Nutzung der aufgezeichneten Energieverbrauchsdaten zur Planung von Solar- und Notstromanlagen

Um eine kommerzielle Solar- oder Notstromanlage korrekt zu dimensionieren, protokollieren Sie den tatsächlichen Verbrauch des Standorts – Phasenspannung, Spitzenleistung in kVA und Leistungsfaktor – für mindestens einen vollständigen Betriebszyklus. Gemessene Daten decken Phasenungleichgewichte und den wahren Spitzenbedarf auf, die Stromrechnungen verschleiern, und verhindern so zu klein dimensionierte Wechselrichter und überteuerte Anlagen.

Die Gestaltung von Solar- und Notstromsystemen für Geschäftskunden ist nicht nur eine Frage von Kilowatt und Kilowattstunden – es geht darum, die Nuancen von Lastprofilen, Phasenverteilung und Leistungsfaktor zu verstehen. Viel zu oft sehe ich EPCs, die sich auf Stromrechnungen oder grobe Schätzungen verlassen, was zu Systemen führt, die ihre Leistung nicht erbringen. Mit über einem Jahrzehnt praktischer Erfahrung zeige ich Ihnen, wie Sie granuläre Energie-Logging-Daten nutzen, um Solar- und Notstromsysteme zu planen und Wechselrichter, Batterien und Arrays präzise zu dimensionieren – und so sicherzustellen, dass Ihre Projekte sowohl technisch fundiert als auch finanziell überzeugend sind.

Dies ist Teil 2 unserer Serie zur Energiemessung. Falls Sie Teil 1 (Einrichtung der Protokollierung) noch nicht gelesen haben, Klicken Sie hier, um sich zu informieren.

Okay, nachdem wir nun die Protokollierung durchgeführt und die Daten heruntergeladen und analysiert haben, wenden wir diese nun auf die Auslegung von Backup- und Solaranlagen an.

Maximale Leistung

Okay, beginnen wir mit der Ermittlung der maximalen Leistung. Aus der Spalte „Maximale Leistung“ können Sie den Spitzenwert ermitteln. Dieser Wert kann verwendet werden, um den Ersatzwechselrichter zu dimensionieren, den Sie benötigen, um den Spitzenleistungsbedarf decken zu können. Verwenden Sie die Excel-Funktion MAX. Anhand der Beispieldaten erhalten wir folgenden Wert:

Maximale Leistung pro Phase

Im vorherigen Schritt haben wir die maximale Leistung aller drei Phasen zusammen erhalten. Aber bei der Auswahl eines netzgekoppelten Wechselrichters oder eines Notstromwechselrichters muss die maximale Leistung der einzelnen Phasen berücksichtigt werden.

Netzgekoppelte Systeme

Bei netzgekoppelten Wechselrichtern ist dies besonders wichtig, wenn keine Energie ins Netz eingespeist werden kann, d. h. wenn die ins Netz eingespeiste Energie gedrosselt wird. Dies geschieht durch die Installation eines intelligenten Zählers am Netzanschlusspunkt. Sobald der Zähler feststellt, dass Energie in das Netz eingespeist wird, begrenzt er die Leistung des netzgekoppelten Wechselrichters. Das Problem bei unsymmetrischen Lasten ist, dass alle drei Phasen auf die Phase mit der geringsten Leistungsaufnahme begrenzt werden. Dies führt dazu, dass der Energieverbrauch, der durch den Solarverbrauch hätte gedeckt werden können, nicht gedeckt wird und verloren geht. Eine genauere Erläuterung finden Sie im Abschnitt FAQ weiter unten.

Backup-Stromversorgungssysteme

Für Notstrom-Wechselrichter muss der Wechselrichter in der Lage sein, die maximal benötigte Leistung auf jeder einzelnen Phase zu liefern. Wenn der Wechselrichter und die Batterie nicht in der Lage sind, die maximal benötigte Leistung zu liefern, wird er auslösen/abschalten.

