Solarstrom ist auf dem besten Wege, sich zu einer tragenden Säule der künftigen Energieversorgung zu entwickeln. Denn die von der Bundesregierung im Juni 2011 beschlossene Energiewende kommt voran: Immer mehr dezentrale Stromerzeugungsanlagen auf der Basis erneuerbarer Energien gehen ans Netz: Windkraft-, Photovoltaik- (PV) und kleine Wasserkraftanlagen ebenso wie Biomasse- und Blockheizkraftwerke. Speziell die Photovoltaik hat enorm aufgeholt.
Energiewende mit Folgen für das Netz
2012 wird die Photovoltaik voraussichtlich mit 4Prozent am deutschen Strom-Mix beteiligt sein. Nach Angaben des Bundesverbands Solarwirtschaft brachte der rasante Zubau in Deutschland schon bis Ende 2011 PV-Anlagen mit insgesamt 24 GW Nennleistung hervor, die zu 80 Prozent in das Niederspannungs- und zu 20 Prozent in das Mittelspannungsnetz einspeisen.
Diese hohe Einspeiseleistung erfordert allerdings neue Lösungen an der Schnittstelle von elektrischer Anlage und Verteilungsnetz, um die in Deutschland - und über das Verbundnetz in Europa - übliche Versorgungssicherheit zu gewährleisten. Dazu gehört auch eine stabile Netzfrequenz von 50 Hz, die aus einem Gleichgewicht von Energienachfrage und Energieangebot resultiert. Leichte Frequenzschwankungen sind üblich und werden von den Netzbetreibern beherrscht.
Problematisch sind allerdings starke Unterschreitungen unterhalb von 49,8 Hz und Überschreitungen über 50,2 Hz. Deshalb mussten gemäß der im Jahr 2006 verabschiedeten Norm VDE 0126-1-1 bei einem Überangebot an eingespeister Energie bei 50,2 Hz unter anderem PV-Anlagen unverzüglich abgeschaltet werden.
Damals hatten die verhältnismäßig wenigen Anlagen einen vernachlässigbaren Einfluss auf das elektrische Versorgungssystem. Heute könnte dagegen die gleichzeitige Abschaltung von annähernd vielen Gigawatt Erzeugungsleistung zu einem großräumigen Ausfall des Stromnetzes führen - zum sogenannten Black-out.
Zeitgemäße Regelstrategien
Diesem „Worst case“ beugt eine seit 1. August 2011 gültige VDE-Anwendungsregel vor: Die „VDE-AR-N 4105:2011-08 Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz, Technische Mindestanforderungen für Anschluss und Parallelbetrieb von Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz“ legt unter anderem eine frequenzabhängige Wirkleistungssteuerung fest, um die Systemstabilität bei Überfrequenz zu gewährleisten.
Geregelt sind ebenso die Wiederzuschaltverfahren. So ist im Frequenzbereich zwischen 50,2 Hz und 51,5 Hz gefordert, die momentan erzeugte Wirkleistung P Mbei Überschreitung des 50,2-Hz-Werts einzufrieren und mit einem Gradienten von 40 Prozent von P Mje Hz abzusenken. Daraus folgt, dass sich die Erzeugungseinheit innerhalb der oben genannten Frequenzspanne bei der Einspeisung von Wirkleistung permanent an der Frequenz-Kennlinie orientiert. Sobald die Netzfrequenz unter 50,2 Hz sinkt und die mögliche Erzeugungsleistung zu diesem Zeitpunkt größer als der „eingefrorene Wert“ ist, darf der Anstieg der an das Netz abgegebenen Wirkleistung einen Gradienten von 10Prozent der Maximalleistung der Erzeugungsanlage pro Minute nicht überschreiten.
Nachrüstung ein Muss
Bei Netzfrequenzen über 51,5 Hz muss sich die Erzeugungsanlage sofort vom Netz trennen (Schutz-Abschaltung). Die Zuschaltung ist erst erlaubt, wenn eine geeignete Einrichtung feststellt, dass sich sowohl die Netzspannung innerhalb des Toleranzbereichs von 85 Prozent bis 110 Prozent U nals auch die Netzfrequenz zwischen 47,5 Hz und 50,05 Hz für mindestens 60 Sekunden befinden.
