Inselnetzsysteme

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Inselnetzsysteme

TechnikKompendium 2
Solare Insel- und Backup-Versorgung
Grundlagen, Anwendungen und SMA Lösungen
Titelseite:
30 kWp Hybrid-Backup-System in Ntarama, Ruanda,
zur Versorgung eines Berufsschulzentrums für Solar-Technik
Inbetriebnahme: 2009
Quelle: Juwi Solar GmbH
INHALT
1.
Regenerative Inselsysteme
1.1
1.2
1.2.1
1.2.2
1.2.3
1.3
1.4
1.5
Komponenten
Systemdesign
Die DC-Kopplung
DC-/AC-Mischsysteme
Die AC-Kopplung
Funktionsweise
Wachstum und Vernetzung von Inselsystemen
Sunny Backup – die Notstromversorgung von SMA
2.
Der Insel-Wechselrichter
2.1
2.2
2.3
Sicherheitsfunktionen
Betriebs- und Benutzerführung
Datenerfassung und Datenspeicherung
3.
Stromerzeuger im Inselnetz
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
Wechselrichter für Photovoltaik
Wechselrichter für Windturbinen
Wechselrichter für Wasserturbinen
Blockheizkraftwerke (BHKW)
Wechselrichter für Brennstoffzellen
Verbrennungsaggregate
4.
Die Betriebsführung in Inselsystemen
4.1
4.2
4.2.1
4.2.2
Aufgaben und Ziele
Optimale Betriebsführung: die Laderegelung des Sunny Island
Generatormanagement
Systemmanagement
5.
Kommunikation im Inselnetz
5.1
5.2
Sunny WebBox – die Kommunikationszentrale
Sunny Portal – Datenspeicherung und Anzeige online
6.
Auslegung von Inselsystemen
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
6.7
6.8
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
7.
8.
9.
10.
Ökonomische Aspekte von Inselsystemen
Kompetent, flexibel, weltweit: der SMA Service
Referenzen
Literatur
4
5
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3
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 300.000 Gehöfte
und Gebäude keinen Anschluss an das öffentliche
Stromnetz. Der Einsatz photovoltaischer Inselsysteme
ist hier oft die wirtschaftlichste Lösung.
Abb. 1.1: Elektrifizierungsrate (Quelle: Weltbank)
4
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.
2.
3.
4.
5.
Notwendige Anschlussleistung
Energieverbrauch
Art der Verbraucher
Nutzungszeitraum
Meteorologische Randbedingungen
Neben diesen technischen Aspekten sind auch kulturelle, soziale, ökonomische und finanzielle Aspekte
zu berücksichtigen.
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 PVWechselrichter 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
Ladezustandserfassung für lange Batterielebensdauer
• 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.
Energieﬂussrichtung
Funktionalitäten
Überlastfähigkeit
PV-Wechselrichter
Insel-Wechselrichter
Unidirektional
Bidirektional
MPP-Regelung Batterie-, Generator-, und LastmanageSinusförmiger Netzstrom
ment, sinusförmige Netzspannung
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
1.2 Systemdesign
1.2.1 Die DC-Kopplung
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.
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
1.2.2 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 Verbrennungsaggregat 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
1.2.3 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.
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
Batteriespeicher 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.
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.
DC-Bus
AC-Bus
Abb. 1.4: Hybridsystem mit AC-gekoppelten Komponenten
8
Vorteile der AC-Kopplung
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).
• 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,
Kleinwasserkraftwerken,
Windenergieanlagen etc.) kombinierbar
• Höchste Zuverlässigkeit durch redundanten
Systemaufbau
DC-Bus
AC-Bus
Abb. 1.5: Modulares und flexibles AC-gekoppeltes Hybridsystem
9
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
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 Verbraucher
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. 1.7
1: 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
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
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 SolarWechselrichtern 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 BackupVersorgung in nur ca. 20 Millisekunden
Abb. 1.9: Die Backup-Lösung von SMA
13
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.
6"$
G
G
7
%G
'SFRVFO[
%SPPQ
4QBOOVOHT
%SPPQ
0
1OPN
1
Abb. 2.1: Regelungsalgorithmus im Insel-Wechselrichter von SMA (SelfSync®)
14
%7
2OPN
2
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
"CMVGU
"CMVGU
;VMVGU
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
2.2 Betriebs- und Benutzerführung
2.3 Datenerfassung und Datenspeicherung
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.
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.
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 InselWechselrichter 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-ConfigurationGuide“ 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.
16
Alle wichtigen Daten werden auf einer FlashSpeicherkarte 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.
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.
.11
5SBDLJOH
4UFVFSVOHEFS
"VTHBOHTMFJTUVOH
EVSDI'SFRVFO[
Abb. 3.1: String-Wechselrichter Sunny Boy im Inselsystem
17
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 www.SMA.de 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
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
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 KleinstBHKW. 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:
http://www.ecopower.de/ecopower-mini-bhkw/
anlagen-und-systeme/ecoisland.html
Abb. 3.4: EcoIsland System mit PV-Anlage und Wärmespeicher
20
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
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 manu-
Abb. 3.6: Generator für den Einsatz mit Pflanzenöl
22
eller 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.
4. Die Betriebsführung in Inselsystemen
Die Betriebsführung spielt bislang in den meisten
Hybridanlagen nur eine untergeordnete Rolle.
