Steigerung der Energieeffizienz: Die Rolle von Energiespeichersystemen bei der Photovoltaik-Integration

Während die Welt immer mehr auf nachhaltigere und erneuerbare Energiequellen setzt, hat sich die Solarenergie zu einem zentralen Akteur auf dem Energiemarkt entwickelt. Photovoltaik-Solaranlagen (PV) erfreuen sich bei Eigenheimbesitzern, Unternehmen und Energieversorgern zunehmender Beliebtheit, da sie saubere Energie erzeugen und gleichzeitig die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern und die Stromrechnung senken. Eines der Probleme bei der Solarenergie besteht darin, dass sie nur unregelmäßig verfügbar ist. Da die Sonne nicht immer scheint, kann die Energieproduktion schwanken. Der Bedarf an Solarwechselrichtern mit hohem Wirkungsgrad, verbesserter Leistungsdichte und höherer Belastbarkeit steigt weiter. Hier kommt die Integration von Energiespeichersystemen (ESS) mit Solarwechselrichtern als bahnbrechende und leistungsstarke Lösung in Spiel, die für konstante und zuverlässige Energieversorgung sorgt. Da sich die Technologie ständig weiterentwickelt und die Kosten sinken, wird die Nutzung von Solar- und Speichersystemen voraussichtlich zunehmen und den Weg für eine nachhaltigere und stabilere Energieversorgung in der Zukunft ebnen. In diesem Artikel werden die Vorteile, Typen und Topologieüberlegungen zur Integration von Energiespeichern in PV-Systeme in Wohn- und Gewerbeanlagen untersucht.

Grundlagen von Solarwechselrichtern und Energiespeichern

Solarwechselrichter sind das Herzstück einer Photovoltaikanlage. Sie wandeln den von Sonnenkollektoren erzeugten Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) um, der dann in das Stromnetz eingespeist werden kann. Neben der Umwandlung verwalten Solarwechselrichter den Energiefluss, optimieren die Systemleistung und bieten Sicherheitsmechanismen zum Schutz der gesamten PV-Anlage.

Energiespeichersysteme (ESS) sind Technologien, die Energie für die spätere Verwendung speichern, um Angebot und Nachfrage auszugleichen und die Netzzuverlässigkeit zu verbessern. Diese Systeme können Energie in verschiedenen Formen speichern, z. B. elektrisch, chemisch, mechanisch und thermisch. Es gibt mehrere Arten von ESS. Im Folgenden sind die gängigsten Methoden aufgeführt:

• Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) wie „Lithium-Ionen-Batterien“ werden aufgrund ihrer hohen Energiedichte, Effizienz und sinkenden Kosten häufig eingesetzt. Häufig in der Netzspeicherung und bei Elektrofahrzeugen.
• Mechanische Speichersysteme wie Pumpspeicherkraftwerke repräsentieren die verbreitetste Technologie für große Energiespeicher. Dabei handelt es sich um die Bewegung von Wasser zwischen zwei Reservoirs auf unterschiedlichen Höhen. Dieser Typ bietet die Energiespeicherung mit der höchsten Kapazität.
• Thermische Speichersysteme auf Basis geschmolzener Salze werden in solarthermischen Kraftwerken eingesetzt, um Wärme zu speichern und bei Bedarf Strom zu erzeugen. Sie werden in kommerziellen Anwendungen zur kurzfristigen Energiespeicherung eingesetzt.

In Fotovoltaiksystemen kommen häufig BESS (Batterie-Energiespeichersysteme) mit Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz, um überschüssige Energie der Sonnenkollektoren zu speichern. Diese gespeicherte Energie kann in Zeiten geringer Solarstromerzeugung (nachts und an bewölkten Tagen) oder während der Spitzenbedarfszeiten genutzt werden und gewährleistet so eine stabile und zuverlässige Stromversorgung.

Die Vorteile der Integration von Energiespeichern in Solarwechselrichter

Die Integration von ESS mit Solarwechselrichtern sorgt für Energieunabhängigkeit und Zuverlässigkeit. Benutzer können ihre Abhängigkeit vom Stromnetz verringern und auch bei Netzausfällen oder für Zeiten geringer Solarstromerzeugung eine konstante Stromversorgung sicherstellen, indem sie überschüssige Solarenergie speichern. Dadurch kann die gespeicherte Solarenergie in Zeiten höchster Nachfrage oder bei höheren Strompreisen genutzt werden. Dies führt zu einer Senkung der Betriebskosten und einer Minimierung der Belastung der elektrischen Infrastruktur. Darüber hinaus können Energiespeichersysteme zur Stabilisierung der Netzfrequenz beitragen und die Leistung des Netzes insgesamt verbessern.

