* * * * * Willkommen bei RolandPudimat.de! * * * * *

Keine Werbung!
Keine Cookies!

Du bist der Besucher seit dem 22.09.2009.

Du bist hier: [Startseite] · [Projekte] · PV-Anlage

Zurück

ED 20240707; UP 20240829; AU Pudimat, R.
KT PV-Anlage; Zähler; Einspeisung; Balkonkraftwerk

Steckerfertige PV-Anlage: Einspeisung

Im internationalen Vergleich zahlen deutsche Verbraucher fast die höchsten Energie-Preise. Neben dem Grundpreis schlägt der Arbeitspreis zu Buche. Um den Preis für die verbrauchte Energiemenge (Kilowattstunde, kWh) zu senken, kommt ein Wechsel des Stromanbieters und/oder eine Selbsterzeugung in Frage. Viele Verbraucher schaffen sich eine steckerfertige PV-Anlage (Balkonkraftwerk, Mini-PV, …) an und hoffen, damit die Stromkosten senken zu können.

Hier soll versucht werden, herauszufinden, wie die Einspeisung funktioniert und ob es entscheidend ist, auf welcher Phase man einspeist, um keine Energie zu verschenken. Diese Problematik wird im Netz heiß diskutiert - ich habe bisher keine zufriedenstellende Antwort gefunden.

Anhand eines Arbeitsblattes gehe ich zunächst auf die einzelnen Komponenten ein (ca. 40kB):
[PV-Anlage.pdf]

a) Das Niederspannungsnetz
Einer im TN-C-S-System (Abk. von französisch terre neutre combiné séparé‚ separate kombinierte neutrale Erde) versorgten Abnahmestelle eines Hauses oder einer Wohnung wird über ein 4-adriges Erdkabel Elektroenergie aus einem Drehstromtrafo bereitgestellt. Der Ortsnetztransformator hat einen Kern mit 3 Schenkeln auf denen 3 Wicklungsstränge angeordnet sind. Auf der Unterspannungsseite des Trafos liegen jeweils die Hälften eines Stranges auf zwei verschiedenen Schenkeln mit phasenverschobenen magnetischen Teilflüssen, so dass die in ihnen induzierten Teilspannungen um jeweils 120° phasenverschoben sind (Zickzackschaltung). Die Wicklungsenden der 3 Stränge sind zu einem Sternpunkt Mp verbunden. An den Wicklungsanfängen liegen die 3 Hauptleiter L1, L2 und L3. Vom Sternpunkt Mp geht der Neutralleiter N aus.

Der Effektivwert der Phasenspannung jeweils zwischen einem Hauptleiter L1, L2, L3 und dem Neutralleiter N beträgt 230 V. Die Außenleiterspannung jeweils zwischen zwei Hauptleitern L1;L2, L1;L3 und L2;L3 beträgt 400 V. Beim Anschluss von Verbrauchern an das Drehstromnetz wird darauf geachtet, dass die einzelnen Phasen gleichmäßig belastet werden. Die Phasenströme fließen über den gemeinsamen Nulleiter zurück. Der Strom im Nulleiter ist gleich der Summe der Einzelphasenströme. Bei einer rein symmetrischen Belastung des Drehstromsystems hätten die Phasenströme gleiche Beträge und gleiche Phasenwinkel gegen die zugehörigen Spannungen- der Strom im Nulleiter wäre Null. Ein Energieversorger garantiert, dass der Effektivwert der Phasenspannungen (230 V), die Frequenz (50 Hz) und die Phasenwinkel (φ) in vorgegebenen Toleranzbereichen liegen.

