informationen nicht nur dem Nutzer, sondern auch dem SMA Support Team zur Verfügung. Die Datenerfassung des Sunny Island lässt sich ganz einfach erweitern mit Kommunikationsprodukten von SMA. So ist beispielsweise mit dem Datenlogger Sunny WebBox eine einfache und umfassende Fernüberwachung möglich. 16

17 Solare Insel- und Backup-Versorgung 3. Stromerzeuger im Inselnetz Inselnetze werden in erster Linie errichtet, um netzferne Lasten mit Energie zu versorgen. Diese Energie muss in einer für die Verbraucher nutzbaren Form bereitgestellt werden. Für AC-gekoppelte Inselnetze bedeutet das, dass alle Quellen auf der Basis definierter Spannungs- und Frequenzebenen (z. B. 230 Volt/50 Hz) arbeiten. Die auf dem Markt erhältlichen Energieerzeuger sind meist auf die landesüblichen Einstellungen vorkonfiguriert. In einigen Ländern, wie etwa in Brasilien oder Japan, ist es ratsam, die Angaben genau zu überprüfen. So sind in Japan 127 V und 230 V gleichermaßen gängig und das bei unterschiedlichen Frequenzen (50 Hz oder 60 Hz). Die Einspeiser decken primär den direkten Energiebedarf der Verbraucher. Energie, die nicht direkt verbraucht wird, speist die Batterien und kann je nach Bedarf später wieder abgerufen werden. Der Energiefluss hängt damit entscheidend vom Verhalten des Verbrauchers ab. Insgesamt lassen sich Energiequellen in erneuerbare und solche auf Basis fossiler Brennstoffe unterschieden. 3.1 Wechselrichter für Photovoltaik Die Funktion eines PV-Wechselrichters besteht im Wesentlichen aus der Umwandlung des von den Solar-Modulen gelieferten Gleichstroms in sinusförmigen Wechselstrom. Das Gerät hat dabei die Aufgabe, die Wellenform von Strom und Spannung synchron zur Inselnetzfrequenz bereitzustellen. Heute gängige PV-Wechselrichter, wie die Sunny Boy von SMA, ermitteln den Arbeitspunkt mit der größtmöglichen Leistungsausbeute (Maximum Power Point MPP), verfolgen diesen während des Betriebs und garantieren so die optimale Energieausbeute. In Inselsystemen spielen vor allem die Leistungsbereiche bis zu 100 Kilowatt eine Rolle. Sunny Boy und Sunny Mini Central von SMA sind optimal für den Einsatz in Systemen dieser Größenordung geeignet. Sie überzeugen durch erstklassige Wirkungsgrade, Anwenderfreundlichkeit und Zuverlässigkeit. Abb. 3.1: String-Wechselrichter Sunny Boy im Inselsystem 17

18 SMA Solar Technology 3.2 Wechselrichter für Windturbinen Sunny Boy und Sunny Mini Central haben als einzige Solar-Wechselrichter die Fähigkeit, die Höhe der Frequenz im Inselnetz zu interpretieren und sich wie auch die Großkraftwerke im öffentlichen Versorgungsnetz aufgrund der Frequenz an den jeweiligen Energiebedarf anzupassen, d. h. den Energiefluss im Inselnetz zu regulieren. Sie lassen sich sowohl in einphasigen- als auch in dreiphasigen Netzen problemlos einsetzen. Eine genaue Auslegung lässt sich mit dem Programm Sunny Design ganz einfach durchführen. Neben der Auslegung von Wechselrichter, Modulen und deren Ausrichtung erhält man detaillierte Angaben zu Kabelquerschnitten und dem jeweiligen optimalen Arbeitspunkt der Solar-Anlage. Sunny Design steht unter kostenfrei zum Download bereit. Auch hier besteht die Hauptaufgabe in der Umformung des von der Windkraftanlage gelieferten Gleichstroms in Wechselstrom. Ein- und dreiphasige Netze sind kein Problem, da auch die von der SMA hergestellten Windy Boy in jedem SMA Inselnetz einsetzbar sind. Wie die Sunny Boy kann sich auch der Windy Boy an den jeweiligen Energiebedarf eines Inselnetzes anpassen, um ein Energieüberangebot zu vermeiden. Zur Leistungserhöhung für größere Windkraftanlagen können die Geräte auch einphasig parallel geschaltet werden. Die Windy Boy Protection Box, dem Windy Boy vorgeschaltet, bietet optimalen Schutz und gewährleistet einen reibungslosen Anlagenbetrieb. Die Protection Box verfügt über einen dreiphasigen Gleichrichter, begrenzt überschüssige Spannung und Leistung des Windgenerators und leitet diese in einen Lastwiderstand um. Abb. 3.2: Wechselrichter Windy Boy mit Windy Boy Protection Box für Kleinwindkraftanlagen im Inselsystem 18

