Unterschätzter Engpass in der Leistungsregelung

Die Nutzung von Photovoltaik-Überschüssen gilt als naheliegender Ansatz, um Eigenverbrauch zu steigern und lokale Netze zu entlasten. Power-to-Heat-Anwendungen, insbesondere elektrische Heizstäbe, sind technisch etabliert und im Markt weit verbreitet.

Im praktischen Betrieb zeigt sich jedoch, dass der erzielbare Nutzen stark davon abhängt, wie präzise und dynamisch überschüssige Photovoltaik-Leistung an den tatsächlichen Bedarf angepasst werden kann. Formal wirkt die Herausforderung gelöst: Überschüssiger Strom wird direkt vor Ort in Wärme umgewandelt. Bei genauer Betrachtung zeigt sich jedoch, dass viele dieser Lösungen auf einem technischen Kompromiss basieren. Während Heizsysteme und Speicher vergleichsweise einfach umzusetzen sind, bleibt die Art der Leistungsregelung häufig rudimentär. Damit wird ein zentraler Hebel für Eigenverbrauchsoptimierung, Netzstabilität und die Reduktion von Rückspeisung nicht vollständig genutzt. Denn die eigentliche technische Herausforderung liegt weniger im Verbraucher selbst als in der bedarfsgerechten und netzverträglichen Anpassung der elektrischen Leistung an ein stark fluktuierendes Photovoltaik-Angebot.

Status quo der Photovoltaik-Überschussnutzung: Etablierte Wärmeerzeugungslösungen und ihre Grenzen

Der Photovoltaik-Ausbau in Deutschland hat große Dimensionen erreicht. Aktuell sind fast 5,9 Millionen Photovoltaik-Anlagen mit einer installierten Leistung von etwa 121 Gigawatt am öffentlichen Netz. Der Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft BDEW geht nach vorläufigen Zahlen für 2025 von einer Solarstromerzeugung von 91 Terawattstunden aus, das sind 17,6 Prozent des Bruttostromverbrauchs. Bis 2030 sieht das EEG einen weiteren Ausbau auf 215 Gigawatt vor, langfristig auf 400 Gigawatt.

Mit dieser Entwicklung steigt auch die Häufigkeit lokaler Erzeugungsspitzen, die im Haushalt selbst nicht mehr unmittelbar verbraucht werden können. Schon heute treten an sonnenreichen Tagen regional Belastungsspitzen, Abregelungen und negative Börsenstrompreise auf.

Vor diesem Hintergrund haben sich Power-to-Heat-Anwendungen, insbesondere elektrische Heizstäbe, zur lokalen Überschussnutzung etabliert und sind mittlerweile im Markt weit verbreitet. Elektrische Heizstäbe in Warmwasserspeichern sind kostengünstig, robust und einfach zu integrieren.

In der Praxis zeigt sich jedoch, dass die reine Installation eines Heizstabs noch keine optimale Nutzung des Photovoltaik-Stroms garantiert. Entscheidend ist, wie fein die Leistung des Verbrauchers an das schwankende Angebot angepasst werden kann. Dennoch ist die Marktdurchdringung bisher begrenzt: Im DACH-Raum (Deutschland, Österreich, Schweiz) sind bislang nur etwa drei Prozent der Photovoltaik-Haushalte mit einem intelligenten Heizstab ausgestattet. Damit existiert ein erhebliches, weitgehend ungenutztes Potenzial.

Leistungsregelung als Engpass bei stufigen Verfahren

Formal wirkt die Herausforderung gelöst: Überschüssiger Strom wird direkt vor Ort in Wärme umgewandelt. Bei genauer Betrachtung basieren viele dieser Lösungen jedoch auf einem technischen Kompromiss. Während Heizsysteme und Speicher vergleichsweise einfach umzusetzen sind, bleibt die Art der Leistungsregelung häufig rudimentär. Die eigentliche Herausforderung liegt weniger im Verbraucher selbst als in der bedarfsgerechten und netzverträglichen Anpassung der elektrischen Leistung an ein stark fluktuierendes Photovoltaik-Angebot. Wolkenzug, wechselnde Lastprofile und parallel laufende steuerbare Verbraucher führen dazu, dass sich der verfügbare Überschuss sekündlich ändern kann.

Typischerweise schwankt die verfügbare Photovoltaik-Leistung nicht nur im Tagesverlauf, sondern auch kurzfristig durch Bewölkung oder Laständerungen im Haushalt. Eine Regelung, die diesen Verlauf nicht präzise nachführen kann, führt zwangsläufig dazu, dass Photovoltaik-Überschüsse ungenutzt bleiben oder zusätzlicher Strom aus dem Netz bezogen wird.

