Mit dem Kabel über den Zaun

In Deutschland gibt es über eine Million Haushalte, die im Besitz einer eigenen Photovoltaikanlage sind. Mindestens die gleiche Anzahl an benachbarten Gebäuden oder Einrichtungen verfügt über keine eigene regenerative Erzeugungsanlage. Bewohner von Mietparteienhäusern können zum Beispiel trotz eventuell vorhandener Photovoltaikanlage von dieser keinen direkten Vorteil ziehen, da die Anlage nur über einen einzelnen Einspeisezähler an das öffentliche Netz angeschlossen ist. Auch können Besitzer von Einfamilienhäusern eventuell keine eigene Photovoltaikanlage bauen, zum Beispiel weil ihr Dach verschattet ist, es nach Norden zeigt oder die finanziellen Mittel nicht ausreichen.

Natürlich findet der Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch auch über das Netz statt. Aber zum einen profitieren dann weder der Betreiber noch der Nachbar von den Vorteilen des Eigenverbrauchs. Zum anderen belastet es die Netze.

In beiderlei Hinsicht kann es für eine dezentrale Energieversorgung sinnvoll sein, den Strom mittels einer privaten Netzkopplung direkt den Nachbarn zur Verfügung zu stellen. Ziel der privaten Netzkopplung ist, die Eigennutzungsquote für den Betreiber über den eigenen Verbrauch hinaus zu erhöhen, indem die direkte Teilhabe an regenerativ erzeugter, kostengünstiger Energie für weitere Haushalte gewährleistet wird. Somit können auch Haushalte ohne eigene Erzeugungsanlage erneuerbar erzeugte Energie direkt und ohne Umweg über das öffentliche Netz nutzen.

Darüber hinaus ist es denkbar, dass sich zukünftig ein Leistungspreis etabliert oder zumindest ein Preis, bei dem die Netzanschlussleistung eine größere Rolle spielt als bisher. Dann lohnt es sich umso mehr für Haushalte, Verbrauchsspitzen zu reduzieren. Das wäre ein Zustand, wie es ihn bei der Internet-Kommunikation mit den Flatrates schon gibt. Dort wird nicht mehr das Volumen abgerechnet, sondern die Geschwindigkeit. Das Volumen entspricht beim Strombezug der Energiemenge, die Geschwindigkeit der Leistung. Niedrigere Netzanschlussleistungen generieren im Übrigen direkt Kostenvorteile im System, weil der Netzausbau nach der Netzanschlussleistung ausgelegt wird. Im Gewerbe gibt es bereits eine größere Leistungskomponente, sodass diese private Netzkopplung auch für das Gewerbe sinnvoll sein kann.

Netzkoppler muss technische Probleme lösen

Will man den Strom aber direkt dem Nachbarn verkaufen, ohne dabei das öffentliche Stromnetz zu nutzen, kann man nicht einfach eine Leitung über den Gartenzaun legen und mit dem Nachbarstromkreis verbinden. Dieses nicht erlaubte Vorgehen würde eine Ringnetzbildung zur Folge haben und einen nicht beeinflussbaren Energiefluss zwischen den beiden lokalen Netzen und über die Zähler hervorrufen. Somit ist es notwendig, die beiden Netze galvanisch zu entkoppeln, um Erdschleifen und damit einhergehende Ringströme zu verhindern. Das heißt, es darf keine direkte elektrische Verbindung geben, was beispielsweise durch den Einsatz eines Transformators gewährleistet werden kann.

Zu diesem Zweck könnte man einen sogenannten Netzkoppler einsetzen, der für eine galvanische Trennung der Haushaltsstromkreise sorgt sowie die Steuerung der Energiemenge und deren Flussrichtung übernimmt. Es gibt drei wesentliche Funktionen, die vom Netzkoppler erfüllt werden müssen:

  1. Nur eigener, lokal regenerativ erzeugter oder gespeicherter Strom wird mit den anderen Teilnehmern geteilt.
  2. Der geteilte Strom muss lokal selbst verbraucht werden und darf nicht über den jeweiligen Zähler der gekoppelten Parteien ins öffentliche Netz eingespeist werden.
  3. Die Verbindung zwischen den Haushalten muss jeweils galvanisch getrennt sein.