b) Der Energiezähler
Um den Energiebezug und die Einspeisung zu messen, befindet sich an jeder Abnahmestelle ein Energiezähler („Stromzähler“).
Die elektrische Energie W ist das Produkt aus Leistung P und Zeit t:
W = P * t | P sei über t konstant
Die gesamte Wirkleistung P ist die vorzeichenbehaftete Summe der Leistungen der 3 Phasen L1, L2 und L3:
P = P_L1 + P_L2 + P_L3
Deshalb enthält der Energiezähler 3 Leistungsmesser.
Die Wirkleistung P_Lx einer Phase ist das Produkt der Effektivwerte aus Phasenspannung U, vorzeichenbehafteten Phasenstrom I_Lx und dem Cosinus der Phasenverschiebung φ zwischen Strom und Spannung:
P_L1 = U * I_L1 * cos φ
P_L2 = U * I_L2 * cos φ
P_L3 = U * I_L3 * cos φ
|cos φ| < 1 ist der Leistungsfaktor. Im Idealfall hätten elektrische Leitungen, Maschinen oder Geräte rein ohmsche Charakteristik und keine phasenverschiebende Kapazitäten oder Induktivitäten: cos φ = 1.
Wird in einer Phase mehr Energie eingespeist als entnommen, ist die Wirkleistung dieser Einzelphase P_Lx negativ. Jeder Leistungsmesser erfasst also die jeweilige Phasenspannung U und vorzeichenbehaftet den betreffenden Phasenstrom I_L1, I_L2 und I_L3.
Der Energiezähler bildet schließlich das Produkt aus der Summe der Wirkleistungen der Einzelphasen mit der Zeit t und bringt das Ergebnis als gesamte Wirkarbeit in kWh zur Anzeige.

Die guten alten analogen Induktionszähler enthalten Spannungsspulen und für jede Phase Stromspulen, die einen Alu-Scheibenanker in Rotation versetzen, der ein mechanisches Zählwerk betätigt. Wenn mehr Energie eingespeist als bezogen wird, dreht sich die Aluscheibe in die entgegengesetzte Richtung – das Zählwerk zählt runter. Insoweit eine für den Verbraucher faire Lösung- eingespeiste Energie mindert die Stromkosten in Höhe des Arbeitspreises.

Spätestens dann, wenn eine steckerfertige PV-Anlage in Betrieb genommen wird, wird der Induktionszähler durch eine sogenannte „moderne“ Messeinrichtung (mME) mit einem elektronischen Messwerk und einer digitalen Anzeige ersetzt. Der digitale 2-Richtungs-Zähler erfasst für jede Phase den Bezug und die Einspeisung. Die Energiemesswerte für jede Phase werden gespeichert, mit einem Mikrorechner verarbeitet und digital zur Anzeige gebracht.

Eine mME enthält je Phase einen Spannungsteiler für die Spannungsmessung und einen Messwiderstand (Shunt) in der Größenordnung zwischen 100 bis 200 Mikroohm für die Strommessung. Die analogen Messwerte werden mittels Analog-Digital-Wandlern digitalisiert. Die analogen Eingänge sind von den digitalen Ausgängen der A/D-Wandler z.B. mit einem Luftkerntransformator galvanisch getrennt. Die Ausgänge der A/D-Wandler sind mit einem digitalen Signalprozessor (DSP) verbunden. Der Signalprozessor berechnet u.a. die gesamte Wirkleistung P über alle 3 Phasen und bildet das Integral der gesamten Wirkleistung in einem Zeitraum von typisch 15 Minuten. Der mit dem Signalprozessor verbundene Mikrorechner (MC) bringt die berechneten Werte auf einem Display zur Anzeige. Siehe hierzu auch das Datenblatt zu dem Energiemess-Chipsatz ADE7978/ADE7933/ADE7932/ADE7932 von ANALOG DEVICES.
Eine mME hat einen Eigenverbrauch von ca. 3 W, der nicht mitgezählt und nicht abgerechnet werden darf.

c) Die steckerfertige PV-Anlage
Bei Lichteinfall entsteht an den Anschlüssen einer Photodiode eine Photospannung von ca. 0,5 V. Nach einer Reihen- bzw. Parallelschaltung einer Vielzahl von Photodioden hat ein typisches PV-Modul für ein Balkonkraftwerk aus 144 Solarzellen auf einer Fläche von 1,8 ×1,13 m2 folgende elektrische Kennwerte:
Leerlaufspannung, UOC: 48 V
Kurzschlusstrom, ISC: 8 A
Eine steckerfertige PV-Anlage (Balkonkraftwerk, Mini-PV, ...) besteht aus 1 bis 4 PV-Modulen, einem DC-Hochsetzsteller und einem Wechselrichter, die über einen Schutzkontaktstecker und eine Schutzkontaktsteckdose oder per Festanschluss an einen eigenen bereits vorhandenen Haus- oder Wohnungsstromkreis angeschlossen werden kann.

