Ich fange mal an.
Grundsätzlich gibt es bei der Insel 3 Bausteine, die technisch sehr vielfältig realisiert werden können.
- Der Generator, das sind PV Module mit einem MPP-Tracker und einem Wandler (DC/DC) für die Systemspannung
- Ein Speicher, das ist in der Regel ein LFP-Akku mit einem Lade- und Entladegerät
- Ein Wechselrichter, der je nach Last die Energie des Speichers den Verbrauchern zur Verfügung stellt.
Das ist die abstrakte Beschreibung der Insel und beschreibt eine Stromversorgung für wechselnden Ertrag und wechselnde Lasten.
Der 1. Teil besteht aus PV Modulen die sich durch Spannung und Strom definieren und immer zu dem nachgeschalteten MPPT passen müssen. Das MPPT kann dabei ein richtiger Laderegler sein, also ein Gerät, das Solarmodulstrom in Batteriestrom wandelt (repräsentativer Vertreter ein Victron SmartSolar MPPT 150/45) oder eine Komponente in einem Hybridwechselrichter. Die Systemspannung bei einem Batterie Laderegler ist die Batteriespannung, die Systemspannung eines Hybridwechselrichters ist eine interne Spannung, die in der Regel kaum bekannt ist. Die Systemspannung im Hybridwechselrichter ist relevant bei der Ermittlung von Wirkungsgraden. Die Funktion dabei ist, dass der MPPT auf eine Spannung regelt, die als Versorgung des Wechselrichters dient und auch als Stromquelle für das Ladegerät der Batterie.
Beispiel für ein Hybridwechselrichter ist in meinem Fall ein Growatt WIT 15k, da ich diesen habe und ich in der ShineTool app die Systemspannung auslesen kann. Beim Growatt WIT liegt die bei + - 332V, also es gibt eine -332V, ein Neutral und eine +332V. Das ist sinnvoll, damit der Verstärker – der Wechselrichter, der die Netzspannung ausgibt – eine symmetrische Stromversorgung hat. Aber es erklärt auch, warum beim WIT die Nennspannung für den PV Eingang mit 600V angegeben wird, also grob das doppelte von der internen Arbeitsspannung. Nur für diese Größe gilt dann der im Datenblatt angegebene Wirkungsgrad. Da der Growatt WIT einen Batterieanschluss für 16S LFP hat (also Nennspannung 51,2V) erklärt sich, dass das Ladegerät von der internen Systemspannung von 664V (2x 332V) auf 51,2V umwandeln muss und das ist technisch mit Verlusten verbunden, die nicht im Datenblatt des Wechselrichters aufgeführt werden.
Und da sind wir schon beim 2. Teil – dem Speicher. Der Speicher kann also von einem MPPT-Ladegerät geladen werden, oder über ein im Hybridwechselrichter eingebautes Batterieladegerät. Auch hier muss man erklären, dass das nicht alle Möglichkeiten sind, sondern es gibt auch noch Ladegeräte wie ein Vicron Multiplus, also ein Gerät, das aus AC-Wechselstrom die Batterie laden kann, dazu später mehr. Bei den Ladegeräten gibt es immer die Einstellungen der minimalen und maximalen Spannungen der angeschlossenen Batterie, dazu gibt es aber auch die Ladung mit maximaler Spannung (die Equalize Charging, was für Speicher mit passivem Balancer relevant ist und für andere Batterietypen wie Bleiakkus) und die Erhaltungsladung (Float Charging) im Bereich der Spannung, die die Batterie im aufgeladenen Zustand hat. Es gibt auch den max. Strom mit dem die Akkus geladen werden, hierbei wird ebenfalls eine max. Spannung dazu angegeben (Bulk Charging Voltage). Üblich ist, dass man das BMS mit dem Ladegerät (MPPT, Hybridwechselrichter, etc.) verbindet und hofft, dass das BMS dem Ladegerät sagt, wie er den Speicher laden soll.
Im 3. Teil geht es um die Nutzbarmachung der gespeicherten Energie, dies erfolgt in der Regel mit einem Wechselrichter, der ebenfalls in einem Hybridwechselrichter enthalten ist. Ein Wechselrichter muss dabei viele Funktionen können, damit es für die Insel geeignet ist. Grundsätzlich kann man sich einen Wechselrichter wie ein Verstärker für einen leistungsstarken Subwoofer vorstellen, da die Aufgabe darin besteht, 230V mit konstanter Frequenz von 50Hz bei unterschiedlichsten Lasten bereit zu stellen. Eine elektrische Last ist dabei zu unterteile in ein Widerstand – wie ein Heizgerät – , eine induktive Last wie ein Motor, eine kapazitive Last wie ein Schaltnetzteil und eine gepulste Last wie ein Dimmer, aber auch ein geregeltes netzgebundenes Gerät wie eine Bohrmaschine. Daher gibt es immer die Angabe zu den Verzerrungen – dem THD (Total Harmonic Distortion) – sowie zum Lastwinkel, also dem Blindstrombereitstellungsvermögen des Wechselrichters. Weitere Informationen, wie ob über ein DSP das Ausgabesignal nachkorrigiert wird, oder ob es mit Oberwellen in irgendwelchen Frequenzbereichen belastet ist und wie das Lastansprechverhalten (Softstart) ist, wird in der Regel in keinen Dokumentationen der Hersteller veröffentlicht. Also ein Wechselrichter für die Insel ist nicht trivial und daher deutlich aufwändiger, als ein Wechselrichter der nur Netzparallel (wie beispielsweise ein Balkonwechselrichter) arbeiten muss.