Der Betrieb wird durch definierte Grenzwerte
gesteuert, die in den Ladereglern oder im BatterieWechselrichter fest eingestellt sind. In Abhängigkeit
vom Zustand der Batterie wird das Verbrennungsaggregat zu- oder abgeschaltet. Dabei werden im
einfachsten Fall ausschließlich feste Spannungsgrenzwerte verwendet. Doch diese Verfahren bringen einige Einschränkungen mit sich: Bei sehr
großer Belastung der Batterie wird aufgrund des
Innenwiderstands der Zellen verfrüht der Generator
gestartet. Bei kleinen Entladeströmen wird die
Batterie oftmals zu tief entladen. Der Batteriespeicher kann somit weder richtig ausgelastet noch
sicher vor Tiefentladungen geschützt werden. Neuere Gerätegenerationen nutzen deshalb bereits
stromkompensierte Spannungsschwellen.
Eine zuverlässige Information für die Betriebsführung
ist der Ladezustand der Batterie, der sich aber messtechnisch nicht unmittelbar erfassen lässt. Um den
genauen Ladezustand einer Batterie zu ermitteln, sind
Rechenalgorithmen notwendig, die sich vor allem in
der Genauigkeit der Berechnung unterscheiden.
Bis heute haben nur wenige Hersteller von BatterieWechselrichtern Algorithmen zur Bestimmung des
Ladezustands in die Geräte integriert.
Neben der Ladezustandsermittlung ist die Laderegelung eine wichtige Funktion, um eine lange
Batterielebensdauer in Hybridsystemen zu erreichen. Dafür sind regelmäßige Voll- und Ausgleichsladungen mit deutlich verlängerten Ladezeiten notwendig. Bis heute haben nur wenige
Hersteller automatische Voll- und Ausgleichsladungen in die Geräte integriert.
Soll der Brennstoffverbrauch des Verbrennungsaggregats niedrig gehalten werden, muss das
Aggregat möglichst gut und gleichmäßig ausgelastet werden. Dementsprechend darf der Generator
nicht größer als der Batterie-Wechselrichter ausgelegt werden. Da die Verbraucherleistung großen
Abb. 4.1: Aufbau eines typischen regenerativen Hybridsystems
23
Schwankungen unterliegt, muss der BatterieWechselrichter den Generatorstrom regeln und
seine Ladeleistung ständig anpassen. Ein Blindleistungsmanagement ist notwendig, um auch mit kleinen Generatoren zuverlässig laden zu können.
Gleichzeitig sind unnötige Blindströme zu vermeiden, die den Wirkungsgrad des Systems verschlechtern.
4.1 Aufgaben und Ziele
PV-Hybridsysteme (Abb. 4.1) bestehen aus zwei
oder mehreren Stromerzeugungs- und Versorgungseinheiten wie PV- und Windenergieanlagen, Wasserkraftwerken oder Verbrennungsaggregaten. Häufig
werden einige dieser Stromerzeuger parallel
geschaltet.
Mit Ausnahme der Verbrennungsaggregate sind
die Erzeuger nur bedingt oder gar nicht regelbar. Daher ist in das Hybridsystem immer eine
Batterie als Energie- und Leistungspuffer integriert.
Der Batteriespeicher übernimmt zentrale Aufgaben:
Bei einem Überangebot an Erzeugung nimmt die
Batterie die Energie auf, die nicht gleichzeitig verbraucht werden kann. Wenn die Erzeugung nicht
ausreicht, um den Bedarf zu decken, gibt die Batterie
die Energie wieder ab. Allerdings ist die speicherbare Energie und Leistung begrenzt. Darüber hinaus
unterliegt die Batterie Alterungsprozessen, die sehr
stark von der eingesetzten Ladetechnik abhängt.
Das Batteriemanagement wird somit zur zentralen Größe für die gesamte Betriebsführung. Ohne
eine intelligente Laderegelung und einen effektiven
Tiefenentladeschutz erreichen typische Bleibatterien
nur eine sehr kurze Lebensdauer.
Verbrennungsaggregate weisen ebenfalls in ihrer
Lebensdauer und im Wirkungsgrad eine starke
Abhängigkeit von den aktuellen und häufig auftretenden Betriebsbedingungen auf. So erreichen
typische Dieselaggregate zur Stromerzeugung ihren
maximalen Wirkungsgrad in der Regel bei 100
Prozent ihrer Nennleistung (Abb. 4.2). Bei halber
Nennleistung fällt der Wirkungsgrad bereits um 20
Prozent geringer aus. Bei Generatorauslastungen
unter 50 Prozent sinkt er sehr stark ab.
Die Betriebsführung von Hybridsystemen hat drei
wesentliche Aufgaben:
• Das System immer in einem sicheren Betriebszustand zu halten, damit die Lasten zuverlässig
mit elektrischer Energie versorgt werden können
• Die Minimierung der Brennstoff- und Wartungskosten
• Die Optimierung der Lebensdauer der Batterie
und des Generators
&GGJDJFODZ
(FOFSBUPS1PXFS<11OPN>
Abb. 4.2: Wirkungsgradkurve eines typischen kleinen Dieselgenerators
24
4.2 Optimale Betriebsführung:
Die Laderegelung des Sunny Island
Batterie-Wechselrichter der SMA Solar
Technology AG arbeiten mit einem sehr
genauen Ausgleichsalgorithmus, der
sich automatisch an die verschiedenen
Batterietypen und das Alter der Batterien
anpasst. Die Ladezustandserfassung
wurde um den Anschluss eines externen
Strommess-Shunts erweitert. Hierdurch
wird auch eine Überwachung und
Steuerung von DC-Verbrauchern oder
Einspeisern auf der Batterieseite möglich.