19 Solare Insel- und Backup-Versorgung 3.3 Wechselrichter für Wasserturbinen Auch Wasserturbinen lassen sich problemlos in SMA Inselsysteme einbinden. Grundsätzlich kann zwischen solchen mit Asynchrongeneratoren und mit Synchrongeneratoren unterschieden werden. Asynchrongeneratoren mit bis zu 5 kw lassen sich in einfache Dreiphasensysteme integrieren. Eine direkte Aufschaltung ist hierfür ausreichend. Turbinen mit permanent erregten Synchrongeneratoren können über oben genannte Windy Boy eingebunden werden. Windy Boy bieten mit ihren softwareseitig hinterlegten Turbinenkennlinien für Windkraftanlagen auch ideale Voraussetzungen für den Einsatz in der Wasserkraft. Synchrongeneratoren, die über eine eigene Spannungs- und Frequenzregelung verfügen, können in größeren Anlagen mit einer entsprechenden Synchronisiereinrichtung eingebunden werden. Abb. 3.3: Wechselrichter Windy Boy mit Windy Boy Protection Box für Kleinwasserkraftanlagen im Inselsystem 19

20 SMA Solar Technology 3.4 Blockheizkraftwerke (BHKW) Bei mit Diesel oder nichtfossilen Brennstoffen betriebenen Blockheizkraftwerken handelt es sich um Verbrennungsmaschinen, bei denen neben der erzeugten elektrischen Energie auch die anfallende Wärme am und im Gerät sowie aus der Abluft z. B. zur Warmwassergewinnung genutzt wird. Aufgrund der Leistungsklasse eignen sich für den Einsatz in SMA Inselsystemen vorrangig sogenannte Kleinst- BHKW. Netzbildende BHKW werden wie konventionelle Dieselgeneratoren in ein Inselnetz eingebunden und vom Sunny Island gestartet und gestoppt. Sie bieten durch ihre Synchrongeneratoren zusätzlich eine Notstromfähigkeit. Im Falle eines Ausfalls des Inselnetzes kann das BHKW selbst ein Netz bilden und die Lasten weiterhin versorgen. Kleinere BHKW arbeiten meist netzparallel, schalten sich also auf bereits bestehende Netze auf und speisen in diese stromgeregelt ein. Sie verfügen über Asynchrongeneratoren und können daher kein eigenes Netz bilden. Die SMA Solar Technology AG hat mit der Firma Power Plus das System EcoIsland entwickelt, bestehend aus einem Sunny Island und einem Eco Power BHKW. Diese optimal aufeinander abgestimmten Geräte bilden ein zuverlässiges Inselnetz in Gegenden, in denen auch die Wärmegewinnung eine große Rolle spielt. Mehr Infos hierzu unter: anlagen-und-systeme/ecoisland.html Abb. 3.4: EcoIsland System mit PV-Anlage und Wärmespeicher 20