Soweit der abstrakte Teil.
Nun zu meiner Praxis.
Ich habe seit einigen Jahren eine kleine Insel mit knapp 800Wp Modulleistung (Glas und flexible Module am Balkongeländer), 2 Parallel verschaltete 12 V LFP Akkus mit zusammen 300Ah. Diese Akkus werden über insgesamt 3 Laderegler geladen, 2x 20A MPPT Laderegler von EPever und 1x ein PWM Laderegler. Der Wechselrichter ist ein 3000W Gerät, mit einer Kurzzeitleistung von 6000W und einem Ruheverbrauch von 8W (diese Geräte gibt es nicht mehr, der Nachfolger hat einen höheren Ruheverbrauch von 30W). Die max. Leistung dieser Insel liegt bei 2000W, das ist die Grenze, die die zwei Akkus können. Diese Leistung tritt ab und zu auf, wenn Kühlschrank und Gefrierschrank gleichzeitig anlaufen. Die Anlage ist im Sommer ausreichend für die EDV (Homeoffice), Kühlschrank, Gefrierschrank und Stehlampen, sowie Hifi und ein paar andere Verbraucher. Im Dezember ist die im Winterschlaf, da braucht es wirklich Tage mit klarem Himmel, dass die Akkus geladen werden können. Der Nutzen liegt ziemlich kontinuierlich bei 500 kWh Strom im Jahr. Der ganz zweifellose Nachteil sind die 12V, das würde ich heute so nicht mehr machen.
Die zweite Insel ist gerade im Testbetrieb, also in einem fliegenden Aufbau mit wechselnder Bestückung, um Wirkungsgrade, Nachtverluste, optimale Stringlängen zu ermitteln. Dieser besteht im Moment aus zwei Strings mit 16 und 18 Modulen und PV Spannungen von 500V und 600V. Der Wechselrichter ist ein Growatt WIT 15k HU und der Speicher besteht aus vier LFP 16S Batterien im Rack Format von AOlithium (gibt’s nicht mehr). Der Speicher hat eine Nennspannung von 51,2V, 400Ah und eine max. C-Rate von 1. Damit lade ich regelmäßig mein BEV.
Was bei dem Hybridwechselrichter sehr auffällt, sind die Verluste durch das Laden und Entladen des Speichers. Kann ich bei Sonnenschein das Auto laden, entsteht deutlich weniger Abwärme und es ist auffallend, dass der Wechselrichter wohl ziemlich effizient die PV-Leistung in AC-Leistung umwandeln kann. Was positiv dabei ist, dass der Wechselrichter auch sehr kleine Lasten versorgen kann. Ich hatte im Teillastbereich noch keine Auffälligkeiten.
Nun noch zu einem weiteren Aufbau, der in einer Inselanlage eingebaut werden kann und der nicht unüblich ist. Das ist die Erweiterung der Insel mit einem normalen Netzparallelen Wechselrichter. Ich habe dazu einen Sungrow SG gekauft, also ein banaler 3ph String Wechselrichter. Für mich auffallend war, dass ich keinen Wirkungsgradunterschied feststellen konnte, ob der String am Growatt direkt angeschlossen war, oder aber der Sungrow die Solarleistung in Wechselstrom umgewandelt hat und über den GEN Port dem Growatt zum Laden des Speichers zur Verfügung gestellt hat. Das Laden über das Minigrid – also das AC Netz der Insel – ist somit eine interessante Lösung gerade bei großen Inselanlagen. Es gibt einige Inselanlagen – ich habe das noch nicht aufgebaut – die Victron Multiplus Geräte verwenden, um die Batterie auch über einen Stringwechselrichter nach zu laden. In diesem Fall bildet ein Victron Multiplus mit einem Stringwechselrichter zusammen die Funktionalität eines Hybridwechselrichters. Die Regelung solcher Geräte erfolgt immer so, dass der am Speicher angeschlossene Wechselrichter ein Lade- und Entladegerät sein muss, das Netz erzeugt und über die Netzfrequenz dem Stringwechselrichter mitteilt, ob dieser die Einspeisung drosseln muss, oder nicht. Der Sinn solcher Anlagen kann durchaus auch ein räumlicher Vorteil sein, da die Solarleitungen und der Stringwechselrichter nicht in den Raum mit dem Stromspeicher geführt/untergebracht werden müssen.