Prinzipiell handelt es sich bei dem Netzkoppler um eine leistungselektronische Komponente, die den Leistungsfluss je nach Anforderung einstellt. Lassen Sie uns dies anhand Abbildung 1 erläutern: Für jeden Teilnehmer (Haus 1 bis Haus 4) wird eine private Netzschnittstelle als Teil des Netzkopplers benötigt. In der Darstellung hat nur Haus 1 eine regenerative Erzeugungseinheit, deren Energie über den Koppler mit Haus 2 bis 4 geteilt werden kann. Die Steuerung des Stromflusses muss dynamisch an die aktuell verfügbare regenerative Energie aus Haus 1 und zeitgleich an den Strombedarf von Haus 2 bis 4 angepasst werden. Ein im Netzkoppler integrierter Hochfrequenztransformator (HF-Trafo) sorgt für die galvanische Trennung. Die notwendigen Hardwarekomponenten können der eines Mikrowechselrichters ähnlich sein, die Regelungsstruktur (= Software) müsste aber an die neue Aufgabenstellung der Energiefluss-Steuerung angepasst werden.

Konzepte für private Netzkopplung

An der Hochschule München haben wir patentierte Schaltkonzepte für die private Netzkopplung entwickelt, mit denen die geforderte Funktionalität erfüllt werden kann. Zudem wurden Simulationen der Einzel- und Gesamtsystemkomponenten sowie deren Regelung durchgeführt und Steuerungs- und Energiemanagement-Konzepte für die Netzkopplereinheit erarbeitet. Zur Funktionsprüfung des Gesamtsystems wurden Experimente mit Standard-Laborequipment durchgeführt, bei denen zwei lokale Netze miteinander gekoppelt wurden, um Leistung von einem Netz zum anderen zu übertragen. Die Nennleistung dieses Netzkopplungselements kann je nach Anwendung zwischen wenigen Watt und mehreren Kilowatt liegen. Ziel war zu zeigen, dass die private Netzkopplung technisch umsetzbar und anwendbar ist sowie auch wirtschaftlich Vorteile bringt.

Das simulierte Verteilungssystem (siehe Abbildung 1) kann mit beliebig vielen Haushalten beziehungsweise Erzeugungsanlagen sowie Speichersystemen erweitert werden. Die Eigenverbrauchsquote der Erzeugungsanlage und der Autarkiegrad der beteiligten Stromabnehmer nehmen mit zunehmender Anzahl gekoppelter Parteien zu. Im Extremfall wäre so – wenn ausreichend Erzeuger und Speicher im privaten Netz vorhanden sind – eine Erweiterung zu einem quasiautarken Inselnetz möglich. Dieses würde aufgrund der immer noch bestehenden Netzanschlüsse selbst im Falle von Energiemangel im Inselnetz eine 100-prozentige Versorgungssicherheit gewährleisten.

Auch eine Einbindung von Ladesäulen für Elektrofahrzeuge ist denkbar. Dabei kann ein Netzkoppler in Kombination mit einem von mehreren Haushalten geteilten Batteriespeicher von Vorteil sein. In Studien (zum Beispiel Projekt Irene in Wildpoldsried) hat sich gezeigt, dass sich Elektrofahrzeuge tagsüber nicht am privaten Haus, sondern an der Arbeitsstelle befinden. Somit ist zur Nutzung des regenerativen Stroms aus dem Privathaus für die Elektromobilität eine Zwischenspeicherung notwendig. Das ist mit einem gemeinsam genutzten Speicher wesentlich einfacher umsetzbar als mit separaten Speichern. Der Koppler ermöglicht dann die gemeinsame Nutzung dieses Quartierspeichers für alle Teilnehmer.

Simulierte Praxis

Wir haben den Effekt, den die private Netzkopplung auf den Eigenverbrauchsanteil sowie auf den Netzstrombezug hat, für zwei Nachbarn simuliert, von denen nur einer eine Photovoltaikanlage betreibt. Zur Berechnung haben wir verschiedene reale Last- sowie Erzeugungsprofile von Haushalten herangezogen.

Geht man von zwei Einfamilienhäusern mit einem jährlichen Gesamt-Energieverbrauch von 4.000 Kilowattstunden und einer Solaranlage mit einer installierten Leistung von fünf Kilowattpeak aus, so werden bei der Betrachtung eines ganzen Jahres durch die private Netzkopplung und der somit gemeinsam genutzten Photovoltaikanlage statt 22 Prozent nun für diesen untersuchten Anwendungsfall bis zu 47 Prozent des Solarstroms vor Ort verbraucht.