Der Batterie-Wechselrichter Sunny Island
besitzt eine dreistufige Laderegelung mit
automatischer Voll- und Ausgleichsladung,
(wie in Abb. 4.3 dargestellt). Hierdurch
können sowohl Überladung als auch
Mangelladung sehr zuverlässig unterbunden werden.
Abb. 4.3: Verschiedene Phasen der Laderegelung des
Batterie-Wechselrichters Sunny Island 5048
4UBUFPG$IBSHF<>
#BUUFSZ$VSSFOU<""I> #BUUFSZ7PMUBHF<7;FMMF>
Abb. 4.4 zeigt die Laderegelung und Ladezustandserfassung eines PV-Hybridsystems in
Griechenland. Nach einer Vollladung von ca. fünf
Stunden wird am darauf folgenden Tag nur eine
Erhaltungsladung durchgeführt.
#BUUFSZ7PMUBHF
4FUQPJOU$IBSHF7PMUBHF
#BUUFSZ$VSSFOU
4UBUFPG$IBSHF40$
Abb. 4.4: Laderegelung und Ladezustand in einem griechischen PV-Hybridsystem über einen Zeitraum von
zwei Tagen
25
4.2.1 Generatormanagement
4.2.2 Systemmanagement
Der Batterie-Wechselrichter generiert anhand des
Ladezustands – oder der aktuellen Leistung kombiniert mit Timerfunktionen – ein Start- und StoppSignal für ein Verbrennungsaggregat. Zusätzlich hält
er Warm- und Mindestlaufzeiten sowie Abkühlzeiten
für den Generator ein. Dies führt zu einem wartungsarmen Betrieb und einer deutlichen Verlängerung
der Lebensdauer des Generators.
Hybridsysteme, die neben Beleuchtung, Radio,
Fernseher und Kühlschränken auch sehr dynamische
Lasten (Maschinen, Haushaltsgeräte, Küchengeräte)
versorgen, sollten nicht nur anhand von energetischen Werten, wie z. B. dem Ladezustand, gesteuert werden. Bei einem großen Leistungsbedarf ist
dieser nicht notwendigerweise aus der Batterie
zu decken, sondern direkt durch den angeschlossenen Generator. Dies erhöht deutlich den
Systemwirkungsgrad und sorgt aufgrund des geringeren Energiedurchsatzes durch die Batterie für eine
längere Batterielebensdauer. Die Möglichkeit, den
Generator bei erhöhter Verbraucherleistung zu starten, ist daher vorteilhaft. Auch ein Lastmanagement,
das das zeitliche Wegschalten unkritischer Lasten
erlaubt, verbessert das Systemverhalten. Diese und
weitere Funktionen können im Sunny Island aktiviert
werden. Damit der Batterie-Wechselrichter genügend Zeit hat, sich auf solche Situationen einzustellen, besitzt er eine sehr hohe Überlastfähigkeit und
kann beispielsweise Anlaufströme von Maschinen
sicher bewältigen.
Eine schnelle und genaue Generatorstromregelung
sorgt dafür, dass der Generator immer im optimalen Betriebspunkt bleibt. Selbst bei plötzlich
vorkommenden Laständerungen übernimmt in der
Hauptsache der Batterie-Wechselrichter Sunny Island
die Lastschwankungen und stützt den Generator
durch Energielieferung aus der Batterie. Hierdurch
können auch im Verhältnis zur Nennlast kleine
Generatoren zuverlässig eingesetzt werden.
Dieses Verfahren funktioniert nicht nur mit
Diesel- oder Benzingeneratoren, sondern auch
mit kleinen Wasserkraftwerken (Abb. 4.5). Die
Spannungsschwankungen sind auf die unterschiedlichen Blindleistungssituationen innerhalb des
Systems zurückzuführen.
(SJE'SFRVFODZ
1PXFS<L8>
"DUJWF1PXFS8BUFS5VSCJOF
"DUJWF1PXFS$POTVNFS
"DUJWF1PXFS4VOOZ*TMBOE
Abb. 4.5: Generatorstromregelung im Zusammenspiel mit einer Wasserturbine
26
7PMUBHF<7>
'SFRVFODZ<)[>
(SJE7PMUBHF
5. Kommunikation im Inselnetz
Kommunikationseinrichtungen können in Inselsystemen zu drei unterschiedlichen Zwecken eingesetzt
werden:
Daten der Batterien, externer Quellen und Lasten
erfassen kann. Diese Daten können mit einer
Sunny WebBox aufgenommen und gespeichert
werden. Dies funktioniert über die Anbindung des
Datenloggers mit einem RS485-Bus. Auf Wunsch
sendet die Sunny WebBox die Daten an Sunny
Portal, wo sie weltweit online verfügbar sind.
1. Funktionsabhängige Kommunikation
2. Unterstützende Kommunikation
3. Gesamtdiagnose
1. Die Aufgaben des Systems können eine funktionsabhängige Kommunikation erfordern.
Werden beispielsweise mehrere BatterieWechselrichter parallel geschaltet oder in einem
3-phasigen Inselnetz betrieben, benötigen sie
eine Kommunikation untereinander, um Daten
auszutauschen oder elektrische Parameter wie
Phasenverschiebungen einhalten zu können. Es
sind keine weiteren Kommunikationsmittel nötig.
