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Sonnenenergie: Photovoltaik & Solarthermie

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Die Daten im Blick

Text: Walter Stehle, Panasonic Foto: iStockphoto/Alexander Doubovitsky, Panasonic
Mit der Novellierung des EEG sind die Anforderungen an Photovoltaik- und Windkraftanlagen gestiegen. Um den neuen Auflagen und der wachsenden Zahl dezentraler Erzeugungsanlagen gerecht werden zu können, kommt es auf das Einspeisemanagement und das Monitoring der Anlagen an. Steuerungsgeräte helfen, den Überblick zu behalten.

Laut der vom Deutschen Bundestag am 30. Juni 2011 beschlossenen Novellierung des EEG (Erneuerbare-Energien-Gesetzes) müssen Betreiber von Photovoltaik- und Windkraftanlagen mit mehr als 30 kW installierter Leistung in der Lage sein, jederzeit die Einspeiseleistung bei Netzüberlast reduzieren und bei Anlagen mit mehr als 100 kW die augenblickliche Einspeiseleistung abrufen zu können (EEG § 6 Absatz 1 und 2). Um dies zu gewährleisten sind die Anlagenbetreiber letztlich verpflichtet, Fernsteueranlagen und Meßwerterfassungen einzubauen und zu betreiben. Zur Lösung der Aufgaben, vor die das Gesetz sie stellt, können moderne, modulare, SPS-basierte Steuerungssysteme verwendet werden, welche Fernsteueraufgaben und Datenübertragungen gemäß dem novellierten EEG zur Verfügung stellen. Die Modularität des Gesamtsystems sollte dabei den Ausbau von der einfachen Ist-Leistungsmessung bis hin zum komplexen Anlagen-Monitoring ermöglichen.

Einspeisemanagement für Netzstabilität

Da die Energieversorgung der Zukunft durch dezentrale Standorte vieler kleinerer Erzeugungsanlagen gekennzeichnet ist, verschieben sich die Energieströme im Netz. So fließen an Tagen mit hoher Sonneneinstrahlung die Energieströme aus Süddeutschland in Richtung Norden und umgekehrt bei starkem Wind aus den Windkraftanlagen im Norden zu den Verbrauchern im Süden. Netzbetreiber müssen daher den Netzbetrieb stabilisieren, um bei niedriger Bezugslast und hoher Einspeisung eine regionale Überlastung des Stromnetzes zu vermeiden. Hierfür sieht das EEG je nach Anlagengröße verschiedene Maßnahmen vor (siehe Kasten S. 43).

Bei großen Anlagen mit einer Einspeiseleistung von mehr als 100 kW oder in Regionen mit einem großen Anteil an dezentralen Energieerzeugern ist der Einsatz von Steuergeräten als sogenannte Einspeisemanager sinnvoll, die über das genormte Fernwirkprotokoll IEC 60870-5-101 beziehungsweise -105 mit der Leitstelle des Netzbetreibers kommunizieren. Im Abstand von jeweils 15 Minuten übertragen sie zyklisch oder auf Anforderung die Einspeiseleistung der Erzeugungsanlage und ermöglichen so dem Netzbetreiber eine kontinuierliche Lastgangmessung. Steigt das Risiko einer lokalen Netzüberlastung an, kann ebenfalls über das Steuergerät die Leistungsreduktion veranlasst werden. Damit kann der Netzbetreiber einen lokalen Ausfall des Stromnetzes durch Überlast und damit auch einen Ausfall der Eigenerzeugungsleistung verhindern.

Messung per Powermeter

Bei Bestandsanlagen kann die Messung der Einspeiseleistung einfach und ohne Eingriff in die Wechselrichter mit Hilfe externer Energiezähler (Powermeter) erfolgen. Am Einspeisepunkt der Energieerzeugungsanlage wird ein Powermeter installiert, der mit Hilfe von Stromwandlern den Einspeisestrom misst und die momentane Ist-Leistung, die Blind- und Wirkleistung und andere Parameter ermittelt. Die indirekte Messung der Einspeiseströme übernehmen Stromwandler, die sich durch Klappkerntechnologie montieren lassen, ohne dabei stromführenden Leitungen auftrennen zu müssen. Es stehen Wandler bis zu 400 A zur Verfügung und einige Geräte können die Messwerte mit Zeitstempel in einer SD-Speicherkarte im CSV-Fileformat speichern, die der Anlagenbetreiber dann mit einfachen Tabellenkalkulationsprogrammen analysieren kann, ohne auf die Daten des Netzbetreibers angewiesen zu sein.

