Neue Herausforderungen für Techniker

Messung der Netzqualität bei Solaranlagen

Der Markt für erneuerbare Energien wächst rasant und stellt neue Herausforderungen an qualifizierte Techniker, die die Solaranlagen und Windparks der Zukunft in Betrieb nehmen und warten sollen. Mark Bakker, Field Application Engineer bei Fluke, geht auf die Bedeutung der Netzqualitätsmessung für Solaranlagen näher ein und erklärt die Fallstricke und korrekten Herangehensweisen im Interview.
Bild: Fluke Deutschland GmbH

Die Vorteile des Austauschs fossiler Energieerzeugung durch erneuerbare Energiequellen sind unbestreitbar. In den letzten zehn Jahren hat die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen in ganz Europa immer weiter zugenommen. Die Gründe hierfür liegen auf der Hand: Regierungen auf der ganzen Welt wollen ihre Maßnahmen zur Verringerung der CO2-Emissionen weiter verstärken, denn diese gelten als einer der Hauptverursacher der globalen Erwärmung. Zudem wird der Übergang auf einen Netto-Null-Energieverbrauch angestrebt. Und zuletzt rückte natürlich auch das Thema der autarken Energieversorgung – weg von fossilen Brennstoffen – immer mehr in den Fokus der Weltöffentlichkeit. Die bei weitem häufigste Form der Gewinnung von Sonnenenergie ist die Verwendung von Photovoltaik-/PV-Modulen, die die Energie der Sonnenphotonen umwandeln, um Elektronen aus Atomen zu schlagen und einen Stromfluss zu erzeugen. Das stetige Wachstum der Photovoltaik zur Stromerzeugung führt zu einer immer größeren Nachfrage nach Technikern, die PV-Systeme verwalten, warten und dabei Fehler beheben können.

Regelmäßige Netzqualitätsmessungen sind unerlässlich für einen störungsfreien Betrieb der angeschlossenen Systeme, die für die effiziente Verteilung der Energie eine immer wichtigere Rolle spielen.
Mark Bakker, Field Application Engineer bei Fluke
Regelmäßige Netzqualitätsmessungen sind unerlässlich für einen störungsfreien Betrieb der angeschlossenen Systeme, die für die effiziente Verteilung der Energie eine immer wichtigere Rolle spielen. Mark Bakker, Field Application Engineer bei FlukeBild: Fluke Corporation

Die Netzqualität ist ein wichtiger Maßstab für Industrieanlagen, Fertigungseinrichtungen und Energieversorger, da eine schlechte Netzqualität verschiedenste Probleme für elektrische Geräte wie Beleuchtung, Computersysteme, Antriebssysteme und Motoren verursachen kann. Oberschwingungen können Probleme bei Infrastrukturkomponenten wie Leitungen und Transformatoren verursachen, während Transienten, plötzliche Spannungsspitzen, zum Ausfall empfindlicher Elektronikgeräte führen können. Für die Prüfung der Netzqualität müssen Techniker oft über einen bestimmten Zeitraum Daten sammeln und die Ergebnisse analysieren. Da sich der Übergang auf erneuerbare Energien beschleunigt, kommt es darauf an, dass Installateure und Wartungspersonal Zugang zu den richtigen Instrumenten und Schulungen haben, um Solaranlagen schnell in Betrieb zu nehmen und sie dauerhaft mit Spitzenleistung arbeiten zu lassen. Die Nachfrage nach hochpräzisen Handgeräten zur Messung von PV-Systemen hat zugenommen. Bei der Inbetriebnahme ist es für Eigentümer und Investoren wichtig, festzustellen, ob die installierte Ausrüstung die Leistung erbringen kann, für die die Solaranlage konzipiert wurde. Der Leistungsausgang muss bestimmten Qualitätsstandards entsprechen. Dies lässt sich mit Prüfgeräten für die Netzqualität sicherstellen.

Wieso ist es wichtig, die Netzqualität regelmäßig zu messen?

Mark Bakker: Spricht man von einem Netz, bezieht sich dies meist auf das öffentliche Stromversorgungsnetz und die interne elektrische Infrastruktur einer Einrichtung, eines Wohn- oder Geschäftsgebäudes. Die aktuelle Phase der Energiewende hat einen großen Einfluss auf die Netze. Es vollzieht sich eine deutliche Abkehr vom Konzept der zentralen Stromerzeugung durch große Kraftwerke hin zu einem eher dezentralen Stromerzeugungskonzept, bei dem erneuerbare Energiequellen zusätzliche Energie zur Verteilung über das Netz einspeisen. Die Energiewende bedeutet aber auch, dass sich die Art der an das Netz angeschlossenen Verbraucher ändert. LED-Beleuchtung verbraucht z.B. etwa 10% der Energie einer Glühbirne, liefert aber die gleiche Lichtstärke. Andererseits kann die LED-Beleuchtung das Netz stark mit Oberschwingungen belasten. Der Einsatz von Frequenzumrichtern sorgt für Energieeinsparungen; auch diese erzeugen eine hohe Oberschwingungsbelastung. Es gibt verschiedene Ansätze, diese zu beseitigen. Sie lässt sich herausfiltern, oder die Infrastruktur wird angepasst. Der Anschluss erneuerbarer Energiequellen und energiesparender Lasten an ein Netz ist ein fortlaufender Prozess – und da sich ein Netz im Laufe der Zeit schnell verändert, kann es zu neuen Problemen mit der Netzqualität kommen. Das Verfolgen dieser Veränderungen und die Lösung der damit verbundenen Probleme erfordert regelmäßige Tests.

