Das Einspeisemanagement für erneuerbare Energien ist ein Baustein auf dem Weg zur Klimaneutralität. Wie die Umsetzung erfolgt und welche technischen Lösungen es hierfür gibt beleuchtet der folgende Beitrag.

Unter „klimaneutral“ versteht man, nur noch so viel Treibhausgas freizusetzen, wie auch wieder gebunden werden kann. Zahlreiche Nationen haben sich das zum Ziel gesetzt, allerdings ist der Weg dorthin lang und verlangt allen Beteiligten viel ab. Um das für Deutschland gesteckte Ziel – bis 2045 klimaneutral zu sein – zu erreichen, muss u. a. der Ausbau der Erneuerbaren Energien konsequent vorangetrieben werden. Was wiederum neue Herausforderungen mit sich bringt.

Das Einspeisemanagement zur Stabilisierung des Stromnetzes

Für den Ausbau der Stromerzeugung aus Wind- und PV-Energie müssen diverse Maßnahmen erfolgen. Dazu gehört der Netzausbau und das Errichten von Energiespeichern, was beides im ausreichenden Maße eher mittelfristig erfolgt. Eine Maßnahme, die sofort umsetzbar ist, ist das intelligente Management – auch Einspeisemanagement genannt – von dezentralen Energieerzeugern und -verbrauchern. Das Einspeisemanagement ermöglicht es den dezentralen Stromerzeugern, ihren Strom einzuspeisen und den Energieversorgern für die nötige Stabilität des Stromnetzes zu sorgen.
Die Abbildung 1 zeigt wie die Netzbetreiber für die Balance des Stromnetzes (Spannung und Frequenz) sorgen. Dabei gilt es Angebot (Produktion von Strom) und Nachfrage (Verbrauch von Strom) im Gleichgewicht zu halten.

Schema Produktion und Verbrauch

Abbildung 1: Netzstabilität – Netzbetreiber müssen das Stromnetz in der Balance halten (Spannung und Frequenz). Angebot (Produktion von Strom) und Nachfrage (Verbrauch von Strom) müssen im Gleichgewicht gehalten werden.

 

Die Herausforderungen der dezentralen Energieerzeugung

Das Einspeisemanagement dient also der intelligenten Steuerung der Energieflüsse. Aufgrund der schwankenden Verfügbarkeit von Wind- und Solarenergie sowie eines schwankenden Verbrauchs müssen die Erzeugungsanlagen steuerbar bzw. die Wirkleistungseinspeisung begrenzbar sein. Nur so lässt sich bei steigender Zahl von dezentralen Erzeugungsanlagen eine Netzstabilität gewährleisten.
Seit 2012 ist das Einspeisemanagement in Deutschland etabliert und übernimmt diese Aufgaben bei zahlreichen PV- und Windanlagen. Damals galt das große Ziel, die dezentralen Stromerzeuger in das Stromnetz zu integrieren, ohne dieses sofort ausbauen zu müssen.

Rund 9 Jahre später werden neue Regelungen für Steuerbarkeit von dezentralen Stromerzeugern benötigt. Denn nun gilt es, die zunehmende Anzahl an Erzeugungsanlagen so auszurüsten, dass sie den zukünftigen Anforderungen gewachsen sind. Hierbei belasten neben einem schleppenden Netzausbau und den fehlenden Speicherkapazitäten besonders neue Technologien die Netzstabilität. Denn die wachsende Anzahl an z. B.  E-Autos und Wärmepumpen bedeuten einen stark steigenden Energiebedarf.

Einspeisemanagement im Mittelspannungsnetz

Die Solar-Log GmbH war 2012 einer der ersten Hersteller, die eine Lösung für das Einspeisemanagement von PV-Anlage auf den Markt brachten. Mit dem Energie-Management-System Solar-Log können PV-Anlagen jeglicher Größe die entsprechenden Anforderungen erfüllen.

2019 kam nun eine neue Reglung, die sogenannte VDE-AR-N 4110 (VDE 4110). Diese soll die Netzstabilität im Mittelspannungsnetz sichern, da es hier eine starke Zunahme an PV-Anlagen gibt. Auch in vielen weiteren Ländern mit steigender Anzahl an erneuerbaren Energien kommen solche oder ähnliche Regeln nun zur Anwendung.
Die neue Regelung in Deutschland betrifft alle PV-Anlagen, die ihren Netzanschlusspunkt am Mittelspannungsnetz eines Netzbetreibers haben.

Grafik Einspeisemanagement

Abbildung 2: Die Grafik zeigt, welche Anlagen zum Mittelspannungsnetz gehören.

