28.01.2021 | Solaranlagen führen zu Spannungsschwankungen

Das Problem an der Quelle lösen

Die Schweiz soll für die Stromproduktion vermehrt auf dezentrale Solaranlagen setzen. Doch Photovoltaik bringt nicht nur erneuerbare und CO2-freie Energie – die Anlagen führen auch zu einer Zunahme der Spannungsschwankungen im Netz. Forschende der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) haben in einer Studie aufgezeigt, dass dieses Problem am besten direkt an der PV-Anlage gelöst werden kann.

In der Schweiz soll künftig mehr Strom dezentral aus Photovoltaik produziert werden. Wird dieser Strom nicht direkt vor Ort verbraucht, sondern ganz oder teilweise ins lokale Niederspannungsnetz eingespiesen, so hat dies Auswirkungen auf die Spannung.

Die dürfen allerdings nicht zu hoch sein, denn der Spannung sind Grenzen gesetzt: In Schweizer und europäischen Steckdosen weist der Strom eine Spannung von rund 230 Volt auf. Je nach Stromproduktion und -verbrauch kann dieser Wert schwanken – er kann höher sein, wenn die Stromproduktion den Verbrauch überschreitet, oder tiefer liegen – wenn der Verbrauch grösser als die Produktion ist. Die Abweichungen dürfen zehn Prozent – nach oben und unten – aber nicht überschreiten. Denn liegt die Spannung nicht zwischen 207 und 253 Volt besteht die Gefahr, dass daran angeschlossene Elektrogeräte oder EDV-Anlagen beschädigt werden.

Ein Projekt nahe Schaffhausen

Forschende des ZHAW haben untersucht, wie der Ausbau der Photovoltaik Niederspannungsnetze beeinflusst und welche Massnahmen gegen Spannungsschwankungen ergriffen werden können. Eine optimale Messumgebung fanden sie im Dettighofen nahe Schaffhausen. Das in Deutschland gelegene Dorf deckt bereits heute rund 45 Prozent seines Energiebedarfs mit Solaranlagen.

Die Messungen der Forschenden zeigten, dass es wegen der vielen Solaranlagen in Netz zu Spannungsschwankungen bis zu 7 Prozent kommt. Elektrizitätswerke können diesen Schwankungen mittels verschiedener Massnahmen entgegenwirken. Starke, leistungsfähige Stromnetze mit Reserven sind dabei zentral – ein Netzausbau wegen der zunehmenden Einspeisung von Strom aus Photovoltaik kann aber hohe Kosten verursachen. Alternative und günstigere Lösungen wären die Spannungsregelung in der Transformatorenstation oder beim Wechselrichter der PV-Anlagen. Möglich ist die Spannungshaltung auch mit dem gezielten Zu- und Abschalten von Verbrauchern oder mittels Batteriespeichern. So wie dies in dem von Axpo und der CKW gemeinsam realisierten Projekt für die Elektrizitätswerke Jona-Rapperswil der Fall ist.

Direkter Eingriff an der Quelle

Die ZHAW-Forschenden haben die verschiedenen Massnahmen auf Effizienz und Kosten untersucht. Sie kommen zum Schluss, dass Massnahmen zur Stabilisierung der Spannung vor allem in abgelegenen Gebieten hohe Kosten verursachen. Am besten und günstigsten sei es bei Spannungsschwankungen direkt auf die PV-Anlagen zurückzugreifen und dort die Blind- und Wirkleistung zu regeln (siehe Box), so wie dies zur Spannungshaltung auch auf höheren Netzebenen durch gezielte Ein- und Ausspeisung von Blindleistung geschieht.

Mehr Informationen zur Studie gibt es auf der Webseite der ZHAW sowie in diesem Fachartikel des BFE PV-Anlagen: Problem und Teil der Lösung.

Wirk- und Blind und Scheinleistungsregelung

Elektrische Leistung wird in Blindleistung, Wirkleistung und Scheinleistung unterteilt. Sie wird in Watt gemessen. Wenn elektrischer Strom durch Leitungen fliesst, dann soll möglichst viel davon beim Verbraucher ankommen. Die Leistung, die dieser nutzen kann, nennt man Wirkleistung. Die Blindleistung umschreibt jene Leistung, die für die Übertragung der Wirkleistung an den Verbraucher notwendig ist. Damit überhaupt Strom durch ein Netz fliessen kann, bauen Generatoren, Motoren oder Transformatoren mit Hilfe der Blindleistung ein Magnetfeld auf. Wirk- und Blindleistung zusammen ergeben die Scheinleistung.

Ein Stromnetz kann nur eine bestimmte Menge an Energie transportieren. Je grösser die an sich unerwünschte Blindleistung, desto kleiner die Wirkleistung. Elektrizitätsunternehmen müssen also die Menge an Blindleistung kontinuierlich regeln und möglichst tief halten, Ist die Blindleistung aber zu niedrig, sinkt die Spannung und der Strom kann nicht mehr richtig fliessen.

Diesen Umstand kann man sich auch bei PV-Wechselrichtern, welche den Gleichstrom aus den PV-Modulen in Wechselstrom umwandeln, nutzbar machen, schreiben die ZHAW-Forschenden: «Durch die Regelung der Blindleistung (reaktive Leistungsregelung) kann die Spannung im Netz reduziert werden, ohne dass die Einspeiseleistung der Photovoltaikanlage vermindert wird. Reguliert man allerdings die Wirkleistung (aktive Leistungsregelung), speist die Photovoltaikanlage unweigerlich weniger Strom ins Netz ein.»

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