Wo liegen hierbei die Herausforderungen?

Bakker: Ein typisches Problem bei der Energiewende ist die Überproduktion von Energie aus Photovoltaik-Anlagen (PV). Um Strom aus einer Solaranlage in ein Netz einzuspeisen, muss die Spannung der Anlage höher als die Netzspannung sein. Dies lässt sich mit der Analogie beschreiben, wie man Wasser von einem Ort zum anderen bringt – die Antwort ist der Pegel. Ist der Wasserstand an Position A höher als an Position B, fließt das Wasser von A nach B. An heißen, sonnigen Tagen erzeugt jedoch jede Solaranlage eine höhere Spannung, um Strom in das Netz einzuspeisen. Wenn Solaranlagen an einen Zweig angeschlossen sind, kann die benötigte Spannung die zulässige Höchstspannung von 10% der Nennspannung überschreiten. In diesem Fall schaltet sich die Solaranlage ab, und es wird kein Strom in das Netz eingespeist. Hinzu kommt, dass der Strom aus Solaranlagen nicht mit dem Netzstrom kompatibel ist, so dass er vor der Einspeisung umgewandelt werden muss. Als Nebenprodukt dieses Prozesses erzeugen die Umrichter Oberschwingungen, die in einem Netz sehr spezifische Probleme verursachen können. Ein weiteres Beispiel für ein vom Prozess der Energiewende betroffenes System sind Ladestationen für E-Autos. Diese sind anfällig für schnelle Spannungsschwankungen. Schnelle Spannungsänderungen entstehen durch das Umschalten von Lasten im Netz und sehr kurze Spannungsänderungen, die oft bei Gewittern auftreten. Regelmäßige Netzqualitätsmessungen sind daher unerlässlich für einen störungsfreien Betrieb dieser angeschlossenen Systeme, die für die effiziente Verteilung der Energie eine immer wichtigere Rolle spielen.

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Bild: Fluke Deutschland GmbH

Die Vorteile des Austauschs fossiler Energieerzeugung durch erneuerbare Energiequellen sind unbestreitbar. In den letzten zehn Jahren hat die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen in ganz Europa immer weiter zugenommen. Die Gründe hierfür liegen auf der Hand: Regierungen auf der ganzen Welt wollen ihre Maßnahmen zur Verringerung der CO2-Emissionen weiter verstärken, denn diese gelten als einer der Hauptverursacher der globalen Erwärmung. Zudem wird der Übergang auf einen Netto-Null-Energieverbrauch angestrebt. Und zuletzt rückte natürlich auch das Thema der autarken Energieversorgung – weg von fossilen Brennstoffen – immer mehr in den Fokus der Weltöffentlichkeit. Die bei weitem häufigste Form der Gewinnung von Sonnenenergie ist die Verwendung von Photovoltaik-/PV-Modulen, die die Energie der Sonnenphotonen umwandeln, um Elektronen aus Atomen zu schlagen und einen Stromfluss zu erzeugen. Das stetige Wachstum der Photovoltaik zur Stromerzeugung führt zu einer immer größeren Nachfrage nach Technikern, die PV-Systeme verwalten, warten und dabei Fehler beheben können.

Regelmäßige Netzqualitätsmessungen sind unerlässlich für einen störungsfreien Betrieb der angeschlossenen Systeme, die für die effiziente Verteilung der Energie eine immer wichtigere Rolle spielen.
Mark Bakker, Field Application Engineer bei Fluke
Regelmäßige Netzqualitätsmessungen sind unerlässlich für einen störungsfreien Betrieb der angeschlossenen Systeme, die für die effiziente Verteilung der Energie eine immer wichtigere Rolle spielen. Mark Bakker, Field Application Engineer bei FlukeBild: Fluke Corporation