Die VDE-4110 Regelung wurde zudem notwendig, da der europäische Energiebinnenmarkt weiterentwickelt werden soll. Die neuen Anforderungen wurden in der europäischen Strombinnenmarkt-Richtlinie und der Strombinnenmarkt-Verordnung festgehalten. Das Ziel ist einen reibungslosen Elektrizitätsmarkt in der EU zu schaffen, der auch grenzüberschreitend funktioniert. Zudem gilt es mehr Wettbewerb zu generieren und einen transparenten Großhandelsmarkt zu etablieren. (Quelle: Zentrale und dezentrale Elemente im Energiesystem, Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina, acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften, Union der deutschen Akademien der Wissenschaften, 2020)
Somit ist die neue VDE Regelung ein Bestandteil der europäischen Anforderungen, die auch viele weitere Länder in der EU betreffen oder zukünftig betreffen werden.

Lösung für den Anschluss der PV-Anlage an das Mittelspannungsnetz

Zunächst einmal stellt sich die Frage, was genau verlangen die neuen Regelungen von Anlagenbesitzern bzw. -betreibern? Am Beispiel des deutschen Marktes zeigt sich wie komplex die Anforderungen sind (siehe Abbildung 3). Dazu gehören etwa diverse Kennlinien, wie zum Beispiel Q(U) zur Stabilisierung der Spannung. Außerdem müssen unterschiedliche Messwerte wie P, Q, U und I abgerufen werden können. Erste wenn diese und weitere Anforderungen erfüllt sind, kann die PV-Anlage in das deutsche Stromnetz einspeisen.

Einstellung Blind- und Wirkleistung

Abbildung 3: Anforderungen zur Wirkleistungs- und Blindleistungsregelung der Netzbetreiber an die angebunden PV-Anlagen, welche ihren PV-Strom einspeisen wollen.

 

Nachgefragt: Einspeisemanagement in der Praxis

Roland Löhr ist Technical Manager bei der Solar-Log GmbH, einer der führenden PV-Monitoring, Smart Energy, Einspeisemanagement Hersteller weltweit. Er und sein Team sind bei Solar-Log u. a. für die Umsetzung der VDE-4110 Norm zuständig. In einem kurzen Interview schildert er, wo die Herausforderungen lagen und welchen Nutzen die Norm für die PV-Branche bringt.

Welche Lösungen bietet das Solar-Log System, um diese komplexen Anforderungen umzusetzen?

Eine Norm, viele unterschiedliche Forderungen. So könnte die Überschrift über der VDE-AR-4110 Norm lauten. Es gibt nicht nur neuen Regelungen, es wurden zudem die Anforderungen an Geschwindigkeit und Genauigkeit, in der die Reglungen umgesetzt sein müssen, verschärft. Darin lag einer der großen Herausforderungen für uns. Da wir bei Solar-Log schon damals mit der Einführung des Einspeisemanagements ganz vorne mit dabei waren, freuten wir uns trotz der vielen Hürden auf dieses neue Projekt.

Es galt also, die Fähigkeiten des Solar-Log Systems im Bereich der Wirk- und Blindleistung zu erweitern. Und somit die Anforderungen zur Anlagenregelung in der Mittelspannung durch die jeweiligen Netzbetreiber zu erfüllen. Fast jeder Netzbetreiber stellt dabei unterschiedliche Anforderungen an die PV-Anlage, die in „sein“ Netz einspeisen. Weswegen wir nun eine ganze Palette an Regelungs-Optionen anbieten. Positiver Nebeneffekt dieser Vielfalt: Das Solar-Log System ist so auch für PV-Anlagen z. B. in der Schweiz und Österreich gewappnet.

Eine der meist geforderten Lösung der Netzbetreiber wird im Schaubild 4 dargestellt. Um die Anforderungen bzw. Regelungen zu erfüllen, wird ein Datenlogger (Solar-Log Base 2000), ein Hutschienennetzteil, die Lizenzen Modbus TCP und Direktvermarktung sowie ein Utility Meter benötigt. Damit ist es möglich, die jeweiligen Anforderungen mit allen Komponenten wie Wechselrichter, Datenlogger, Fernwirktechnik und Direktvermarkter umzusetzen.

Schaubild Umsetzung VDE

Schaubild 4: Es werden diverse Komponenten benötigt, um die Anforderungen der Netzbetreiber zu erfüllen. In diesem Beispiel kommt ein EZA Regler mit Fernwirktechnik + Direktvermarktung und Q(U) oder Q(P) Kennlinie zum Einsatz.