Die Anlage lernt das Sprechen

Damit die Steuergeräte mit dem Prozessleitsystem des Netzbetreibers kommunizieren können, ist ein DSL-Anschluss mit fester IP-Adresse vor Ort erforderlich. Bei Anlagen ohne Festnetzanschluss sind alternativ auch Zugänge über GPRS- oder UMTS-Mobilfunk-Router möglich, was besonders für Freifeldanlagen geeignet ist, die etwa weitab von Wohninfrastruktur neben Autobahnen installiert sind.

Auch hier kommen Powermeter zum Einsatz, die Leistungsreduktion selbst kann durch Trennung einzelner Wechselrichter vom Netz erfolgen, entweder mit Hilfe vorhandener Steuereingänge oder durch einen zusätzlichen elektromagnetischen Trennschalter. Bei großen Anlagen sind üblicherweise viele kleinere Wechselrichter installiert, so dass hier eine feine Abstufung der Leistungsreduktion möglich ist. Bei Neubauanlagen kommunizieren in der Regel die Wechselrichter über eine serielle Datenschnittstelle direkt mit dem Einspeisemanager. Er übergibt nach Maßgabe des Netzbetreibers die Sollleistung relativ in Prozent der Maximalleistung .

Datalogging und Eigenverbrauch

Je nach Ausführung und Hersteller können Einspeisemanager darüber hinaus als Datalogger genutzt werden. So kann der Anlagenbetreiber feststellen, in welchem Zeitraum und Umfang seine Anlage leistungsreduziert wurde. Teure Zusatzgeräte zum Datalogging entfallen. Ein Web-Interface, über das die gesamte Anlage über das Internet „fernvisualisiert“ werden kann, sollte im Einspeisemanager ebenfalls vorhanden sein. Die geloggten Daten können im CSV-Fileformat auf SD-Karten gespeichert und über das Internet per FTP-Zugriff vom Anlagenbetreiber ausgelesen und wie bei den Powermetern über Tabellenkalkulationsprogramme analysiert werden.

Zudem kann der teilweise Eigenverbrauch der erzeugten Leistung vor dem Netzeinspeisepunkt die Einspeiseleistung reduzieren und damit einer Zwangsleistungsreduktion durch den Netzbetreiber entgegenwirken. Mit den Einspeisemanagern sollte in diesen Fällen ein eigenes Lastmanagement möglich sein, indem die erzeugte Leistung durch intelligentes Zuschalten von elektrischen Verbrauchern, wie Warmwasserspeichern oder ähnlichen, selbst genutzt wird.

Einspeisemanager mit Plug-and-Play-Funktion

Einspeisemanager, die auf Grundlage von speicherprogrammierbaren Steuerungen nach IEC 61131 aufgebaut sind, können von jedem erfahrenen SPS-Programmierer in Betrieb genommen werden. So sind etwa bei Einspeisemanagern von Panasonic alle systemrelevanten Funktionen wie zum Beispiel IEC-60870-Kommunikation in fertigen Plug-and-Play-Funktionsbausteinen integriert.

Durch die Novellierung des EEG werden bestehende und neu zu errichtende PV- und Windkraftanlagen in das Einspeisemanagement der Netzbetreiber miteinbezogen. Dies ist ein weiterer Schritt in der Modernisierung unserer Energienetze zu einem intelligenten Netz, dem sogenannten Smart Grid. Fernwirkgeräte mit integriertem IEC-60870-Kommunikator und Energiezählern werden zu leistungsfähigen Einspeisemanagern. Damit können bestehende und neu zu errichtende Anlagen einfach und kostengünstig den Anforderungen des neuen EEG angepasst werden.

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