Mit dem DC-Hochsetzsteller wird das Gleichspannungsniveau von zwei in Reihe geschalteten PV-Modulen (48 V + 48 V) soweit angehoben, dass Energie mit dem Wechselrichter in eine Phase mit 230 V~ eingespeist werden kann.

Ein Blick auf die PV-Kurve eines PV-Moduls zeigt, dass die geerntete Sonnenenergie stark von der Bestrahlungsstärke E (max. 1000 W/m²) abhängig ist. Das hat zur Folge, dass sich der Innenwiderstand eines PV-Moduls mit der Bestrahlungsstärke E ändert. Der Wechselrichter umfasst eine elektronische Schaltung (MPP-Tracker), die automatisch den Wechselrichter-Widerstand an den aktuellen Innenwiderstand der PV-Module anpasst. So ist sichergestellt, dass stets die max. mögliche Leistung der PV-Module ausgenutzt wird. Die hochgesetzte Gleichspannung wird mit einer Brückenschaltung, bestehend aus Schalttransistoren (IGBT) und Freilaufdioden, in eine Wechselspannung gewandelt. Ein sinusförmiger Spannungsverlauf wird durch Ansteuerung der Transistoren in Pulsweitenmodulation (PWM) erreicht. Spannung, Frequenz und Phasenwinkel der eingespeisten Wechselspannung sind netzkonform.

Maximal darf eine Wechselrichter-Scheinleistung SAmax von 800 VA ins Stromnetz einspeist werden. SAmax ergibt sich aus der Quadratwurzel der Summe der Quadrate von Wirkleistung P und Blindleistung Q. Kapazitive oder induktive Blindleistung Q ist immer dann vorhanden, wenn Spannung und Strom eine Phasenverschiebung φ aufweisen. Der Netzbetreiber und die Hersteller von elektrischen Maschinen und Geräten sorgen dafür, dass der Anteil der Blindleistung verglichen mit der Wirkleistung gering ist (|cos φ| > 0,8).

Diskussion
Was passiert, wenn man die mit der steckerfertigen PV-Anlage erzeugte Elektroenergie nicht vollständig selbst verbraucht?

1. Kirchhoffsche Regel (Knotenpunktsatz):
(Kirchhoff, 1824-1887, deutscher Physiker)
In jedem Knotenpunkt eines Stromkreises ist die Summe der zufließenden gleich der Summe der abfließenden Ströme.

Bei einer Analyse beliebiger komplexer Stromkreise werden Ströme und Spannungen und deren Wirkungen bestimmt, indem ein komplexer Stromkreisabschnitt durch einfache Ersatzelemente gleicher Wirkung ersetzt wird. Ersatzelemente sind z.B. Spannungsquelle, Stromquelle, einfache Reihenschaltung (Grundstromkreis), einfache Parallelschaltung, aktiver Zweipol, passiver Zweipol.

Jede Phase an einer Abnahmestelle kann man als Spannungsquelle aus einer Reihenschaltung eines sehr geringen Innenwiderstand R_i1 und einer Quellenspannung U_q = 230 V betrachten. Der Innenwiderstand R_i1 ergibt sich aus dem geringen spezifischen Widerstand und dem großen Querschnitt der Wicklungsdrähte des Drehstromtrafos und der Leitungen des Erdkabels. Der geringe Innenwiderstand R_i1 bewirkt, dass bei Stromabnahme die Klemmenspannung U_K an einem Verbraucher R_Lx nur unwesentlich gemindert wird, d.h., die Klemmenspannung U_K = 230 V bricht kaum zusammen.
Eine PV-Anlage incl. PV-Module und Wechselrichter ist eine nichtlineare Spannungsquelle, bei der der Innenwiderstand vom Lichteinfall abhängt- die U-I-Kennlinie ist gekrümmt. Die eingespeiste Elektroenergie errechnet sich aus:
W_PV = U * I * t = 230 V * I * t = P_PV * t = f(I).