Erreichen der maximalen Leistung pro Phase

Die folgende Abbildung zeigt, wie Sie die maximale Leistung pro Phase ermitteln können. Suchen Sie zunächst das Datum und die Uhrzeit, zu der die Spitzenlast auftrat. Aus dem vorherigen Bild können wir ersehen, dass es war 2024/03/18. Wenn wir diesen Tag in Stunden aufteilen, können wir genau sehen, wann dies geschehen ist, und erhalten die tatsächlichen Werte.

Interessant ist, dass der Spitzenwert direkt nach einem Stromausfall auftrat, bei dem alle Maschinen nach dem Stromausfall, der den Spitzenwert verursachte, auf einmal hochgefahren wurden. Ein gestaffeltes Hochfahren der Maschinen könnte eine Möglichkeit sein, diese Spitzenlast zu reduzieren.

In einem grafischen Format würde es so aussehen:

Aus diesem Bild können wir ersehen, dass der Spitzenstromverbrauch um 10 Uhr auftrat und der Stromverbrauch jeder Phase wie folgt war:

1. 77,218 W
2. 68,344 W
3. 44,683 W
4. Insgesamt: 178.212 W oder 178,2 kW

Leistungsfaktor

Man muss auch den Leistungsfaktor berücksichtigen. Wechselrichter müssen nach kVA-Anforderungen und nicht nach kW-Anforderungen dimensioniert werden.

Siehe den FAQ-Bereich unten für eine detaillierte Erklärung, wie kVA mit kW und dem Leistungsfaktor zusammenhängt

Betrachtet man den Leistungsfaktor dieser Installation, so ergibt sich das untenstehende Bild. Daraus können wir ersehen, dass der Leistungsfaktor nahe 1 liegt und die Scheinleistung nicht stark beeinflussen wird.

Spitzenscheinleistung in kVA

Wenn wir uns die Blindleistung ansehen, sehen wir die folgende Tabelle.

Hier können wir die maximale Scheinleistung pro Phase und insgesamt ablesen. Sie können sehen, dass es keinen großen Unterschied zwischen Wirkleistung und Scheinleistung gibt, da der Leistungsfaktor nahe bei eins liegt.

Wirkleistung	Scheinbare Leistung
1. 77,218 W 2. 68,344 W 3. 44,683 W 4. Insgesamt: 178.212 W oder 178,2 kW	1. 77.409 VA 2. 68.454 VA 3. 44.831 VA 4. Insgesamt: 178.212 VA oder 178,2 kVA

Phasenungleichgewichte

Aus diesem Beispiel ist ersichtlich, dass Phase eins fast doppelt so viel Strom verbraucht wie Phase drei. Es besteht die Möglichkeit, die Phasen auszugleichen, und dann könnte der Spitzenbedarf pro Phase auf folgende Werte reduziert werden 70 kVA anstelle von 80 kVA. Wenn man ein Notstromsystem plant, benötigt man mindestens drei 80-kVA-Wechselrichter, um den maximalen Bedarf zu decken.

Durchschnittlicher Verbrauch pro Tag

Lassen Sie uns den durchschnittlichen Energieverbrauch pro Tag ermitteln. Auf dieser Grundlage können wir die Energiemenge, die von den Solarzellen erzeugt werden muss, und die Energiemenge, die von den Batterien gespeichert werden muss, genauer bestimmen.

Aus der folgenden Tabelle können wir die insgesamt pro Tag über eine Woche verbrauchte Energie entnehmen.

Wenn wir die Excel-Funktion "Mittelwert" für den gesamten Energieverbrauch pro Tag für eine Woche verwenden, erhalten wir den Wert von 1.206.167 Wh, umgerechnet in Kilowattstunden beträgt dies 1206 kWh.

Dimensionierung des Solar-Arrays

Mit der oben berechneten Abbildung können Sie Ihr Solarsystem so dimensionieren, dass es diese gesamte Energie oder einen bestimmten Prozentsatz davon erzeugt.