In der Praxis dominieren bislang vereinfachte, stufige Regelansätze. Heizstäbe werden über Relais oder Halbleiterrelais zugeschaltet, häufig in festen Leistungsstufen von 1, 2 oder 3 Kilowatt. Diese Verfahren sind funktional und kostengünstig, können das schwankende Photovoltaik-Angebot jedoch nur grob nachführen. Das grundlegende Problem liegt in der stufigen Leistungsanpassung: Zwischen den einzelnen Leistungsstufen entstehen Regelungslücken, in denen verfügbare Photovoltaik-Energie nicht genutzt werden kann. Entweder bleibt überschüssige Energie ungenutzt und wird ins Netz eingespeist, oder es wird zusätzliche Energie aus dem Netz bezogen, wenn der Verbraucher mehr Leistung abruft, als aktuell verfügbar ist. Jeder Schaltvorgang verursacht zudem einen abrupten Lastwechsel. Diese Lastsprünge führen nicht nur zu Effizienzverlusten beim Eigenverbrauch, sondern auch zu vermeidbaren Rückwirkungen auf das Stromnetz, die mit steigender Photovoltaik-Dichte zunehmend an Bedeutung gewinnen.

Stufenlose Leistungsregelung: Vom Ansatz zur praktischen Umsetzung

Erste Ansätze zur Lösung dieses Regelungsproblems übertragen etablierte Verfahren aus der Leistungselektronik auf Power-to-Heat-Anwendungen und ermöglichen eine stufenlose Leistungsanpassung. Auf diese Weise kann die elektrische Leistung präzise an das verfügbare Photovoltaik-Angebot angepasst werden. Sinusförmige Leistungsregelungsverfahren stellen eine solche Lösung dar und sind in der Leistungselektronik grundsätzlich etabliert. In industriellen Anwendungen werden sie seit Langem eingesetzt, kommen in Power-to-Heat-Anwendungen bislang jedoch nur eingeschränkt zum Einsatz.

Technisch umgesetzt werden sie beispielsweise in Form von sogenannten Sinusstellern. Entsprechende Systeme sind inzwischen auch als integrierbare Komponenten verfügbar, die von Herstellern ohne eigene Entwicklung in bestehende Photovoltaik-, Speicher- und Energiemanagementsysteme eingebunden werden können.

Ein Sinussteller setzt eine stufenlose Leistungsregelung um, indem er die elektrische Leistung nicht in festen Stufen schaltet, sondern kontinuierlich an den aktuell verfügbaren Photovoltaik-Überschuss anpasst. Solche dynamischen Regelverfahren führen also zu einem deutlich gleichmäßigeren Lastverlauf. So werden auch kleine Überschussmengen nutzbar gemacht. Die dafür erforderlichen Informationen über den aktuell verfügbaren Photovoltaik-Überschuss erhält das System je nach Architektur beispielsweise über ein Energiemanagementsystem, den Wechselrichter oder eine entsprechende Schnittstelle. Gleichzeitig werden typische Netzrückwirkungen reduziert, wie sie bei stufigen oder hart schaltenden Leistungsstellern auftreten können.

Für Betreiber ergibt sich daraus ein klarer Vorteil: Der Eigenverbrauch steigt, der Netzbezug sinkt und gleichzeitig werden Rückwirkungen auf das Netz reduziert.

Systemintegration entscheidet über Effizienz und Netzverträglichkeit

Damit diese Vorteile in der Praxis tatsächlich erreicht werden, kommt es entscheidend auf die Einbindung und Auslegung der Leistungsregelung im Gesamtsystem an.

Im Kern sind dabei drei Faktoren ausschlaggebend: Regeldynamik, Regelauflösung und die Anbindung an das Energiemanagement (EMS):

• Die Regeldynamik bestimmt, wie schnell das System auf Änderungen der Photovoltaik-Leistung reagieren kann. Ist sie zu gering, entstehen Verzögerungen, durch die entweder Energie verloren geht oder unnötig aus dem Netz bezogen wird.
• Die Regelauflösung legt fest, in welchen Schritten die Leistung angepasst werden kann. Eine grobe Auflösung führt zu denselben Effekten wie stufige Systeme, während eine fein abgestufte Leistungsanpassung es ermöglicht, den verfügbaren Photovoltaik-Überschuss nahezu vollständig zu nutzen.
• Die EMS-Anbindung sorgt dafür, dass Erzeugung und Verbrauch systemweit koordiniert werden.

Nur wenn die zentralen Komponenten im Photovoltaik-System – insbesondere Wechselrichter, Energiemanagement und steuerbare Verbraucher – miteinander kommunizieren und zusammenwirken, wird ein Power-to-Heat-Verbraucher, wie beispielsweise ein elektrischer Heizstab, zu einem steuerbaren System, das flexibel auf den verfügbaren Photovoltaik-Überschuss reagieren kann und damit netzdienlich arbeitet.

Mit Blick auf die weiter steigende Photovoltaik-Durchdringung wird deutlich, dass die lokale Nutzung von Überschüssen künftig eine zentrale Rolle für die Netzstabilität spielen wird. Die Leistungsregelung entwickelt sich damit vom unterstützenden Detail zu einer zentralen Systemfunktion innerhalb moderner Photovoltaik-Anlagen.

—- Über die Autoren: Roman Reimer ist Experte für Stromversorgungen und Leistungselektronik bei Burger Engineering, einem zur Burger Group gehörenden Spezialisten für Lösungen in den Bereichen Antriebstechnik, Motoransteuerungen, Feldbus- und Kommunikationstechnik, Leistungselektronik, individueller Stromversorgungen sowie Leistungssteller. Jörg Klenke ist Project Management Officer und Mitglied der Geschäftsleitung bei Burger Engineering. —-