Der Netzbetreiber regelt die Netzspannung auf konstante 230 V. Ein Änderung der eingespeisten Energie wird durch eine Änderung des eingespeisten Stromes erreicht. Deshalb soll hier die PV-Anlage zweckmäßig als nichtlineare Stromquelle mit einem Kurzschlussstrom I_k und einem hohen parallel liegenden Innenwiderstand R_i2 angenommen werden.

Die Einspeisung mit der PV-Anlage möge an einer Abnahmestelle 1 über eine Schutzkontaktsteckdose an Phase L1 geschehen. Wenn die Sonne scheint, stehen z.B. 500 W Einspeiseleistung P_PV zur Verfügung. An Phase L1 hängen Verbraucher R_L1, wie z.B. ein Kühlschrank und ein Router, die zusammen eine Leistung von 100 W aufnehmen. Die PV-Anlage erzeugt also 500 W – 100 W = 400 W Überschussleistung P_N.

Bei Einspeisung liegen sowohl die Netzspannungsquelle als auch die PV-Stromquelle am Lastwiderstand R_L1. Die Stromquelle liefert Strom bzw. Leistung unabhängig von der aufgebauten Spannung. Der Einspeisepunkt A ist ein Knotenpunkt, auf den der Knotenpunktsatz anwendbar ist. Der von der Stromquelle dem Knotenpunkt A zufließende Strom ist gleich der Summe der in den Verbraucher R_L1 und das Netz abfließenden Ströme. Bei konstanter Spannung trifft die Knotenpunktregel auch auf die Leistung zu:
P_PV = P_L1 + P_N oder 500 W = 100 W + 400 W.
P_N steht für die in das Netz eingespeiste Leistung.

An der gleichen Abnahmestelle 1 hängt an Phase L2 ein Geschirrspüler R_L2 mit 250 W Leistungsaufnahme. An Phase L3 möge kein Verbrauch stattfinden. Es wäre wünschenswert, wenn ein Teil der Überschussleistung im Geschirrspüler R_L2 verbraucht wird, so dass nur noch -400 W + 250 W = -150 W Überschussleistung in das Netz rückgespeist werden würde. Die mit dem Leistungsmesser an Phase L1 erfasste Leistung ist negativ:
P_L1 = -400 W, es handelt sich um eine Einspeisung an L1.
Die mit dem Leistungsmesser an Phase L2 erfasste Leistung ist positiv:
P_L2= +250 W, es handelt sich um einen Bezug an L2.
Alle Leistungsmesswerte werden in der mME gespeichert.

Eine verbraucherfreundliche mME würde folgende Rechenoperationen durchführen:
P = P_L1+ P_L2 + P_L3 = -400 W + 250 W + 0 W = -150 W
Weiterhin würde die mME das Integral der Leistung P über die Zeit berechnen und als Wirkarbeit W < 0 kWh speichern. In der Regel wird die mit einer steckerfertigen PV-Anlage eingespeiste Energie nicht vergütet. Die eingespeiste Energie mindert dann nicht den bisher gespeicherten Wert für die bezogene Wirkarbeit.

Die Überschussleistung P_N = -400 W kann an einem Verbraucher an L1 der benachbarten Abnahmestelle 2 umgesetzt werden. An der Abnahmestelle 2 wird mit einer Heizpatrone (3 x 1000 W) an L1, L2, L3 Warmwasser erzeugt. Diese bezogene Leistung wird dem Inhaber der Abnahmestelle 2 voll in Rechnung gestellt. D.h., das EVU „verdient“ gutes Geld aus dem Überschussertrag der benachbarten PV-Anlage.

Schlussfolgerung
Energieversorgungsunternehmen (EVU) bzw. Stromlieferanten sind keine Wohlfahrtsverbände sondern Kapitalisten mit dem Ziel der Profitmaximierung.