Alle Faktoren, die sich auf die Solarenergieerzeugung auswirken, sollten berücksichtigt werden, wie z. B. Ausrichtung, Neigung, Sonneneinstrahlung und Verluste.

All diese Faktoren können in eines der verschiedenen verfügbaren Solar-Simulationssoftware-Tools eingegeben werden, um die Größe des Solarmoduls zu berechnen, das zur Erzeugung der benötigten Energie erforderlich ist.

Durchschnittlicher Verbrauch pro Tag und Nacht

Man kann noch weiter ins Detail gehen und den durchschnittlichen Energieverbrauch tagsüber und nachts ermitteln. Dies ermöglicht es Ihnen, die Solaranlage und die Batteriebank genauer zu dimensionieren.

Um den Energieverbrauch für Tag und Nacht an einem einzigen Tag zu ermitteln, kann man die Stunden nach Tag und Nacht gruppieren. In diesem Beispiel ist die Tageszeit von 8 bis 17 Uhr.

Wir können auch den durchschnittlichen Tages- und Nachtverbrauch über einen Zeitraum, z. B. eine Woche, ermitteln. Wir können uns die folgende Tabelle ansehen, die Daten für eine Woche zeigt und den durchschnittlichen Energieverbrauch pro Stunde und pro Tag darstellt. Man kann die Spalte für den durchschnittlichen Energieverbrauch manuell hinzufügen, wie in Excel, was meiner Meinung nach mit der Pivot-Tabelle nicht möglich ist.

Dann kann man manuell den gesamten durchschnittlichen Tages- und Nachtverbrauch berechnen.

In diesem Beispiel erhalten wir die folgenden Zahlen:

Durchschnittlicher Gesamtverbrauch am Tag: 824 kWh

Durchschnittlicher Gesamtverbrauch während der Nacht: 1.286 kWh

Dimensionierung der Batterie

Es gibt zwei Faktoren, die bei der Dimensionierung der Batterie zu berücksichtigen sind. Der eine ist, wie viel Leistung sie liefern können soll, und der andere ist, wie viel Energie Sie speichern möchten.

Aus unseren Berechnungen der maximalen Scheinleistung haben wir ermittelt, dass der Leistungsbedarf bei 70 kVA.

Aus unseren durchschnittlichen Tages- und Nachtberechnungen haben wir ermittelt, dass wir mindestens Folgendes benötigen, um den gesamten Energieverbrauch während der Nacht zu decken: 824 kWh

Schlussfolgerung

Die Planung von Solar- und Backup-Systemen für gewerbliche Kunden ist eine technische Herausforderung - aber mit den richtigen Daten und Tools können Sie Projekte realisieren, die wirklich funktionieren. Durch die Nutzung von detaillierten Energieprotokollen, Phasenanalysen und Leistungsfaktoren können Sie kostspielige Fehler vermeiden und Lösungen entwickeln, die den realen Anforderungen Ihrer Kunden entsprechen.

FAQ-Abschnitt

Wie funktioniert ein netzgekoppelter Wechselrichter an einer dreiphasigen Last, wenn er keine Energie in das Netz einspeisen darf?

Ein netzgekoppelter Wechselrichter an einer dreiphasigen Last mit Nullexport arbeitet, indem er den Stromverbrauch kontinuierlich überwacht und seine Leistung dynamisch an den Lastbedarf anpasst, ohne überschüssige Leistung ins Netz zurückzuspeisen.

Und so funktioniert es:

Kernbetriebsprinzip: Der Wechselrichter nutzt die Echtzeit-Leistungsüberwachung, um die momentane Leistungsaufnahme jeder Phase zu verfolgen. Er passt dann seinen Wechselstromausgang an, um genau das zu liefern, was die Last benötigt, und hält den Nettoleistungsfluss am Netzanschlusspunkt bei Null oder geringfügig importierend.