Segmentierung von Energiespeichersystemen

Energiespeichersysteme haben vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Die ESS-Segmentierung ist in Front-of-the-Meter (FTM) und Behind-the-Meter (BTM) unterteilt. FTM-ESS sind normalerweise mit Hochleistungsanlagen mit einer Leistung von über 5 MW verbunden. Hier kommt ein großes stationäres ESS zum Einsatz, beginnend in der Erzeugungsphase in Kombination mit großen Fotovoltaikanlagen oder Windkraftanlagen, über die Übertragungsphase bis hin zur Verteilungsphase. Auf der rechten Seite befindet sich das BTM ESS. In diesem Segment werden Energiespeichersysteme mit privaten und gewerblichen Photovoltaik-Systemen im Leistungsbereich von wenigen Kilowatt bis 5 Megawatt kombiniert.

Arten von Solarwechselrichtern

Die Stringwechselrichter funktionieren bei Anordnung der Sonnenkollektoren in Strings. Der kombinierte Gleichstrom der Sonnenkollektoren wird an einen einzelnen Wechselrichter gesendet, der ihn in Wechselstrom umwandelt. Sie werden häufig in Wohn-, Gewerbe- und Versorgungsanlagen eingesetzt. Stringwechselrichter erzeugen ein- oder dreiphasigen Wechselstrom mit hohen Leistungen bis 200 kW. Die Panelspannungen liegen bei etwa 600 V, gefolgt von einem DC-DC-Aufwärtswandler, um die Zwischenkreisspannung für einen einphasigen Wechselrichter bereitzustellen. Bei dreiphasigen Wechselrichtern wird eine Kollektorspannung von 1000 bis 1500 VDC mit einem Aufwärtswandler verwendet. String-Wechselrichter sind kostengünstig und relativ einfach zu installieren und zu warten. Das Problem kann auftreten, wenn ein Kollektor im String beschattet ist oder unzureichende Leistung erbringt. Dies kann die Leistung des gesamten Systems beeinträchtigen.

Umgekehrt koppeln Mikrowechselrichter jedes Panel mit seinem individuellen Mikrowechselrichter und wandeln Gleichstrom auf Panelebene in Wechselstrom um. Diese Systeme sind parallel und nicht wie String-Wechselrichter in Reihe geschaltet. Wenn also ein Panel im Schatten liegt oder nicht die gewünschte Leistung erbringt, wirkt sich dies nicht auf die Leistung der anderen Panels aus. Die typische Leistung von Mikro-Wechselrichtern liegt zwischen 200 W und 1,5 kW bei einer PV-Array-Spannung von 40 bis 80 V. Dieser Wechselrichtertyp ist ideal für Wohnanlagen, bei denen die Paneele in unterschiedliche Richtungen zeigen können. Die Vorteile von Mikro-Wechselrichtern bestehen darin, dass sie die Leistung jedes Panels unabhängig maximieren. Die Auswirkungen von Beschattung oder Kollektor-Fehljustierungen können also minimiert werden. Darüber hinaus ermöglichen Mikro-Wechselrichter eine detaillierte Überwachung jedes Panels zur besseren Wartung und Leistungsverfolgung. Der Hauptnachteil sind die höheren Anschaffungskosten im Vergleich zu String-Wechselrichtern.

Durch die Integration von Energiespeichersystemen mit Photovoltaik-Solarmodulen entsteht ein Hybrid-Wechselrichter. Dieser Wechselrichtertyp funktioniert in beide Richtungen: Der erzeugte Solar-Gleichstrom wird entweder direkt in Wechselstrom umgewandelt oder vor der Umwandlung in Wechselstrom gespeichert. Hybrid-Wechselrichter optimieren die Energienutzung und -speicherung, indem sie den Stromfluss zwischen Sonnenkollektoren, Batterien und Stromnetz steuern. Sie können so konfiguriert werden, dass sie je nach Benutzerpräferenzen und Stromtarifen dem Laden der Batterie, der Netzinteraktion oder dem Eigenverbrauch Priorität einräumen.