Im Internet wird vielfach verbreitet, dass ein „Großteil der Stromzähler, die in Deutschland im Einsatz sind, … ohnehin die saldierende Messung [verwenden]“. Nach dem Duden steht „saldierend“ für „Rechenergebnisse speichernd“. Es trifft sicher zu, dass in jeder mME Register für die Speicherung von Messwerten vorhanden sind. Insoweit wäre jede mME „saldierend“. Aber entscheidend ist, wie die gespeicherten Messwerte verarbeitet werden.

Jede mME wird nach Vorgaben des EVU werkseitig für den Betrieb in einer bestimmten Betriebsart eingestellt.
Wenn eine mME als Zweirichtungszähler konfiguriert wird, dann wirkt er als Zähler des Wirkenergieflusses in beiden Richtungen (A+/A-). Auf dem Display des Zählers wird unter den standardisierten OBIS-Kennzahlen
- 1.8.0 die positive Gesamtwirkenergie (A+) (Bezug), und
- 2.8.0 die negative Gesamtwirkenergie (A-) (Einspeisung)
angezeigt. (OBIS: Abk. von engl. Object Identification System)

Es wäre wünschenswert, wenn der Zähler die Energiemesswerte so verarbeitet und anzeigt, wie es die alten Induktionszähler getan haben. Dem ist leider nicht so. Der Zweirichtungszähler erfasst Bezug und Einspeisung getrennt. Bezug und Einspeisung werden nicht miteinander verrechnet. Die vorzeichenbehaftete Summe über alle drei Phasen wird nicht zur Anzeige gebracht und auch nicht bei der Abrechnung verwendet. Ein Zweirichtungszähler ist auf dem Leistungsschild an dem Symbol mit 2 entgegen gerichteten Pfeilen zu erkennen.

Das Märchen vom „saldierenden“ Zähler wird oft erzählt. Die Diskussion in den einschlägigen Foren zeigt, dass viele Verbraucher nicht nachvollziehen können, wie die Stromrechnung zustande kommt. Die EVU haben auch kein großes Interesse, das Zustandekommen der in Rechnung gestellten Arbeitswerte transparent zu machen. Transparenz würde bedeuten, dass zu Tage kommt, dass die EVU mit überschüssiger PV-Energie von Endverbrauchern ordentlich Profit machen. Das geht zu Nachteil der Verbraucher, die die Kosten für die Anschaffung der PV-Anlage tragen.

Bei den Kosten für den Einbau und Betrieb einer mME hat der Gesetzgeber schon mal regulierend eingegriffen. Allein für den Betrieb des digitalen Zählers verlangt das EVU bzw. der örtliche Netzbetreiber als sogenannter grundzuständiger Messstellenbetreiber 20,- EUR pro Jahr, was gesetzlich gedeckelt wurde. Beim Arbeitspreis hält der Gesetzgeber die Füße still. Ein hoher Arbeitspreis bringt hohe Steuereinnahmen - schließlich soll Deutschland kurzfristig kriegstüchtig werden…

„Was tun?“, Lenin ;-)
1. Vor Anschaffen einer PV-Anlage, prüfen, ob sich das lohnt:
Bestrahlungsstärke, Kosten, Amortisationszeit, MTBF der Wechselrichter.

2. Lastaufteilung: Bei einer vorhandenen PV-Anlage, die Verbraucher, welche tagsüber in Betrieb sind, auf die Phase klemmen, auf der eingespeist wird.

3. Sich einer Bürgerbewegung anschließen, die sich dafür einsetzt, dass eingespeiste Energie zum Arbeitspreis verrechnet wird.

* * *

Hier ein verbraucherfreundlicher Zähler:

* * *

Hier ein EVU-freundlicher Zähler:
Die 2. Displayzeile (INFO) dient zur Anzeige der aktuellen Leistung und von historischen Verbrauchswerten. Hierzu muss man mit einer Taschenlampe über die optische Schnittstelle durch mehrmaliges Anleuchten eine PIN eingeben, was sehr umständlich ist- eben eine „moderne“ Messeinrichtung (mME) :-)

* * *