Schlüsselkomponenten und Kontrolle

• Stromwandler (CTs) Messung des Stromflusses am Netzanschlusspunkt auf jeder Phase
• Stromüberwachungssystem berechnet den Stromverbrauch in Echtzeit
• Der Regelalgorithmus passt den Ausgang des Wechselrichters kontinuierlich an den Lastbedarf an
• Phasenverriegelungsschleife (PLL) synchronisiert den Wechselrichterausgang mit der Netzfrequenz und Phase

Dreiphasiger Betrieb Jede Phase arbeitet unabhängig und hat ihren eigenen Regelkreis. Einige Wechselrichter können jede Phase mit unterschiedlichen Strommengen versorgen, je nach den einzelnen Phasenlasten. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da dreiphasige Lasten in privaten und gewerblichen Anwendungen oft unsymmetrisch sind.

Dynamische Reaktion Wenn die Last plötzlich ansteigt (wie beim Anlaufen eines Motors), erhöht der Wechselrichter die Leistung. Wenn die Last abnimmt, reduziert er die Leistung proportional. Die Reaktionszeit liegt typischerweise im Millisekundenbereich, um einen Rückfluss von Energie zu verhindern.

Sicherheit und Compliance Das System umfasst mehrere Sicherheitsvorkehrungen:

• Der Anti-Insellösungs-Schutz trennt den Wechselrichter, wenn die Netzspannung ausfällt
• Überspannungs-/Unterspannungsschutz
• Frequenzüberwachung
• Erdschlussschutz

Diese Konfiguration maximiert den Eigenverbrauch von Solarstrom, während sie die Netzkonformität aufrechterhält und Exportstrafen oder -beschränkungen eliminiert, die von einigen Energieversorgern auferlegt werden.

In einem dreiphasigen netzgekoppelten System mit Exportbegrenzung, was passiert, wenn der Verbrauch auf den Phasen unausgeglichen ist und eine Phase deutlich weniger Strom verbraucht als die anderen Phasen?

In einem dreiphasigen System mit unsymmetrischen Lasten wird die Nullexportsteuerung des Wechselrichters komplexer, da jede Phase unabhängig verwaltet werden muss, um zu verhindern, dass eine Phase Strom in das Netz exportiert.

Pro-Phase-Kontrolle Der Wechselrichter überwacht und steuert jede Phase separat. Wenn Phase A einen hohen Verbrauch hat, Phase B einen mittleren Verbrauch und Phase C einen sehr niedrigen Verbrauch, wird der Wechselrichter:

• Ausgabe der maximal verfügbaren Leistung an Phase A (bis zum Lastbedarf)
• Ausgabe einer moderaten Leistung an Phase B (entsprechend ihrer Last)
• Minimale Leistung an Phase C abgeben (entsprechend ihrer geringen Last)

Untergenutzte Solarkapazität. Wenn eine Phase einen sehr niedrigen Verbrauch hat, kann die Solarenergie, die auf dieser Phase hätte genutzt werden können, nicht einfach auf die anderen Phasen in einem normalen netzgekoppelten System verlagert werden. Dies führt zu verschiedenen Szenarien:

1. Vergeudetes Solarpotenzial: Der Wechselrichter ist möglicherweise nicht in der Lage, die gesamte verfügbare Gleichstromleistung der Solaranlage zu nutzen, wenn die gesamte dreiphasige Last deutlich geringer ist als die solare Erzeugungskapazität.
2. Leistungsbegrenzung: Der Wechselrichter begrenzt seine Gesamtleistung, um zu verhindern, dass eine Phase Strom exportiert, auch wenn die anderen Phasen mehr Strom verbrauchen könnten.