Energiespeicher-Kopplungssysteme

Es gibt zwei verschiedene Ansätze zur Integration von Batteriespeichern in Photovoltaiksysteme. Das AC-gekoppelte ESS und das DC-gekoppelte ESS. Jede dieser Varianten weist je nach Anwendung, Systemkonfiguration und Benutzeranforderungen ihre eigenen Vor- und Nachteile auf. Der Hauptunterschied zwischen AC-gekoppelten und DC-gekoppelten Systemen liegt in dem Weg, den der Strom zurücklegt, nachdem er von den Sonnenkollektoren erzeugt wurde.

In einem AC-gekoppelten System sind die Photovoltaikanlage und das Batteriespeichersystem über ihre jeweiligen Wechselrichter an das Wechselstromnetz angeschlossen. Die Sonnenkollektoren erzeugen Gleichstrom, der von einem Solarwechselrichter in Wechselstrom umgewandelt wird. Auf dem anderen Weg ist das Batteriespeichersystem typischerweise mit eigenen bidirektionalen DC-DC- und Wechselrichterstufen zum Laden und Entladen ins Wechselstromnetz ausgestattet.

Im Gegensatz dazu nutzen die Sonnenkollektoren und der Batteriespeicher im DC-gekoppelten System einen gemeinsamen DC-Zwischenkreis und verwenden in erster Linie einen einzelnen Wechselrichter, um den Gleichstrom für die Netzeinspeisung oder den Verbrauch im Haushalt in Wechselstrom umzuwandeln. Mithilfe von Solarmodulen können die Batterien direkt aufgeladen werden. Der gespeicherte Gleichstrom wird dann bei Bedarf über einen Hybrid-Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt.

Stromversorgungstopologien für Solar-Stringwechselrichter und ESS

Für die DC/DC-Wandler- und DC/AC-Wechselrichterstufen können verschiedene Leistungstopologien genutzt werden. Verschiedene Topologien bieten spezifische Vorteile und werden auf Grundlage von Leistungsanforderungen, Effizienz, Kosten und Komplexität ausgewählt. Hier einige der gängigsten Leistungstopologien:

In der ersten Wandlerstufe wird die Stringspannung mittels MPPT (Maximum Power Point Tracking) auf ein für den Wechselrichter geeignetes Niveau gewandelt. Normalerweise 400 V für einphasig und 800 V für dreiphasig. Die DC-DC-Stufe des MPPT-Leistungsoptimierers ist darauf ausgelegt, die Energieabgabe einer Photovoltaikanlage zu maximieren, indem die Leistung jedes einzelnen Solarmoduls in der Anlage individuell optimiert wird. Es passt die Leistung des Panels an seinen optimalen Leistungspunkt an, bevor die Energie an die Wechselrichterstufe gesendet wird. Diese Optimierung ist von entscheidender Bedeutung, weil die Leistungsabgabe eines Solarkollektors aufgrund der Variationen von Sonneneinstrahlung, Beschattung, Temperatur und Kollektor-Fehljustierungen schwanken kann.

Der aktuelle Trend geht in Richtung einer Erhöhung der Zwischenkreisspannung auf 1000 V oder 1500 V, um die Leistungsverluste im System zu verringern und die Reihenschaltung weiterer Paneele zu ermöglichen. Durch die Erhöhung der maximalen Gleichspannung eines Solarwechselrichters auf 1500 V oder mehr werden die PV-Kraftwerke kostengünstiger. Die typischen Topologien für diese Stufe sind Interleaved-Boost-Konverter, Phase-Shift-Full-Bridge (PSFB) und LLC-Konverter.

Die zweite Wandlerstufe ist DC-DC bidirektional. Diese Stufe dient zum Speichern von Energie in der Batterie und zum Entladen oder Freisetzen dieser Energie bei Bedarf. Typische isolierte Topologien sind CLLLC und DAB.

Die Wechselrichter-Leistungsstufe übernimmt die Funktion, die Zwischenkreisspannung in Wechselspannung für das Netz umzuwandeln. Zu den gängigen Topologien gehören zweistufige B6- und H-Brücken sowie dreistufige ANPC und HERIC. Multilevel-Wechselrichtertopologien sind bei Anwendungen mittlerer und hoher Leistung beliebt geworden. Die Vorteile der Verwendung von dreistufigen Wechselrichtertopologien sind:

1. Reduzierung der Verlustleistung, was zu einem kleineren Kühlkörper führt.
2. Minimierung der Stromwelligkeit, sodass die Filterung aufgrund des geringeren Oberwellenanteils einfacher ist.
3. Deutlich geringere leitungsgebundene elektromagnetische Störungen.