2. Die unterstützende Kommunikation dient der
Auswertung von Daten, um den optimalen Betrieb
der Anlage überprüfen und lenken zu können.
Hierzu reicht meist eine Kommunikation mit dem
Sunny Island aus, da dieser gleichzeitig die
3. Die Gesamtdiagnose umfasst die Kommunikation
mit nahezu jeder Komponente des Systems. Jedes
einzelne Gerät kann erfasst und die Daten aufgezeichnet werden. Über einen Kommunikationsbus
(z. B. RS485) ist die Verbindung von Sunny
Island, Sunny Boy, Hydro Boy, Windy Boy, Smart
Load mit der Sunny WebBox möglich. So kann
eine detaillierte Datenanalyse erfolgen.
Sämtliche hier genannten Kommunikationsaufgaben
können auch lokal mit einem Laptop oder PC durchgeführt werden. Für solche Anwendungen stehen
Softwareprogramme kostenlos zum Download zur
Verfügung.
Abb. 5.1: Möglichkeiten der Kommunikation im Inselnetz
27
5.1 Sunny WebBox –
die Kommunikationszentrale
Die Sunny WebBox ist das Bindeglied zwischen
der Inselanlage und dem Anlagenbetreiber. Mit
direktem Kontakt zum Sunny Portal via Internet
eröffnet der Datenlogger neue Möglichkeiten der
Datenerfassung, Auswertung und der individuellen
Visualisierung auf jedem PC mit einem Standard
Internet-Browser. Von RS232 über RS485 werden von der Sunny WebBox alle vorhandenen
Kommunikationswege zu den SMA Wechselrichtern
unterstützt. Zum Anwender hin, über das Sunny
Portal, kann die Datenübertragung sowie die
Anlagenkonfiguration über den integrierten EthernetController oder über Telefonmodem realisiert werden. Die Speicherung der Anlagendaten innerhalb
der Sunny WebBox erfolgt auf einer austauschbaren Speicherkarte. Der Transfer dieser Daten zum
Sunny Portal via Internet kann in konfigurierbaren
Zeitintervallen automatisch erfolgen.
28
Die Sunny WebBox im Überblick:
•
•
•
•
•
•
•
•
Kontinuierliche Anlagenkontrolle
Frühzeitiges Erkennen von Betriebsstörungen
Erfassung der Energieerträge
Diagnose und Anlagenkonfiguration mit
jedem PC (Windows, Linux, Mac OS)
Kostenlose Datenaufbereitung und grafische
Darstellung im Internet über Sunny Portal
Überwachung von bis zu 50 Wechselrichtern verschiedenen Typs pro Anlage
Zeitlich nahezu unbegrenzte und
transportable Datenspeicherung auf austauschbarer MMC/SD-Card
Niedriger Energieverbrauch
5.2 Sunny Portal – Datenspeicherung
und Anzeige online
Mit dem kostenfreien Sunny Portal von SMA lassen
sich aktuelle Betriebsdaten eines Inselsystems von
jedem Ort der Welt abrufen. So ist der Betreiber
jederzeit über den Status seiner Energieversorgung
informiert. Gleichzeitig ist über eine sichere Internetverbindung eine zuverlässige Ferndiagnose möglich.
Neben der Darstellung von Erträgen und Leistungsdaten ermöglicht der Webservice auch die automatische Versendung von Statusberichten per E-Mail.
Das komplett vorkonfigurierte Sunny Portal eignet
sich sowohl für kleine Inselnetze als auch für große
Energieversorgungssysteme. Die Daten werden dauerhaft gespeichert. Einzelne Portalseiten können
individuell konfiguriert werden. Die Werte einzelner
Wechselrichter oder der gesamten Anlage lassen sich übersichtlich präsentieren. Hierfür stehen
ansprechende Grafiktypen wie Säulen-, Linien- oder
Streudiagramme zur Verfügung.
Sunny Portal im Überblick:
• Einfache Fernüberwachung von jedem Ort
der Welt
• Darstellung der Anlagenmesswerte in
Diagrammen und Tabellen
• Kostenfreie Archivierung der Systemdaten
• Systeminformationen per E-Mail
• Anlegen mehrerer Webseiten mit
Visualisierung der Anlagendaten
• Maßgeschneiderte Seitengestaltung durch
HTML
Der Datentransfer sowie die Anlagenkonfiguration
laufen über eine Ethernet-Verbindung oder ein Telefon
mit GSM-Modem. Dabei wird der Datentransfer automatisch in den eingestellten Übertragungsintervallen
durchgeführt.
Abb. 5.2: Online-Datenspeicherung und Anzeige in Sunny Portal
29
6. Auslegung von Inselsystemen
Die professionelle Systemauslegung, die die
Bestimmung der Größe von PV-Generator und
Batterie einschließt, ist von zentraler Bedeutung für
die Wirtschaftlichkeit und Betriebszuverlässigkeit
eines Inselsystems. Sie muss – neben dem
Energieverbrauchsprofil – beim Einsatz regenerativer
Energiequellen insbesondere die Schwankungen in
der Verfügbarkeit berücksichtigen. Zur Unterstützung
des Anlagendesigners kann beispielsweise folgende
Simulationssoftware verwendet werden: HYBRID2,
PV SOL, PVS, Anesys.
