Photovoltaische Energiespeichersysteme, kurz PV-Speichersysteme, umfassen Anwendungen mit Photovoltaikmodulen und zugehöriger Ausrüstung wie Energiespeicherbatterien. Je nach Bedarf an Netzanschluss für den Energieverkauf lassen sich PV-Speichersysteme in netzunabhängige PV-Systeme und hybride PV-Systeme (netzgekoppelt/netzunabhängig) unterteilen. Im Folgenden konzentrieren wir uns auf einige Designüberlegungen für netzunabhängige PV-Systeme.
**Komponenten von netzunabhängigen PV-Systemen:**
Inselanlagen in Photovoltaiksystemen bestehen typischerweise aus Photovoltaikmodulen, Inselwechselrichtern (einschließlich Ladegeräten/Wechselrichtern), Energiespeicherbatterien (Blei-Säure-, Gel-, Blei-Kohlenstoff-, Lithium-Ionen-, Lithium-Eisenphosphat-Batterien usw.), PV-Montagesystemen, Kabeln und Verteilerkästen. Jede Komponente spielt eine entscheidende Rolle für die Funktionsfähigkeit des Inselsystems.
Der Hauptunterschied zwischen netzunabhängigen und netzgekoppelten Systemen liegt in ihren Betriebszielen. Während bei netzgekoppelten Systemen die Kapitalrendite im Vordergrund steht, priorisieren netzunabhängige Systeme die Deckung des grundlegenden Strombedarfs. Folglich konzentriert sich die Komponentenauswahl auf unterschiedliche Aspekte.
**Komponentenüberlegungen:**
**Photovoltaikmodule:**
Anfänglich wurden Photovoltaikmodule hauptsächlich in netzunabhängigen Systemen und kleinen PV-Anlagen eingesetzt. Mit der zunehmenden Verbreitung netzgekoppelter PV-Anwendungen und den jährlichen Fortschritten in der Modultechnologie hat sich der Wirkungsgrad von Photovoltaikmodulen jedoch deutlich verbessert. Insbesondere einige große netzgekoppelte Kraftwerke benötigen effizientere Module, um die Rentabilität zu maximieren. Netzunabhängige Systeme hingegen verfügen typischerweise über größere verfügbare Flächen und weniger strenge Effizienzanforderungen, sodass konventionelle Module bei der Systemplanung im Vordergrund stehen.
**Inselunabhängige Wechselrichter:**
1. **Berücksichtigung von Wechselstromlasten:**Lasten lassen sich im Allgemeinen in drei Kategorien einteilen: ohmsche Lasten (z. B. Beleuchtung, Heizungen), induktive Lasten (z. B. Klimaanlagen, Motoren) und kapazitive Lasten (z. B. Computer-Netzteile). Der Anlaufstrom induktiver Lasten ist typischerweise drei- bis fünfmal so hoch wie der Nennstrom. Inselwechselrichter mit einer kurzzeitigen Überlastfähigkeit von 150–200 % reichen für induktive Lasten möglicherweise nicht aus. Daher muss die Wechselrichterkapazität besonders berücksichtigt werden (Inselwechselrichter für induktive Lasten sollten eine Systemauslegungskapazität aufweisen, die mindestens dem Doppelten der induktiven Last entspricht). Beispielsweise werden in Projekten, in denen Inselwechselrichter 2P-Klimaanlagen (2 × 750 W) betreiben, Wechselrichter mit einer Nennleistung von mindestens 3 kVA für den Normalbetrieb empfohlen.
2. **Berücksichtigung der Gleichstromseite:**Inselwechselrichter sind typischerweise mit Photovoltaik-Ladereglern ausgestattet, die in zwei Ausführungen erhältlich sind: MPPT und PWM. Dank technologischer Fortschritte werden PWM-Laderegler zunehmend durch MPPT-Laderegler ersetzt.
3. **Sonstige Überlegungen:**Neben den beiden oben genannten Auswahlmethoden stehen zahlreiche Berechnungsformeln zur Verfügung. Das allgemeine Vorgehen ist jedoch wie folgt: 1) Die Nennleistung des netzunabhängigen Wechselrichters wird anhand der Größe und Art der Lasten ermittelt. 2) Der kWh-Wert des Energiespeichers wird anhand der von den Lasten benötigten Entladedauer bestimmt. 3) Die Ladeleistung wird anhand der lokalen Sonneneinstrahlung und der Ladezeitanforderungen (z. B. vollständige Ladung innerhalb eines durchschnittlichen Tages) ermittelt.
**Energiespeicherbatterien:**
1. **Blei-Säure-/Gel-Batterien:**Energiespeichersysteme setzen typischerweise auf wartungsfreie, verschlossene Blei-Säure-Batterien, um den Wartungsaufwand nach der Installation zu reduzieren. Dank 150-jähriger Entwicklung bieten Blei-Säure-Batterien erhebliche Vorteile hinsichtlich Stabilität, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit. Sie sind nicht nur der am weitesten verbreitete Batterietyp in Energiespeicheranwendungen, sondern auch die bevorzugte Wahl für netzunabhängige Photovoltaikanlagen.
2. **Blei-Kohle-Batterien:**Die Blei-Kohlenstoff-Technologie, eine Weiterentwicklung der herkömmlichen Blei-Säure-Batterien, beinhaltet die Zugabe von Aktivkohle zur negativen Elektrode von Blei-Säure-Batterien, wodurch deren Lebensdauer deutlich verlängert wird. Da es sich jedoch um eine neuere Technologie im Vergleich zu Blei-Säure-Batterien handelt, sind Blei-Kohlenstoff-Batterien etwas teurer.
3. **Lithium-Ionen-/Lithium-Eisenphosphat-Batterien:**Im Vergleich zu den zuvor genannten Batterietypen bieten Lithium-Ionen-Batterien eine höhere Energiedichte, mehr Lade-Entlade-Zyklen und eine bessere Entladetiefe. Aufgrund des Bedarfs an zusätzlicher Batteriemanagementtechnologie (BMS) sind die Systemkosten von Lithium-Ionen-/Lithium-Eisenphosphat-Batterien jedoch in der Regel zwei- bis dreimal so hoch wie die von Blei-Säure-Batterien. Darüber hinaus ist ihre thermische Stabilität etwas geringer als die von Blei-Säure-/Blei-Kohlenstoff-Batterien. Folglich ist ihr Einsatz in netzunabhängigen Photovoltaikanlagen relativ gering. Dank technologischer Fortschritte steigt der Marktanteil von Lithium-Ionen-/Lithium-Eisenphosphat-Batterien jedoch stetig an, was auf einen neuen Anwendungstrend hindeutet.
**Abschluss:**
Zusammenfassend haben wir eine kurze Einführung in die grundlegenden Anwendungen von Photovoltaik-Energiespeichersystemen, insbesondere netzunabhängigen PV-Systemen, gegeben und einige Empfehlungen zur Auswahl der Basisausrüstung unterbreitet. Diese Informationen dienen Fachleuten der Photovoltaikbranche als Nachschlagewerk.
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Veröffentlichungsdatum: 30. Januar 2024