Sehen wir uns die gängigsten Topologien für die DC/DC-Stufe genauer an. Die Auswahl der Leistungsschalter auf der Sekundärseite hängt von der Batteriespannung ab. Beispielsweise kommen in Energiespeichersystemen für Privathaushalte häufig 48-V-Akkupacks zum Einsatz, während im gewerblichen Bereich eher 400-V-Akkus zum Einsatz kommen.

Der ZVS Phasenschieber-Vollbrücken-DC/DC-Wandler
Die Nullspannungsschalt-(ZVS)-Phasenverschiebungs-Vollbrückentopologie wird in einem 400-V-Gleichstromverbindungsaufbau mit 650-V-Siliziumkarbid-(SiC)-MOSFETs für die Schalter Q1 bis Q4 empfohlen, um eine hohe Effizienz und Leistungsdichte zu erreichen. Die Schalter werden mit einer Phasenverschiebungstechnik gesteuert, die es ermöglicht, die Schalter einzuschalten, wenn die Spannung an ihnen Null beträgt. Dadurch werden die Schaltverluste und elektromagnetischen Störungen (EMI) erheblich verringert und die Belastung der Halbleiterbauelemente reduziert. Darüber hinaus sind 650 SiC-Dioden für D1 und D2 auf der Primärseite die richtige Wahl. Bei einem 800-V-Gleichstromverbindungsaufbau müssen 1200-V-SiC-MOSFETs und SiC-Dioden ausgewählt werden. Auf der Sekundärseite ist für die Schalter Q5 bis Q8 die Auswahl der Leistungsschalter von der Batteriespannung abhängig.

Der CLLC-DC-DC-Wandler
Eine der häufigsten bidirektionalen DC-DC-Topologien ist der CLLC-Wandler. Es verwendet zwei Induktoren (L) und zwei Kondensatoren (C) in einem Resonanzkreis. Die Anordnung sieht typischerweise wie ein auf der Primär- und Sekundärseite gespiegelter „LLC“-Resonanztank aus. Für die Schalter Q1 bis Q4 werden SiC-MOSFETs verwendet, während für Q5 bis Q8 Silizium-(Si)-MOSFETs ausgewählt werden. Mit dem CLLC-Design wird Nullspannungsschaltung (ZVS) für die Primärseitenschalter implementiert. Das reduziert Schaltverluste und steigert die Effizienz. Durch Minimieren der Schaltverluste beim Ausschalten mittels Nullstromschaltung (ZCS) auf Sekundärseite kann die Effizienz weiter erhöht werden. CLLC-Konverter erfordern eine präzise Steuerung, um die Resonanzfrequenz und Schaltsequenzen effektiv zu verwalten.

Der DAB-DC-DC-Wandler
Der DAB-Wandler besteht aus zwei aktiven Vollbrückenschaltungen auf der Primär- und Sekundärseite, die durch einen Hochfrequenztransformator verbunden sind. Wie die CLLC-Topologie bestehen beide Brücken aus aktiven Schaltern, die einen bidirektionalen Stromfluss ermöglichen. Typischerweise werden SiC-MOSFETs für die Schalter Q1 bis Q4 und Si-MOSFETs für Q5 bis Q8 verwendet. Um die Phasenverschiebung zwischen den Brücken präzise zu steuern, sind für DAB-Konverter ausgefeilte Steueralgorithmen erforderlich.

Der ANPC-DC-AC-Wechselrichter
Die weitere Befassung mit der Wechselrichterstufe zeigt, dass die ANPC(Active Neutral Point Clamped)-Topologie eine fortschrittliche Wechselrichterkonfiguration darstellt. Es baut auf der herkömmlichen Neutral Point Clamped (NPC)-Topologie auf und fügt aktive Schalter hinzu, die dazu beitragen, sowohl Leitungs- als auch Schaltverluste zu reduzieren. Der ANPC-Wechselrichter kann mehrere Spannungspegel erzeugen und so den Spannungsstress der einzelnen Komponenten minimieren. Entsprechend wird eine gleichmäßigere AC-Abgabe mit geringerem Gesamtklirrfaktor erreicht. Die Schalter Q1 bis Q4 arbeiten mit der Netzfrequenz, während Q5 und Q6 mit 50 kHz oder sogar höher modulieren. In ANPC-Lösungen können alle Leistungsschalter für eine Durchbruchspannung von 600 oder 650 Volt ausgelegt sein. Durch die Verwendung von SiC-MOSFETs für die Schalter Q5 und Q6 kann eine Steigerung der Effizienz und Leistungsdichte realisiert werden. Für den ANPC-Wechselrichter sind erweiterte Steuerungsalgorithmen erforderlich. Diese Topologie ist im Vergleich zu Topologien wie der H-Brücke komplexer zu entwerfen und zu steuern.