21 Solare Insel- und Backup-Versorgung 3.5 Wechselrichter für Brennstoffzellen Mit dem Hydro Boy bietet SMA die optimale Einbindungsmöglichkeit für Brennstoffzellen in ein Sunny Island-System. Der Anspruch von Brennstoffzellen, mit sehr hohen Strömen und vergleichsweise kleinen Spannungen zu arbeiten, macht einen auf die Anwendung zugeschnittenen Wechselrichter wie den Hydro Boy unverzichtbar. Ebenso wie ein Sunny Boy besitzt er die Fähigkeit, sich an die jeweiligen energetischen Gegebenheiten des Inselnetzes anzupassen. Brennstoffzellen werden derzeit noch mit den unterschiedlichsten Spannungs- und Strombereichen produziert. Daher ist hier besonders auf die Kompatibilität zum Hydro Boy zu achten. Brennstoffzellen können in Sunny Island-Systemen auch DC-seitig, also auf der Batterieseite, eingebunden werden. Sie dienen so der direkten Batterieladung und können bei Bedarf Energie von der DC-Seite über den Sunny Island zur AC-Seite liefern. Hydro Boy-Wechselrichter sind in den Standardgrößen von 1,1 kw und 1,3 kw erhältlich, werden aber auch kundenspezifisch hergestellt. Abb. 3.5: Wechselrichter Hydro Boy für Brennstoffzellenanwendung im Inselsystem 21

22 SMA Solar Technology 3.6 Verbrennungsaggregate Verbrennungsaggregate sind eine Kombination aus Verbrennungsmaschine und Stromgenerator, die zunächst die gespeicherte Energie des Brennstoffs in mechanische Energie umwandeln, um daraus anschließend elektrische Energie zu gewinnen (Stromgenerator). Sowohl die Verbrennungsmaschine als auch der Stromgenerator können in diversen Ausführungen in einem Verbrennungsaggregat integriert sein. Aggregate werden oft als Backup-Generatoren in Hybridsysteme integriert, um die regenerativen Erzeuger- und Speichergrößen zu optimieren und auch die saisonale Energieverfügbarkeit des Versorgungssystems zu verbessern. Die Verfügbarkeit des Kraftstoffs und der Wirkungsgrad der Maschinen sind zwei erhebliche Faktoren, die bei der Planung eines Hybridsystems berücksichtigt werden müssen. Dabei kann eine nicht optimale Auslegung des Verbrennungsaggregats erhebliche Betriebs- und Wartungskosten verursachen, z. B. durch erhöhten Brennstoffverbrauch. Typischerweise verfügen Verbrennungsaggregate über eine integrierte Fernstartmöglichkeit. Sie können anhand von vordefinierten Größen gezielt ein- bzw. ausgeschaltet werden. Aktuell sind auch Aggregate mit manueller Start/Stop Funktion auf dem Markt verbreitet bzw. vom Anwender bereits eingesetzt. Für diese Aggregate bietet SMA den Generator-Manager GenMan an, der die Fernstartoption ergänzt. Dieselgeneratoren spielen heute auch in regenerativen Hybridsystemen eine wichtige Rolle. Was hier recht paradox klingt, ist schnell erklärt: Angenommen, man würde ein System zu 100 Prozent mit Sonnenenergie versorgen. Dann müsste man Solar-Module in ausreichender Anzahl installieren, um auch in der sonnenärmsten Jahreszeit, also in Zentraleuropa beispielsweise im Winter, genügend Solar-Energie bereitstellen zu können. Ein solches System ist aufgrund des riesigen PV-Generators in der Regel nicht wirtschaftlich zu betreiben. Die Einbindung eines Dieselgenerators stellt die Nutzung einer kurzfristig und sicher verfügbaren Energiequelle dar, die die notwendige Größe einer Solar-Anlage überproportional reduziert. Abb. 3.6: Generator für den Einsatz mit Pflanzenöl 22