Strategien zur Schadensbegrenzung Mehrere Ansätze können dazu beitragen, das System ins Gleichgewicht zu bringen:

• Lastausgleich: Umverteilung der elektrischen Lasten auf die Phasen während der Installation
• Intelligentes Schalten: Verwenden Sie Schütze, um einphasige Lasten je nach Verbrauchsmuster automatisch zwischen den Phasen zu schalten
• Dreiphasige Wechselrichter mit Phasenausgleich: Einige moderne Wechselrichter können die Phasen bis zu einem gewissen Grad intern ausgleichen.
• Überwachung des VerbrauchsInstallieren Sie intelligente Schalter oder Zeitschaltuhren, um Verbrauchsgeräte auf unterausgelasteten Phasen zu aktivieren, wenn die Solarproduktion hoch ist

Überlegungen zum Net Metering In Systemen mit "Net Metering" misst der Energieversorger in der Regel den Nettoverbrauch über alle drei Phasen kombiniert, was zur besseren Nutzung der Solarenergie beiträgt. Bei Null-Export-Anforderungen geht diese Flexibilität jedoch verloren, was das Lastmanagement für die Maximierung der Solarausnutzung kritischer macht.

Der Schlüssel liegt darin, das System von Anfang an mit ausgeglichenen Lasten zu konzipieren und ein intelligentes Lastmanagement zu implementieren, wo immer dies möglich ist.

Wie ist der Zusammenhang zwischen kVA, kW und Leistungsfaktor?

In der Elektrotechnik sind kVA, kW und Leistungsfaktor durch das Konzept des Leistungsdreiecks grundlegend miteinander verbunden.

kVA (Kilovolt-Ampere) steht für Scheinleistung - die einem Stromkreis zugeführte Gesamtleistung. Sie wird berechnet als Spannung × Strom und stellt die maximale Leistung dar, die theoretisch geliefert werden könnte.

kW (Kilowatt) steht für wirkliche Macht - die tatsächliche Leistung, die von der Last aufgenommen und in nützliche Arbeit (wie mechanische Energie, Wärme oder Licht) umgewandelt wird.

Leistungsfaktor ist die Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistungdie ausdrückt, wie effizient die elektrische Leistung genutzt wird.

Die mathematische Beziehung lautet:

• kW = kVA × Leistungsfaktor
• Leistungsfaktor = kW / kVA

Der Leistungsfaktor reicht von 0 bis 1 (oder 0% bis 100%). Ein Leistungsfaktor von 1 bedeutet, dass die gesamte Scheinleistung als Wirkleistung genutzt wird - dies ist ideal, wird aber in der Praxis selten erreicht.

Die dritte Komponente dieser Beziehung ist kVAR (Kilovolt-Amperes Reaktiv), die die Blindleistung darstellt. Diese drei bilden ein rechtwinkliges Dreieck, wobei:

• kVA² = kW² + kVAR²

Reaktive Leistung verrichtet keine nützliche Arbeit, ist aber für die Magnetisierung von Induktoren und Kondensatoren in Wechselstromkreisen notwendig. Motoren, Transformatoren und Leuchtstofflampen haben typischerweise Leistungsfaktoren kleiner als 1, was bedeutet, dass sie mehr Scheinleistung aufnehmen, als sie in nützliche Arbeit umwandeln.

Diese Beziehung ist für die Auslegung elektrischer Systeme von entscheidender Bedeutung, da Versorgungsunternehmen ihre Anlagen auf der Grundlage von kVA (Scheinleistung) dimensionieren müssen, obwohl die Kunden in erster Linie für kW (Wirkleistung) bezahlen.