Die Auslegung eines Systems ist vergleichbar mit
der Arbeit eines Architekten, der erst ein Haus auf
dem Papier konstruiert, bevor er den Bau veranlasst. Eine Auslegung beinhaltet im Wesentlichen
die Anpassung einer Anlage an die energetischen
und geographischen Verhältnisse sowie an das
Energieverhalten des Anlagennutzers. Solche
Verhältnisse werden unter anderem beeinflusst
durch:
•
•
•
•
•
Solare Deckungsrate
Autonomiezeit
Energieverhalten
Komponentenhersteller
Geographische Lage
Für eine erste Schätzung von Anlagengröße, notwendiger Komponenten und Kosten kann eine
Grobauslegung in fünf Schritten erfolgen. Ein solches
Herantasten an die Realität eines Hybridsystems
erspart dem Planenden oft unangenehme
Überraschungen.
6.1 Hinweise zum Auslegungsbeispiel
Da es sich hier um eine grobe Auslegung handelt,
sollten folgende Punkte berücksichtigt werden:
1. Die oben genannten fünf Schritte sind nur eine
erste Abschätzung
2. Eine Auslegung umfasst wesentlich mehr Angaben, wie z. B.:
• Jahreszeitliche Schwankungen
• Auslegung auf schlechtesten Monat
• Wirkliche Einstrahlungsverhältnisse
• Weitere, individuelle Wünsche
30
3. Wenn SMA Sie bei der Auslegung unterstützen soll, bitten wir Sie, den Fragebogen
zum Sunny Island-System auszufüllen.
Dieser dient:
• zur Abklärung technischer Details
• als spätere Hilfe für das Service-Team
6.2 Verbraucher und Nutzungszeiten
Die Leistung und der Energieverbrauch der Lasten
spielt im Inselsystem eine grundlegende Rolle.
Tab. 6.1 zeigt eine Übersicht gängiger Lasten, ihre
Leistungen sowie die typischen Betriebszeiten pro
Tag.
Verbraucher
Nennleistung [W]
typ. Betriebszeit [h]
Energie [kWh]
Energiesparlampe
15
2
0,03
Umwälzpumpe Heizung
70
2
0,14
200
3
0,6
90
5
0,45
100
5
0,5
Herd (Kochfeld + Backofen)
2.300
0,75
1,7
Mikrowelle
1.200
0,25
0,3
Wasserkocher
1.800
0,25
0,45
Toaster
1.200
0,25
0,3
200
0,25
0,05
Geschirrspüler
1.300
1
1,3
Staubsauger
1.800
0,25
0,43
Bügeleisen
1.000
0,25
0,24
80
0,25
0,02
Waschmaschine
2.000
1
2
Trockner
1.000
4
4
5
3
0,015
DVD-Player
15
2
0,03
Verstärker
100
2
0,2
Fernseher (70 cm diagonal)
100
4
0,4
Satellitenempfänger
18
3
0,054
Videorekorder
20
1
0,02
250
2
0,5
10
0,25
0,0025
100
2
0,2
Klimaanlage (Raum)
3.000
2
6
Föhn
1.000
0,25
0,25
15
2
0,03
Wasserpumpe
Kühlschrank
Gefriertruhe 200 l
Mixer
Nähmaschine
Radio
Computer
Thermisches Faxgerät
Laserdrucker
Rasierapparat
Tab. 6.1: Übersicht gängiger Lasten
31
6.3 Vorgehen bei der Auslegung
Je mehr Angaben zum Inselsystem erarbeitet werden können, desto hilfreicher ist es für die optimale
Anlagenauslegung. Die folgenden Fragen aus sechs
verschiedenen Bereichen sollten auf jeden Fall
beantwortet werden.
1. Anwendungsgebiete des geplanten Systems
▸ Dient die Anlage als Inselanlage oder als ein
Netzersatzsystem?
▸ Soll das System einphasig oder dreiphasig installiert werden?
2. Geographische Eigenschaften
▸ In welchem Land soll das System installiert werden?
▸ Wie hoch sind Einstrahlung und Temperatur?
▸ Wie hoch sind die mittleren Windgeschwindigkeiten vor Ort?
3. Energieerzeuger
▸ Welche Energieerzeuger sollen genutzt werden?
PV, Diesel, Wind, Wasser, andere?
4. Deckungsrate
▸ Wie hoch soll die Deckungsrate durch erneuerbare Energien sein (Verhältnis z. B. von PV-Energie
zu Diesel-Energie)?
5. Stromverbrauch
▸ Wie hoch ist der Stromverbrauch pro Jahr oder
pro Tag?
6. Leistung
▸ Wie hoch ist die maximale Leistung an einem
Tag?
Mit den hier erfragten Daten lässt sich eine erste
Auslegung anfertigen, die Auskunft über die
Größenordnung, die geeigneten Energielieferanten
sowie Komponenten geben kann.
6.4 Auswahl des Insel-Wechselrichters
Für die Wahl des richtigen Geräts sollte
berücksichtigt werden, dass einige InselWechselrichter nur einphasig, andere auch dreiphasig arbeiten können. Zudem unterscheiden
sich die Geräte durch ihre Leistungsbereiche.