Um diese Regelstrategien umsetzen zu können, müssen viele bestehende dezentrale Erzeugungsanlagen nachgerüstet werden (siehe Kasten).
Ergänzend zu den Regelstrategien enthält die VDE-AR-N 4105 zudem Anforderungen an eine Inselnetzerkennung, eine Abrechnungsmessung, den Nachweis der elektrischen Eigenschaften (Konformität) sowie Anforderungen an den Kuppelschalter oder an die Schutzeinrichtungen für den Kuppelschalter (Netz- und Anlagenschutz, NA-Schutz).
So müssen ein Ausfall der Hilfsspannung am zentralen NA-Schutz zum unverzögerten Auslösen des Kuppelschalters führen, die Schutzfunktionen auch bei einem Fehler der Anlagensteuerung erhalten bleiben und die Einfehlersicherheit gewährleistet sein, das heißt redundante Ausführung von NA-Schutz sowie Kuppelschalter. Der NA-Schutz ist dabei im Gerät intern redundant ausgeführt während die Redundanz der Kuppelschalter durch deren Reihenschaltung gewährleistet werden muss.
Ebenso sind die Schutzfunktionen des NA-Schutzes so auszulegen, dass die Abschaltzeit - als Summe der Eigenzeiten von NA-Schutz und Kuppelschalter zuzüglich einer einstellbaren Verzögerungszeit für das Schutzrelais - 200 ms nicht überschreitet. Der Netz- und Anlagenschutz muss dabei Funktionen wie Spannungsrückgangsschutz, Spannungssteigerungsschutz, Frequenzrückgangsschutz und Frequenzsteigerungsschutz sicherstellen.
Zweigleisige Strategie je nach Anlagengröße
Grundsätzlich differieren die Anforderungen in VDE-AR-N 4105 an kleine Erzeugeranlagen mit bis zu 30 kVA, die meist einphasig in das Niederspannungsnetz einspeisen, sowie an Anlagen mit mehr als 30 kVA Einspeiseleistung. Diese größeren Anlagen sind vorwiegend dreiphasig mit dem Niederspannungsnetz oder über Transformatoren mit dem Mittelspannungsnetz verbunden.
Bei kleinen Erzeugeranlagen kann der NA-Schutz, der im Fehlerfall den integrierten Kuppelschalter auslöst, in dem Wechselrichter integriert werden. Oft reicht dafür ein Software-Update. Dabei sind Einfehlersicherheit und allpolige, galvanische Abschaltung sicherzustellen. Überwacht werden Frequenz und Spannung, deren Werte ebenso wie Fehlermeldungen auf dem Display angezeigt werden.
Bei Anlagen über 30 kVA sind NA-Schutz und Kuppelschalter als separate Geräte an zentraler Stelle in unmittelbarer Nähe des Zählerplatzes anzuordnen. Beim Netz- und Anlagenschutz handelt es sich um ein typgeprüfte Schutzrelais mit Konformitätsnachweis. Dieses eigenständige Betriebsmittel, das Spannung und Frequenz überwacht und bei Frequenzüberschreitung den Kuppelschalter auslöst, ist in einem dafür geeigneten Stromkreisverteiler unterzubringen.
Der Kuppelschalter selbst besteht aus zwei in Reihe geschalteten Schalteinrichtungen - ist also redundant ausgeführt. Dafür kann - je nach Einspeiseleistung - eine Kombination von Schütz/Schütz, Leistungsschalter/Schütz, Leistungsschalter/Lasttrennschalter oder Leistungsschalter/Leistungsschalter ausgewählt werden.
Auch bei den größeren dezentralen Energieerzeugungsanlagen müssen NA-Schutz und Kuppelschalter einfehlersicher aufgebaut sein und eine allpolige, galvanische Abschaltung sicherstellen. Eine solche Auslegung bietet beste Voraussetzungen für hohe Versorgungssicherheit, auch bei einem weiterhin rasanten Zubau von Photovoltaikanlagen.