Der DC-AC-Wechselrichter (H4-Brücke)
Die H-Brückentopologie ist aufgrund ihrer Einfachheit, Effizienz und Vielseitigkeit mit den vier Schaltelementen beliebt. Für die schnellen Schalter Q3 und Q4 werden üblicherweise 650-V-SiC-MOSFET oder GaN-HEMT (Galliumnitrid-Transistoren mit hoher Elektronenmobilität) verwendet, während für Q1 und Q2 Si-MOSFET mit schneller Body-Diode die richtige Wahl sind. Der Hauptnachteil dieses Zwei-Pegel-Betriebs besteht darin, dass ein relativ großer Ausgangsfilter erforderlich ist, da er während des Freilaufs Energie zum Gleichstromkondensator zurückgewinnt.

Der HERIC-DC-AC-Wechselrichter
Die HERIC(Highly Efficient and Reliable Inverter Concept)-Topologie zeichnet sich insbesondere durch hohe Effizienz und überlegene Leistung bei der Wandlung von Gleichstrom in Wechselstrom aus. In dieser Konfiguration werden dem herkömmlichen H-Brücken-Wechselrichter zwei antiparallele Schalter Q5 und Q6 hinzugefügt, um die AC-Seite im Nullstadium von den PV-Modulen zu entkoppeln. Sechs Schalter bilden diese Topologie. Die vier Schalter auf der H-Brücke (Q1 bis Q4) schalten mit hoher Frequenz, die beiden externen Schalter mit Netzfrequenz. Die Schalter Q5 und Q6 leiten den Freilaufstrom während der Zeit, in der die Ausgangsspannung des H-Brücken-Wechselrichters Null beträgt, auf dem kürzesten Weg weiter. Der Hauptvorteil des HERIC-Wechselrichters besteht darin, dass in allen Betriebsarten nur zwei Schalter gleichzeitig betätigt werden.

Wide-Bandgap-Geräte (WBG) bieten klare Vorteile für bidirektionale DC-DC-Wandler- und DC-AC-Wechselrichtertopologien. SiC- und GaN-Geräte weisen sehr geringe Sperrübergangsladungen (Qrr) auf und kommen oft ohne Body-Diode zur Eliminierung der harten Kommutierung bzw. der Sperrübergangsverluste aus.

Überlegungen zu Installation und Wartung

Für eine optimale Leistung ist die richtige Dimensionierung sowohl der Photovoltaikanlage als auch des Energiespeichersystems von entscheidender Bedeutung. Hierzu werden der Energiebedarf, die Leistung der Solarmodule und die benötigte Batteriekapazität berechnet. Eine Über- oder Unterdimensionierung kann zu Ineffizienzen und höheren Kosten führen. Entscheidend ist die Kompatibilität von Solarwechselrichter und Batteriespeichersystem. Einige Hersteller bieten integrierte Lösungen an, die die Installation und den Betrieb vereinfachen. Die Kompatibilität erstreckt sich auch auf Software- und Überwachungssysteme, die den gesamten Energiefluss und die Leistung verwalten.

Fazit

Die Integration von Energiespeichern in Photovoltaiksysteme stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Art und Weise dar, wie wir Sonnenenergie nutzen. Durch die Bereitstellung einer zuverlässigen und konstanten Stromversorgung wird die Abhängigkeit vom Stromnetz verringert und die Nutzung der Solarenergie optimiert. Diese Systeme bieten zahlreiche wirtschaftliche und ökologische Vorteile. SiC- und GaN-Leistungsgeräte ermöglichen einen bidirektionalen Fluss für synchrone Gleichrichtertopologien und erreichen gleichzeitig eine hohe Effizienz und Leistungsdichte. Arrow Electronics bemüht sich seit jeher um Energieeffizienz. Wir möchten zu dieser Diskussion beitragen, indem wir die deutlichen Vorteile der Entscheidung für 650-V-, 1200-V- und 2200-V-SiC-Bauteile mit Referenzplatinen aufzeigen, die den Designaufwand verringern und die Markteinführungszeit verkürzen.