Photovoltaikanlagen für Inselbetrieb und Netzkopplung

Dimensionierungen

von Prof. Dr. Sven Bönisch

Die richtige Dimensionierung von photovoltaischen Anlagen erfordert eine genaue Kenntnis der Zusammenhänge in diesen technisch relativ komplizierten und aufwändigen Energiesystemen. Oftmals werden zur Bemessung moderne Softwaretools eingesetzt, die zu Grunde liegenden Gesetzmäßigkeiten bleiben für den Anwender jedoch weitestgehend verborgen. Prof. Dr. Sven Bönisch stellt zwei grundlegende Verfahren der Dimensionierung leicht verständlich und detailliert vor.

Dimensionierung von PV-Inselsystemen

Die Dimensionierung von Inselsystemen erfolgt verbrauchsorientiert. Dazu wird für eine gegebene Last ein Optimum von Generatorleistung (Modulfläche) und Batteriekapazität bestimmt, um auch bei fehlendem Energieangebot die Last sicher versorgen zu können. Dieses Verfahren basiert auf der Verwendung zeitlich abhängiger Einstrahlungs- und Lastdaten und wird deshalb auch Zeitreihen-Verfahren genannt (Abb. 1, Abb. 2). Außerdem müssen die Wirkungsgrade der einzelnen Systemkomponenten wie z. B. Module, Laderegler, Batterie sowie alle Designparameter bekannt sein. Aus den bekannten Daten von Einstrahlungsleistung und Verbrauchsleistung wird die zeitabhängige Energiebilanz an der zunächst noch nicht dimensionierten Speicherkomponente (Batterie) berechnet. Die Generatorleistung (Modulfläche) wird so lange vergrößert, bis ein geschlossener Energiezyklus in dem gewünschten Zeitraum erreicht wird (Abb. 3). Die am Ende eines Tages in der Batterie gespeicherte Energie sollte für einen energetisch optimalen Anlagenbetrieb genauso groß sein wie am Anfang des Tages (Abb. 4). Aus dem Energiehub an der Batterie über den Zeitraum eines Tages kann unter Berücksichtigung der Entladetiefe und bei bekannter Batteriespannung die nominelle Batteriekapazität bestimmt werden. Das gleiche Verfahren wird auch angewendet, um die nötige Batteriekapazität für eine längere Autonomiezeit des Systems zu bestimmen.

Dimensionierung netzgekoppelter PV-Systeme

Die Dimensionierung von netzgekoppelten Anlagen erfolgt eher ertragsorientiert. Dazu wird in einem System das Verhältnis von Generatorleistung (Modulfläche) zu Einspeiseleistung (Wechselrichterleistung) optimiert, um einen möglichst hohen Energieertrag bei möglichst geringen Investitionskosten zu erzielen und damit die Anlage wirtschaftlich optimal betreiben zu können. Zur Bestimmung der Einstrahlungsbedingungen an einem bestimmten Standort werden statistische Daten der Strahlungsleistungsdichte benötigt. Diese können zurzeit noch frei zugänglichen Datenbanken entnommen werden (z. B. PVGIS). Aus der Häufigkeitsverteilung der Strahlungsleistung kann durch Integration die Energiedichteverteilung in Abhängigkeit von der Strahlungsleistungsdichte berechnet werden (Abb. 5).
Nach Berücksichtigung des Modul wirkungsgrades ist die so erhaltene elektrische Eingangsleistung ein Maß für den maximal möglichen Energieertrag am entsprechenden Standort. Die Über tra gungs leistung des Wechsel richters zur Netzeinspeisung ist jedoch zunächst unbekannt. Natürlich ist es möglich, den Netzwechselrichter stark überzudimensionieren, sodass die gesamte zur Verfügung stehende Energie auch eingespeist wird, dies ist jedoch aufgrund der Investitionskosten nicht unbedingt auch wirtschaftlich optimal. Um ein evtl. vorhandenes Optimum zu bestimmen, wird zunächst der Energieertrag über dem Verhältnis von Wechselrichterleistung zu Modulleistung (bei 1000 W/m2) aufgetragen. Wird nun z. B. der Wechselrichter in Bezug auf die max. Modulausgangsleistung um 50 % unterdimensioniert (Leistungsverhältnis 0.5) werden alle Energieerträge mit relativen Leistungen kleiner 0.5 übertragen, während die Energieerträge mit relativen Leistungen größer 0.5 aufgrund der internen Konstruktion des Wechselrichters auf 0.5 beschränkt werden. Nach Integration der entsprechenden Einspeiseleistungen ist erkennbar, dass fast die gesamte zur Verfügung stehende Leistung (91 %) trotz der Unterdimensionierung des Wechselrichters eingespeist wird (Abb. 6).
Grundsätzlich kann also festgestellt werden, dass der Energieertrag eines netz gekoppelten PV Systems wesentlich größer ist, als es das Leistungsverhältnis von Wechselrichterleistung und Modulausgangsleistung suggeriert. Unter Annahme eines relativen (Investment-) Kostenverhältnisses zwischen Modulkosten und Wechselrichterkosten von etwa 5 (5 Euro/W Modulkosten, 1 Euro/W Wechselrichterkosten) kann das wirtschaftliche Optimum der Anlage bestimmt werden. Hierzu werden zunächst die Investitionskosten in Abhängigkeit vom Leistungsverhältnis berechnet. Dabei wird angenommen, dass bei richtiger Dimensionierung (d. h. Wechselrichterleistung = Modulausgangsleistung) der Ertrag gerade die Investitionskosten deckt (Abb. 7). Danach wird die Differenz zwischen Energieertrag (Einspeisung) und Investitionskosten berechnet. Das wirtschaftliche Optimum für diesen Standort liegt bei einer Wechselrichterleistung von ca. 70 % der Modulausgangsleistung, d.h. bei einer Unterdimensionierung von ca. 30 %. Die Ertragsverluste betragen in diesem Falle ca. 2 % (Abb. 8).
Bei neu installierten netzgekoppelten Anlagen wird im Allgemeinen ein Ertragsverlust von < 1 % angestrebt. Je nach Größe und Typ der Anlage sowie anderen beeinflussenden Faktoren kann u. U. die Unterdimensionierung des Netzwechselrichters auch weniger signifikant ausfallen.