30-Minuten-Leistung
einphasiges System
dreiphasiges System
Pmax = 1...2,7 kW
SI 2012
—
Pmax = 1...2,9 kW
SI 2224
—
Pmax = 1...8,7 kW
—
SI 2224 / SI 2012
Pmax = 1...4,2 kW
SI 3324
—
Pmax = 2...6,5 kW
SI 5048
—
Pmax = 6...78 kW
—
SI 5048
Tab. 6.2: Auswahl der Insel-Wechselrichter
32
Gerätebezeichnung Sunny Island
Bei der Gerätebezeichnung SI XYZZ bedeutet:
X = AC-Dauerleistung [kW] bei 25 °C
Y = AC-Dauerleistung [W] bei 25 °C
ZZ = DC-Batteriespannung [V]
Dementsprechend lässt sich anhand
a.) der maximalen Leistung Pmax und
b.) der Phasenzahl
der entsprechende Sunny Island ermitteln:
Beispielrechnung 1
Die Anzahl der Insel-Wechselrichter in einphasigen Systemen mit höheren Leistungen ermittelt man,
indem man die maximale Leistung Pmax durch die 30-Minuten-Leistung des Sunny Island teilt:
Die Ergebnisse müssen dann auf die nächsthöhere ganze Zahl aufgerundet werden, um die benötigte
Geräteanzahl Sunny Island zu erhalten.
Pmax = 16 kW
Die Gerätezahl in dreiphasigen Systemen ermittelt man ebenfalls durch die 30-Minuten-Leistung des
Sunny Island. Allerdings muss man das Ergbenis dann auf die nächsthöhere, durch 3 teilbare Zahl, aufrunden. Nur so lassen sich die Wechselrichter symmetrisch auf die Phasen aufteilen:
Pmax = 32 kW
33
6.5 Dimensionierung der Batterie
Die Batteriegröße ist in erster Linie abhängig von:
• Überbrückungszeit
• Jahresenergieverbrauch (Ea)
• Mittlerer Systemwirkungsgrad beim Entladen
(annäherungsweise ƞ = 0,9)
Zur Ermittlung der Überbrückungszeit kann eine für
die Anwendung sinnvolle Zeitspanne genutzt werden. Für die Auslegung empfiehlt sich jedoch die
Nutzung der Erfahrungswerte aus der folgenden
Tab. 6.3.
Überbrückungszeit (Tage)
Batterietyp
0,5
OGi
Backup (schlechtes Netz)
1
OGi zyklenfest
PV- oder Wind-Batteriesystem
4
OPzV
System mit Diesel
2
OPzV
1,5
OPzV
Backup (Europa)
System mit Wasserturbine
Tab. 6.3: Überbrückungszeiten bei verschiedenen Anwendungen
34
Beispielrechnung 2
Entsprechend der örtlichen Gegebenheiten ist die Batteriegröße in kWh oder Ah angegeben.
Wichtig: Batterien sind nicht in allen Größen erhältlich. Batteriehersteller bieten Standardgrößen an.
Dabei ist die Auswahl der nächsthöheren Standardgröße empfehlenswert.
Die Batteriespannung hängt von den eingesetzten Insel-Wechselrichtern ab:
Sunny Island 2012: 12 V
Sunny Island 2224 und 3324: 24 V
Sunny Island 5048: 48 V
System mit Dieselgenerator
Überbrückungszeit: 2 Tage
Jahresenergieverbrauch [Ea]: 4.500 kWh
Mittlerer Systemwirkungsgrad [ƞ]: 0,9
Gewählter Sunny Island: SI 2224
35
6.6 Dimensionierung der PV-Anlage
Die Größe der PV-Anlage ist abhängig von:
• Jahresenergieverbrauch
• Systemwirkungsgrad
(annäherungsweise ƞ = 0,7)
• Solar-Anteil
• Solare Einstrahlung
Im Vorfeld muss festgelegt werden, in welcher
Region die Anlage errichtet wird. Die örtliche SolarEinstrahlung und der sinnvolle Solar-Anteil können
sehr unterschiedlich ausfallen (Tab. 6.4).
1
Energieertrag EPV
pro Jahr und kWp
Sinnvoller Solar-Anteil (SF)
800 – 900 kWh
50 – 70 %
Südeuropa
1.300 – 1.450 kWh
60 – 90 %
Nord- oder Südafrika
1.450 – 1.700 kWh
60 – 100 %
1.800 kWh
60 – 100 %
Deutschland
Saudi Arabien (extrem gut)
Tab. 6.4: Örtliche Solar-Einstrahlung und sinnvoller Solar-Anteil
Beispielrechnung 3
Anhand der oben genannten Werte lässt sich die PV-Anlagengröße in kWp für ein Einfamilienhaus in
Südeuropa näherungsweise berechnen.
Jahresenergieverbrauch [Ea]: 4.500 kWh
Mittlerer Systemwirkungsgrad [ƞsys]: 0,7
Solar-Anteil [SF]: 70 %
Solare Einstrahlung [EPV]: 1.300 kWh
Eine passgenaue Auslegung des Solar-Felds und des Solar-Wechselrichters sowie die richtige Verkabelung lässt sich ganz einfach mit dem Auslegungstool SMA Sunny Design errechnen
(http://www.SMA.de/de/produkte/software/sunny-design.html).
1
36
Der Systemwirkungsgrad beinhaltet die Lade- und Entladewirkungsgrade, Leitungsverluste, Verluste durch Blindleistung etc.