Genauere Abrechnung möglich

Bei Mieterstrommodellen wird häufig nach dem Mischmodell abgerechnet. Die Mischkalkulation hat zwei wesentliche Nachteile. Zum einen kann der Mischstrompreis durch den Eigentümer/Pächter der PV-Anlage nur ganzjährig festgesetzt werden, wodurch für diesen ein Risiko hinsichtlich einer unterjährigen Preiserhöhung durch den Energieversorger besteht. Darüber hinaus kann es dem Mieter bei einem einheitlichen Mischpreis egal sein, ob er seine Verbraucher im Falle einer PV-Anlage mittags, also zu Zeiten der regenerativen Stromerzeugung, oder am Abend einschaltet, da man nicht erkennt, wann und wie viel Photovoltaikstrom genutzt wurde.

Die private Netzkopplung hingegen ermöglicht eine genaue Abrechnung des regenerativ erzeugten Stroms und schafft dadurch ein besseres Bewusstsein hinsichtlich des Wertes erneuerbarer Energie. Durch die in der Netzkopplereinheit vorhandene Intelligenz kann die übertragene Energie problemlos erfasst werden. Die Abrechnung mit dem Nachbarn sollte sich pro gelieferter Kilowattstunde an der Einspeisevergütung orientieren. Falls die Abrechnung künftig teilweise auf einen Leistungspreis umgestellt wird, sollte die Abrechnung mit dem Nachbarn auch entsprechend angepasst werden.

Wirtschaftlichkeit

Nach unseren Recherchen ist ein Gerät, das alle beschriebenen Anforderungen an einen Netzkoppler erfüllt, bisher noch nicht erhältlich. Auch was ein solches Gerät kosten würde, ist heute schwer zu sagen. Nach unserer Einschätzung könnte der Preis zwischen 300 und 600 Euro für etwa 500 Watt Leistung liegen.

Der wirtschaftliche Kundennutzen ergibt sich aus der Differenz zwischen Einspeisevergütung und Strombezugspreis der Energieversorgungsunternehmen. Wird die durch die private Netzkopplung übertragene Energie beispielsweise für einen Preis geringer als der Strombezugspreis und größer als die Einspeisevergütung verkauft, profitieren sowohl der Stromerzeuger als auch die Abnehmer. Darüber hinaus können durch den Einsatz der privaten Leitung gegebenenfalls Netznutzungsentgelte entfallen, die bei bisherigen Modellen, wie bei einer Stromlieferung über das öffentliche Netz, anfallen würden und das „Verteilen“ von erneuerbar erzeugter Energie häufig unattraktiv machen.

Wie hoch die zu erzielenden Gewinne sind, hängt neben der Nutzung der privaten Netzkopplung, der Einspeisevergütung und Fremdvergütung unter anderem auch von der Leistung des Kopplers ab. Aus unserer Sicht ist in der Praxis für Parteien mit der Größe eines Einfamilienhauses eine Leistung zwischen 500 und 1.000 Watt sinnvoll. Mit einem Koppler dieser Größe können wahrscheinlich keine großen Gewinne erzielt werden, da der Koppler selbst gewisse Anschaffungskosten bedingt. Relativ betrachtet sind bei einer Nutzungsdauer der privaten Netzkopplung, die der einer Photovoltaikanlage entspricht, aber durchaus sehr gute Renditen, verglichen mit anderen Anlagemodellen, möglich. Darüber hinaus werden der degressive Verlauf der Einspeisetarife und zu erwartende weiter steigende Bezugskosten für Netzstrom die Rentabilität in Zukunft noch weiter verbessern. Neben der monetären Betrachtung (die natürlich kein Verlustgeschäft sein darf) sind allerdings auch die psychologischen Effekte der Nutzung von vergünstigter Energie bei Sonnenschein nicht zu unterschätzen. (Andreas Eberhardt und Simon Schramm bearbeitet von Michael Fuhs und Mirco Sieg)

Die Autoren

Andreas Eberhardt hat an der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Hochschule München seine Bachelorarbeit über das Thema „Private Netzkopplung“ geschrieben. Neben seinem Masterstudium „Electrical Engineering“ an der Hochschule München arbeitet er dort als wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich Leistungselektronik für netzgekoppelte Anwendungen sowie DC-DC-Wandler.

Simon Schramm ist Professor für Regenerative Energieerzeugung und Netzeinbindung regenerativer Erzeugungseinheiten an der Hochschule München. Sein Forschungsinteresse liegt neben der Netzeinbindung erneuerbarer Energien mittels Leistungselektronik für netzgekoppelte und netzferne (Insel-)Systeme bei den Themen Energieeffizienz, automatisiertes Energie-Monitoring und Energiebezugsoptimierung.