Nutzung der aufgezeichneten Energieverbrauchsdaten zur Planung von Solar- und Notstromanlagen

Bei der Planung von Solar- und Backup-Systemen für gewerbliche Kunden geht es nicht nur um kW und kWh, sondern auch darum, die Feinheiten von Lastprofilen, Phasenverteilung und Leistungsfaktor zu verstehen. Allzu oft sehe ich, dass sich EPCs auf Stromrechnungen oder grobe Schätzungen verlassen, was zu Systemen führt, die nicht funktionieren. Mit mehr als einem Jahrzehnt praktischer Erfahrung zeige ich Ihnen, wie Sie anhand detaillierter Energieerfassungsdaten Solar- und Notstromsysteme planen und Wechselrichter, Batterien und Anlagen präzise dimensionieren können - damit Ihre Projekte sowohl technisch 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.

Nachdem wir nun die Aufzeichnungen gemacht und die Daten heruntergeladen und analysiert haben, können wir sie bei der Planung von Backup- und Solarstromsystemen anwenden.

Maximale Leistung

Beginnen wir also mit der Bestimmung der maximal erforderlichen Leistung. Aus der Spalte für die maximale Leistung können Sie den Spitzenwert ablesen. Anhand dieses Wertes können Sie die Größe des Ersatzwechselrichters bestimmen, den Sie benötigen, um den Spitzenleistungsbedarf zu decken. Verwenden Sie die Excel-Funktion MAX. Aus den Beispieldaten können wir den folgenden Wert ermitteln:

Maximale Leistung pro Phase

Im vorherigen Schritt haben wir die maximale Leistung für alle drei Phasen zusammen ermittelt. Bei der Auswahl eines netzgekoppelten Wechselrichters oder eines Backup-Wechselrichters muss man jedoch die maximale Leistung der einzelnen Phasen berücksichtigen.

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

Bei Backup-Wechselrichtern muss der Wechselrichter in der Lage sein, die maximal erforderliche Leistung auf jeder einzelnen Phase zu liefern. Wenn der Wechselrichter und die Batterie nicht in der Lage sind, die maximal benötigte Leistung zu liefern, schaltet er sich ab/aus.

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 Diagramm sieht das folgendermaßen aus:

Aus diesem Bild geht hervor, dass der Spitzenstromverbrauch bei 10. Und der Stromverbrauch jeder Phase 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.

Im Abschnitt FAQ unten finden Sie eine ausführliche Erklärung, wie sich kVA zu kW und Leistungsfaktor verhält.

Betrachtet man den Leistungsfaktor für diese Anlage, so sieht er wie in der folgenden Abbildung aus. Daraus können wir ersehen, dass der Leistungsfaktor nahe bei 1 liegt und keinen großen Einfluss auf die Scheinleistung hat.

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 den Gesamtenergieverbrauch pro Tag über eine Woche ersehen.

Mit der Excel-Durchschnittsfunktion für den Gesamtenergieverbrauch pro Tag für eine Woche erhalten wir den Wert von 1.206.167 Wh, umgerechnet in Kilowattstunden ist das 1206 kWh.

Dimensionierung des Solar-Arrays

Anhand der oben berechneten Zahl können Sie Ihre Solaranlage so dimensionieren, dass sie die 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 Solarsimulationsprogramme eingegeben werden, um die Größe der Solaranlage zu berechnen, die zur Erzeugung der benötigten Energie benötigt wird.

Durchschnittlicher Verbrauch pro Tag und Nacht

Man kann sogar noch mehr ins Detail gehen und den durchschnittlichen Tages- und Nachtenergieverbrauch ermitteln. So können Sie die Solaranlage und die Batteriebank genauer dimensionieren.

Um den Tag- und Nachtenergieverbrauch für einen einzelnen Tag zu ermitteln, kann man die Stunden nach Tages- und Nachtzeit gruppieren. In diesem Beispiel ist die Tageszeit von 8 Uhr bis 17 Uhr.

Wir können auch den durchschnittlichen Tages- und Nachtverbrauch über einen bestimmten Zeitraum, zum Beispiel eine Woche, ermitteln. In der folgenden Tabelle sind die Daten einer Woche und der durchschnittliche Energieverbrauch pro Stunde und pro Tag dargestellt. Man kann die Spalte für den durchschnittlichen Energieverbrauch manuell hinzufügen, was in Excel mit der Pivot-Tabelle nicht möglich ist, soweit ich weiß.

Dann kann man manuell den durchschnittlichen Gesamtverbrauch am Tag und in der Nacht 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 Strom sie liefern sollte, und der zweite ist, wie viel Energie Sie speichern möchten.

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

Anhand unserer Berechnungen der durchschnittlichen Tages- und Nachtzeiten haben wir festgestellt, dass wir, wenn wir den gesamten Energieverbrauch während der Nacht abdecken wollen, mindestens einen Energiebedarf haben: 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:

Grundlegendes Arbeitsprinzip 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
• Steuerungsalgorithmus passt die Wechselrichterleistung 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 (z. B. beim Anlassen eines Motors), erhöht der Wechselrichter die Leistung. Wenn die Last sinkt, reduziert er die Leistung proportional dazu. Die Reaktionszeit liegt in der Regel innerhalb von Millisekunden, um einen Leistungsrückfluss 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 solaren Eigenverbrauch bei gleichzeitiger Einhaltung der Netzkonformität und der Beseitigung von Exportstrafen oder -beschränkungen, die einige Versorgungsunternehmen auferlegen.

Was passiert in einem dreiphasigen netzgekoppelten System mit Exportbegrenzung, wenn der Verbrauch auf den Phasen nicht ausgeglichen ist und eine Phase viel weniger Strom verbraucht als andere 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)

Nicht ausgelastete 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 Verbrauchs: Installation von intelligenten Schaltern oder Zeitschaltuhren zur Aktivierung von Lasten in nicht ausgelasteten Phasen, wenn die Solarproduktion hoch ist

Überlegungen zum Net Metering Bei Systemen mit Net-Metering misst das Versorgungsunternehmen in der Regel den Nettoverbrauch in allen drei Phasen zusammen, was dazu beiträgt, mehr Solarstrom zu nutzen. Mit Null-Export-Anforderungen geht diese Flexibilität jedoch verloren, wodurch der Lastausgleich für die Maximierung der Solarnutzung wichtiger wird.

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

Blindleistung verrichtet keine nützliche Arbeit, ist aber für die Magnetisierung von Induktoren und Kondensatoren in Wechselstromkreisen erforderlich. Motoren, Transformatoren und Leuchtstofflampen haben in der Regel einen Leistungsfaktor von weniger als 1, d. h. sie nehmen mehr Scheinleistung auf, 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.