• Leistungsfaktor = Wirkleistung (kW) / Scheinleistung (kVA)
• Beispiel Theta-Winkel:
  • Θ = 45º → Cos(Θ) = Leistungsfaktor = 0,71
  • Θ = 30º → Cos(Θ) = Leistungsfaktor = 0,87
  • Θ = 20º → Cos(Θ) = Leistungsfaktor = 0,94
  • Θ = 10º → Cos(Θ) = Leistungsfaktor = 0,98
  • Θ = 0º → Cos(Θ) = Leistungsfaktor = 1,0
• Bitte beachten Sie: Wirkleistung = Wirkleistung = Wirkleistung
  • Sie sind Synonyme und werden austauschbar verwendet.
• Pythagoras
  • Q = √(S² - P²)

Glossar der wichtigsten Begriffe

• Lastprofil: Eine Darstellung der Veränderung der elektrischen Last im Laufe der Zeit. Sie zeigt, wie viel Strom zu verschiedenen Zeiten des Tages oder der Woche verbraucht wird.
• Phasenverteilung: Die Aufteilung der elektrischen Last auf verschiedene Phasen in einem mehrphasigen Stromnetz. Eine ordnungsgemäße Phasenverteilung ist für eine ausgewogene Stromlieferung entscheidend.
• Leistungsfaktor: Ein Maß dafür, wie effektiv die elektrische Leistung genutzt wird. Es ist das Verhältnis von Wirkleistung (kW) zu Scheinleistung (kVA) und zeigt die Effizienz der Stromnutzung an.
• Wechselrichter: Ein Gerät, das Gleichstrom (DC) von Solarmodulen oder Batterien in Wechselstrom (AC) für den Einsatz in Haushalten und Unternehmen umwandelt.
• Batteriespeicher: Systeme zur Speicherung von Energie für die spätere Nutzung, in der Regel als Notstromversorgung oder zur Speicherung von überschüssiger Solarenergie für die Nutzung in sonnenarmen Zeiten.
• Energieprotokollierung: Der Prozess der Aufzeichnung von Energieverbrauchsdaten im Laufe der Zeit mit Geräten wie Energieloggern. Diese Daten werden für die Analyse und die Systemauslegung verwendet.
• kW (Kilowatt): Eine Leistungseinheit, die 1.000 Watt entspricht. Sie misst die Rate des Energieverbrauchs oder der Energieerzeugung.
• kVA (Kilovolt-Ampere): Eine Einheit der Scheinleistung in einem Stromkreis, die 1.000 Volt-Ampere entspricht. Sie stellt die gesamte von einem System verbrauchte Leistung dar, einschließlich Wirk- und Blindleistung.
• Blindleistung: Der Anteil der Elektrizität, der die elektrischen und magnetischen Felder von Wechselstromgeräten aufbaut und aufrechterhält. Er wird in kVAR (Kilovolt-Ampere reaktiv) gemessen.
• Scheinbare Leistung: Die Kombination aus Wirkleistung und Blindleistung, gemessen in kVA. Sie stellt den gesamten Leistungsfluss in einem elektrischen System dar.
• Netzgekoppeltes System: Eine Solarstromanlage, die an das Stromnetz angeschlossen ist. Sie ermöglicht den Export von überschüssiger Solarenergie in das Netz und den Import von Strom, wenn die Solarproduktion nicht ausreicht.
• Null-Export: Eine Konfiguration in netzgekoppelten Systemen, bei der keine überschüssige Solarenergie in das Netz eingespeist wird. Das System ist so ausgelegt, dass es genau dem Lastbedarf entspricht.
• Ungleichgewicht der Phasen: Eine Bedingung, bei der die elektrische Last nicht gleichmäßig auf alle Phasen in einem mehrphasigen System verteilt ist, was zu Ineffizienzen und potenziellen Geräteproblemen führt.
• Net Metering: Ein Abrechnungsmechanismus, der den Besitzern von Solarenergieanlagen den Strom gutschreibt, den sie ins Netz einspeisen. Es ermöglicht den Ausgleich der Stromkosten durch die Solarproduktion.
• EU CSRD (Corporate Sustainability Reporting Directive): Eine Richtlinie der Europäischen Union, die Unternehmen verpflichtet, über ihre Nachhaltigkeitspraktiken, einschließlich Energieverbrauch und Kohlenstoffemissionen, zu berichten.