Die Netzqualität ist ein wichtiger Maßstab für Industrieanlagen, Fertigungseinrichtungen und Energieversorger, da eine schlechte Netzqualität verschiedenste Probleme für elektrische Geräte wie Beleuchtung, Computersysteme, Antriebssysteme und Motoren verursachen kann. Oberschwingungen können Probleme bei Infrastrukturkomponenten wie Leitungen und Transformatoren verursachen, während Transienten, plötzliche Spannungsspitzen, zum Ausfall empfindlicher Elektronikgeräte führen können. Für die Prüfung der Netzqualität müssen Techniker oft über einen bestimmten Zeitraum Daten sammeln und die Ergebnisse analysieren. Da sich der Übergang auf erneuerbare Energien beschleunigt, kommt es darauf an, dass Installateure und Wartungspersonal Zugang zu den richtigen Instrumenten und Schulungen haben, um Solaranlagen schnell in Betrieb zu nehmen und sie dauerhaft mit Spitzenleistung arbeiten zu lassen. Die Nachfrage nach hochpräzisen Handgeräten zur Messung von PV-Systemen hat zugenommen. Bei der Inbetriebnahme ist es für Eigentümer und Investoren wichtig, festzustellen, ob die installierte Ausrüstung die Leistung erbringen kann, für die die Solaranlage konzipiert wurde. Der Leistungsausgang muss bestimmten Qualitätsstandards entsprechen. Dies lässt sich mit Prüfgeräten für die Netzqualität sicherstellen.

Wieso ist es wichtig, die Netzqualität regelmäßig zu messen?

Mark Bakker: Spricht man von einem Netz, bezieht sich dies meist auf das öffentliche Stromversorgungsnetz und die interne elektrische Infrastruktur einer Einrichtung, eines Wohn- oder Geschäftsgebäudes. Die aktuelle Phase der Energiewende hat einen großen Einfluss auf die Netze. Es vollzieht sich eine deutliche Abkehr vom Konzept der zentralen Stromerzeugung durch große Kraftwerke hin zu einem eher dezentralen Stromerzeugungskonzept, bei dem erneuerbare Energiequellen zusätzliche Energie zur Verteilung über das Netz einspeisen. Die Energiewende bedeutet aber auch, dass sich die Art der an das Netz angeschlossenen Verbraucher ändert. LED-Beleuchtung verbraucht z.B. etwa 10% der Energie einer Glühbirne, liefert aber die gleiche Lichtstärke. Andererseits kann die LED-Beleuchtung das Netz stark mit Oberschwingungen belasten. Der Einsatz von Frequenzumrichtern sorgt für Energieeinsparungen; auch diese erzeugen eine hohe Oberschwingungsbelastung. Es gibt verschiedene Ansätze, diese zu beseitigen. Sie lässt sich herausfiltern, oder die Infrastruktur wird angepasst. Der Anschluss erneuerbarer Energiequellen und energiesparender Lasten an ein Netz ist ein fortlaufender Prozess – und da sich ein Netz im Laufe der Zeit schnell verändert, kann es zu neuen Problemen mit der Netzqualität kommen. Das Verfolgen dieser Veränderungen und die Lösung der damit verbundenen Probleme erfordert regelmäßige Tests.

Wo liegen hierbei die Herausforderungen?

Bakker: Ein typisches Problem bei der Energiewende ist die Überproduktion von Energie aus Photovoltaik-Anlagen (PV). Um Strom aus einer Solaranlage in ein Netz einzuspeisen, muss die Spannung der Anlage höher als die Netzspannung sein. Dies lässt sich mit der Analogie beschreiben, wie man Wasser von einem Ort zum anderen bringt – die Antwort ist der Pegel. Ist der Wasserstand an Position A höher als an Position B, fließt das Wasser von A nach B. An heißen, sonnigen Tagen erzeugt jedoch jede Solaranlage eine höhere Spannung, um Strom in das Netz einzuspeisen. Wenn Solaranlagen an einen Zweig angeschlossen sind, kann die benötigte Spannung die zulässige Höchstspannung von 10% der Nennspannung überschreiten. In diesem Fall schaltet sich die Solaranlage ab, und es wird kein Strom in das Netz eingespeist. Hinzu kommt, dass der Strom aus Solaranlagen nicht mit dem Netzstrom kompatibel ist, so dass er vor der Einspeisung umgewandelt werden muss. Als Nebenprodukt dieses Prozesses erzeugen die Umrichter Oberschwingungen, die in einem Netz sehr spezifische Probleme verursachen können. Ein weiteres Beispiel für ein vom Prozess der Energiewende betroffenes System sind Ladestationen für E-Autos. Diese sind anfällig für schnelle Spannungsschwankungen. Schnelle Spannungsänderungen entstehen durch das Umschalten von Lasten im Netz und sehr kurze Spannungsänderungen, die oft bei Gewittern auftreten. Regelmäßige Netzqualitätsmessungen sind daher unerlässlich für einen störungsfreien Betrieb dieser angeschlossenen Systeme, die für die effiziente Verteilung der Energie eine immer wichtigere Rolle spielen.

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