 

Können Sie die Umsetzung an einer Anforderung, die neu hinzukam, noch mal genauer erklären?

Sehr gerne. Relativ neu bei der VDE-4110 ist die Q (P/Pn) Regelung oder die Q(U) mit Spannungstotband. In dem Beispiel (Abbildung 5 a) haben wir vier unterschiedliche Stufen für diese Regelung. Wobei es aber auch Netzbetreiber gibt, die bis zu sieben Stufen fordern. Die wir dann natürlich auch am Datenlogger einstellen können.

Weiter unten in der Abbildung 5 b sieht man, wo die Werte eingehalten werden müssen. Also wo sie gemessen werden und entsprechend hoch sein dürfen. Diese Punkte sind z. B. an der Übergabestation oder an der Erzeugungsanlagen. Zudem ist klar geregelt, was bei einem Ausfall der Fernwirktechnik oder Messtechnik zu erfüllen ist. In diesem Beispiel würde der Betrieb dann weiter erfolgen, und zwar mit dem letzten gültigen empfangenen Wert. All diese Einstellungen lassen sich dann im Solar-Log System vornehmen.

Fragebogen

Abbildung 5: Fragebogen welche Anforderungen der Netzbetreiber an die jeweilige PV-Anlage stellt.

 

Wir haben eben den Fragebogen gesehen, den die Kunde ausfüllen müssen. Bietet Solar-Log den Kunden bei der Umsetzung der VDE-Regelung noch weitere Hilfestellungen an?

Ja. Uns ist bewusst, dass der Anlagenbetreiber sich mit einer Vielzahl von Anforderungen und Bürokratie auseinandersetzen muss und nicht in allen Bereichen der Profi sein kann. Deswegen bieten wir bei Bedarf einen rundum Service bzw. Projektsupport an. Dazu gehören vier Schritte:

1. Wir informieren den Kunden über die möglichen Lösungen zur Umsetzung der geforderten Regelung.
2. Wir Planen und stimmen die Lösung mit ihm und dem Netzbetreiber ab. Daraufhin werden die nötigen Komponenten bestellt.
3. Beim Einbau der Komponenten und deren Einrichtung stehen wir dem Kunden zur Seite.
4. Und schließlich kümmern wir uns um eine reibungslose Inbetriebnahme und das anschließende Reporting.

Inwiefern profitiert der Anlagenbetreiber? Und wie bringt es die Solar-Branche nach vorne?

Im Grunde geht es darum, die Netzstabilität zu gewährleisten und damit zu ermöglichen, dass möglichst viele EE- und PV-Anlagen in das Netz einspeisen können. In Zukunft sollte der Anteil der erneuerbaren Anlagen steigen und die VDE-Regelung schafft hierfür quasi die Grundlage. Auf lange Sicht wird das vermutlich allein nicht ausreichen, aber am Netzausbau wird ja gearbeitet. Damit profitiert die PV-Branche und einzelne Anlagenbetreiber von der Regelung, auch wenn es zunächst einmal einen Mehraufwand bedeutet.

Haben Sie uns noch ein Beispiel aus der Praxis?

Wir hatten vor Kurzem erst einen Industriebetrieb, bei dem eine Photovoltaikanlage installiert wurde und der seine PV-Energie einspeisen wollte. Bei dieser Anlage zeigt sich mal wieder, dass oftmals individuelle Lösungen zum Einspeisen im Mittelspannungsnetz gefragt sind.
Für die Umsetzung der Q(U) Kennlinie wurde die Messung am Netzanschlusspunkt in der Trafostation gefordert. Dafür benötigt der Solar-Log die Messwerte eines kompatiblen Netzanalysators. Diesen nachzurüsten wäre allerdings sehr schwierig geworden, da dazu die gesamte Stromversorgung der Firma hätte abgeschaltet werden müssen.

Man konnte jedoch einen anderen Weg zusammen mit dem Netzbetreiber finden. Dieser verfügte bereits über eine entsprechende Messung, und stimmte zu Solar-Log die benötigten Messwerte über die Modbus TCP PM Schnittstelle zu übermitteln. Dadurch konnte der Kunde viel Zeit und Geld für den zusätzlichen Einbau sparen.
Die Konfiguration und Inbetriebnahme Tests konnten wir zusammen mit Installateur und Netzbetreiber ebenfalls zügig abschließen. So das am Ende die PV-Anlage zeitnah einspeiste und der Kunde keinen zusätzlichen Aufwand hatte.