6.7 Auslegung des Dieselgenerators
6.8 Kalkulation der Anlagenkosten
Die Ermittlung der Größe eines Dieselgenerators
ist recht einfach: Seine Nennleistung sollte etwa
80 – 120 Prozent der Sunny Island-Nennleistung
betragen. Vorzugsweise sollte der Wert aber eher
unterhalb von 100 Prozent liegen, da der Generator
so stets optimal belastet wird. Dadurch sind eine
hohe Lebensdauer sowie eine gute Dieselausnutzung
gewährleistet.
Mit der hier durchgeführten Grobauslegung kann
auch eine erste Kostenabschätzung der Anlage stattfinden. Die Kosten in der hier gezeigten Ermittlung
setzen sich zusammen aus:
•
•
•
•
•
Kosten für Insel-Wechselrichter
Kosten für den Batteriespeicher
Kosten für die PV-Anlage
Kosten für den Dieselgenerator
Kosten für die Montage und Installation
Alle weiteren fehlenden Posten müssen in einer
genaueren Betrachtung noch hinzugezogen werden,
können hier jedoch aufgrund der Variantenvielfalt
der Systeme nicht berücksichtigt werden.
Zusammenstellung der Anlagenkosten:
Kosten Sunny Island
Kosten Batterie
Kosten PV
Kosten Diesel
Geräteanzahl ╳ Gerätepreis
Ebat [kWh] ╳ 200–300 €2
PPV [kWp] ╳ 3.500 €3
PDiesel ╳ 1.000 €
Zwischensumme
Installation (15 %)
xy €
0,15 ╳ Zwischensumme
Gesamtsumme
xy €
2 Bei
Batteriehersteller zu erfragen
3 Stand
Ende 2009
37
7. Ökonomische Aspekte von Inselsystemen
Aus ökonomischer Sicht sind kleine Inselsysteme mit
Batteriespeicher im Leistungsbereich von einigen
Kilowatt heute bereits deutlich günstiger als Anlagen,
bei denen ausschließlich Dieselgeneratoren eingesetzt werden. Sogar größere Hybridsysteme, bei
denen ein Dieselgenerator nur zur Vermeidung von
langfristiger Batteriespeicherung eingesetzt wird,
können schon aufgrund der höheren Lebensdauer
und des geringeren Wartungsaufwands für die
Aggregate zu niedrigeren Kosten betrieben werden
als Stationen, die ausschließlich mit Dieselaggregaten
arbeiten. Insbesondere muss bei der Bewertung der
entstehenden Kosten berücksichtigt werden, dass
eine Kilowattstunde in entlegenen Regionen durchaus zwischen 0,50 und 1,50 Euro kosten kann.
Die Investitionskosten für eine Netzerweiterung
sind vornehmlich abhängig von der Länge des
Netzausbaus. Bei den Hybridsystemen hängen
die Investitionskosten davon ab, welche möglichen
Lasten versorgt werden müssen. Daraus leitet sich
die benötigte Größe der PV-Anlage ab.
8JSUTDIBGMJDIFS7FSHMFJDI/FU[FSXFJUFSVOHNJU17)ZCSJETZTUFN
व 1VCMJD(SJE
L8Q171PXFS4VQQMZ
L8Q171PXFS4VQQMZ
L8Q171PXFS4VQQMZ
L8Q171PXFS4VQQMZ
*OWFTUJUJPOTLPTUFO
व व व व व व व ,JMPNFUFS
Quelle: Alliance for Rural Electrification (ARE)
Abb. 7.1: Wirtschaftlichkeit von Inselanwendungen in Abhängigkeit der Entfernung zum öffentlichen
Stromnetz
38
Die Wirtschaftlichkeit von PV-Hybridsystemen zeigt
sich im Vergleich zu reinen Dieselsystemen sehr deutlich, wenn man die Kosten über die Lebensdauer beider Systeme betrachtet. Am Beispiel einer Anwendung
in Tansania (Ostafrika) kann man erkennen, dass die
höheren Anfangsinvestitionen des PV-Hybridsystems
gegenüber einer reinen Dieselstation bereits im sechsten Jahr durch die wesentlich höheren Betriebskosten
eines Dieselgenerators abgelöst werden. In den
Folgejahren wird der Einsatz eines PV-Hybridsystems
immer vorteilhafter.
Daten für System mit Diesel
Dieselgenerator 25 kVA
PV-Hybridsysteme können schon heute langfristig
wirtschaftlich betrieben werden. Unter dem Gesichtspunkt der steigenden Energie- und Rohstoffkosten
sind Hybridsysteme auf Basis regenerativer Energien
eine echte Alternative und werden zusätzliche
Anwendungsfelder erschließen.
Daten für PV-Hybridsystem mit Diesel
Dieselgenerator 25 kVA
Photovoltaikanlage 30 kWp
Insel-Wechselrichter 30 kW
Batterie 240 kWh
8JSUTDIBGUMJDIFS7FSHMFJDI%JFTFMHFOFSBUPSNJU17)ZCSJETZTUFN
,PTUFO¼CFSEJF#FUSJFCTEBVFS
व
व
5BO[BOJB%JFTFM
5BO[BOJB)ZCSJE
व
व
व
व
व
+BISF
Quelle: Alliance for Rural Electrification (ARE)
Abb. 7.2: Wirtschaftlichkeit von Inselanwendungen
39
8. Kompetent, flexibel, weltweit: der SMA Service
Bereits seit mehr als 20 Jahren entwickelt und produziert SMA Wechselrichter für netzgekoppelte
Photovoltaikanlagen und dezentrale Energiesysteme.
Diese langjährige Erfahrung bildet die Grundlage
für die kontinuierliche Weiterentwicklung der
SMA Produkte. Heute steht eine breite Palette verschiedener Insel- bzw. Batterie-Wechselrichter zur
Verfügung – sowohl für große Inselnetze als auch
für Notstromversorgungssysteme. Die Geräte sind
speziell für Ihr jeweiliges Einsatzgebiet konzipiert und
gewährleisten auch unter schwierigsten Bedingungen
einen einwandfreien Betrieb.
Für eine sichere Energieversorgung bedarf es nicht nur
langlebiger Komponenten, sondern auch eines zuverlässigen Servicepartners. Deshalb bietet SMA innovative Spitzentechnologie und umfassenden Service aus
einer Hand. Ob SMA Serviceline, Service vor Ort,
umfangreiches Garantieprogramm oder Rücknahme
der Geräte am Betriebsende: die flexiblen Leistungen
von SMA sind optimal auf Kundenwünsche zugeschnitten.
40
Die Fachkräfte der telefonischen Serviceline unterstützen Anlagenbetreiber bei der Planung, Installation
und Inbetriebnahme von Sunny Island-Systemen,
beraten bei technischen Fragen und geben Tipps
zur Systemüberwachung. Der kostenfreie Sunny
Island-Service steht unter der Telefonnummer
+49 561 9522 399 zur Verfügung.
Mit derzeit über 20 Servicestützpunkten in Deutschland und einer gut ausgebauten internationalen
Service-Infrastruktur ist SMA vor Ort im Einsatz. Ob
Installation, Wartung oder Systemanalyse: Das SMA
Serviceteam ist der kompetente Ansprechpartner für
Anlagenbetreiber.
SMA Produkte sind von höchster Qualität und mit
einer Standardgarantie von fünf Jahren ausgestattet.
Zusätzlich bietet SMA eine Garantieverlängerung,
mit der sich der Kunde für die Dauer von weiteren
20 Jahren einen Anspruch auf kostenlose Reparatur
bzw. ein Austauschgerät sichert.
9. Referenzen
Mit dem Sunny Island stellt SMA die nötige Technik
zum Aufbau modularer Inselnetze zur Verfügung. Ob
eine Dorfstromversorgung in China, ein Krankenhaus
in Indien, eine Alpenhütte in Italien oder ein Gehöft in
Deutschland: bei SMA finden Anlagenplaner für jede
Anwendung das passende Gerät. Mit über 1.000
installierten Inselsystemen auf der ganzen Welt verfügt SMA über viel Erfahrung im Bereich der autarken
Energieversorgung und hält auch für anspruchsvolle
Projekte individuelle Lösungen bereit.
Abb. 9.1: Stromversorgung für Haus in Ghana
Abb. 9.2: Mit PV-Strom versorgte Alpenhütte
Abb. 9.3: Dorfstromversorgung in China
Abb. 9.4: Dorfstromversorgung in China
41
10. Literatur
[1] Beverungen, S.: „Review of Energy Management
Strategies for Hybrid Energy Systems“, Internal
Report of the University of Kassel, IEE-RE Efficient
Energy Conversion; Kassel (2000)
[2] Sauer, D. U., et al.: „Entwicklung und Test von
Ladestrategien für Gel- und Vliesbatterien in autonomen Systemen“, Final Report of a Research
Project, Fraunhofer ISE; Freiburg (2001)
[3] Bopp, G.; Bächler, M.; Wollny, M.; Jossen, A. et
al.: „Systemkorrelierende Auswertung und Bewertung des Betriebsverhaltens in bestehenden PVAnlagen“, Final Report of a Research Project,
ZSW; Ulm (1999)
[4] SMA Technologie AG: „Stromversorgung netzferner Gebiete“, Broschüre; Niestetal (2007)
[5] SMA Technologie AG: „Sunny Island 5048 –
Neuer Batteriewechselrichter für Inselanwendungen”, Broschüre; Niestetal (2006)
[6] SMA Technologie AG: „Solarstrom auch bei
Netzausfall“, Broschüre; Niestetal (2007)
[7] Meinhardt, M.; Rothert, M.; Engler, A.: „New V/fStatics controlled Battery Inverter: Sunny Island”;
Niestetal (2003)
[8] Wollny, M.: „Electrifying China”; Sonderdruck
Refocus – „Renewable energy focus“, Oxford
(2005)
[9] Cramer, G.; Ibrahim, M.; Kleinkauf, W.: „PV
System Technologies”; Sonderdruck Refocus –
„Renewable energy focus“, Oxford (2004)
[10] Rothert, M.; Wollny, M.: „Optimized Operation
Management in Hybrid Systems“; Niestetal
(2006)
42
INSELVERSOR-ADE100810 Gedruckt auf chlorfrei hergestelltem Papier. Änderungen, die dem technischen Fortschritt dienen, bleiben vorbehalten.
SMA Solar Technology AG
www.SMA.de
Sonnenallee 1
34266 Niestetal, Germany
Tel.: +49 561 9522 0
Fax: +49 561 9522 100
E-Mail: info@SMA.de

Inselnetzsysteme

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