Wenn man sich damit beschäftigt, eine Solaranlage auf das Hausdach zu setzen, dann begegnen einem immer wieder die zwei Grundbestandteile: die Solarmodule (werden hier beschrieben) und der Wechselrichter Photovoltaik. Der Solar-Wechselrichter ist ein durchaus komplexes elektronisches Gerät. Gerade deswegen macht es Sinn, es sich einmal genauer anzuschauen. Aber keine Bange, wir bleiben hier auf Anwender-Niveau – ein Elektrotechnik-Studium ist nicht erforderlich.
Solar-Wechselrichter: Wofür braucht’s den?
Jeder Solar Wechselrichter wandelt den Gleichstrom – wie er aus den Solarmodulen kommt – in Wechselstrom um (daher der Name «Wechsel»-richter). Damit macht er die Solarenergie erst im Haushalt nutzbar. Dies deshalb, da die meisten Geräte im Haushalt mit Wechselstrom funktionieren und auch die Stromversorgung aus dem öffentlichen Netz auf Wechselspannung basiert.
Dies ist die Grundfunktionalität, die alle Wechselrichter beherrschen. Darüber hinaus gibt es aber noch eine Reihe von Zusatzfunktionalitäten (die nicht immer von allen Wechselrichtern bereitgestellt werden), die wir uns jetzt anschauen.
Wechselrichter Photovoltaik: Zusatzfunktionalitäten
Oft werden die Solarmodule als Herz einer Solaranlage bezeichnet. Um im Bild zu bleiben, ist dann der Wechselrichter das Hirn, das die Solarenergie aus den Solarmodulen so nutzbringend wie möglich steuert.
Anlagenleistung optimieren
Der Wechselrichter analysiert laufend die Strom- und Spannungswerte der Module. Basierend darauf stellt der Wechselrichter die Einstellungen so ein, dass die Solaranlage die bestmögliche Leistung liefert. Der Punkt, an dem die PV-Anlage die beste Leistung liefert wird oft als Maximum Power Point (MPP) bezeichnet. Das Bauteil, das diesen Punkt einstellt, ist der Maximum Power Point Tracker (MPPT).
Sicherheit garantieren
In seltenen Fällen können Solarmodule mit der Zeit Schaden leiden (z.B. Alterungseffekte die zur Delaminierung von Glas-Folie Solarmodulen führen). Dies kann gefährlich für die noch nicht betroffenen Solarmodule sein und im Extremfall besteht sogar ein Sicherheitsrisiko für Menschen (natürlich nur, wenn man in Kontakt mit den Photovoltaikmodulen kommt). Wenn der Wechselrichter solche Bedingungen erkennt, wird die Anlage abgeschaltet (und zumeist der Servicetechniker benachrichtigt).
Verbindung zum öffentlichen Stromnetz sicher stellen
Das öffentliche Stromnetz schwingt mit einer Frequenz von ungefähr 50 Hz, die sich mit der Zeit immer wieder leicht ändert. Der Wechselrichter stellt seine Frequenz immer auf die genaue Netzfrequenz ein und synchronisiert seine Schwingungen mit denen des öffentlichen Stromnetzes.
Notstromversorgung sicherstellen (zusammen mit einer Batterie)
Im Falle eines Ausfalles des öffentlichen Stromnetzes kann ein Wechselrichter zusammen mit einer Batterie die Versorgung des Hauses sicher stellen. Dazu muss das Hausnetz von öffentlichen Stromnetz getrennt werden. Wichtig ist jedoch, dass bei den meisten Wechselstromherstellern keine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) «eingebaut» ist, das heisst es gibt dennoch einen kurzen Unterbruch (wenige Sekunden), in denen z.B. ein Computer aber abstürzen kann. Sollte eine USV wichtig sein, so muss das mit dem Solar-Installateur besprochen werden.
Eigenverbrauch erhöhen
Strom vom Dach ist in den meisten Fällen günstiger als Strom aus dem öffentlichen Stromnetz. Teilweise enthalten Wechselrichter zusätzliche Steuerelemente, mit denen der Eigenverbrauch des selbst produzierten Solarstroms erhöht wird.
Reporting durchführen
Wechselrichter zeichnen Leistungs- und Produktionsdaten auf und leiten diese weiter. Dies kann eine Reihe von Rohdaten aber auch von durch verschiedene Algorithmen aufbereitete Daten beinhalten. Zu diesem Zweck sind Wechselrichter mit einer (oder mehreren) Kommunikationseinrichtungen ausgestattet (z.B. WLAN, GSM).
Wechselrichter-Konzepte für private Solaranlagen
Es gibt unterschiedliche Arten von Wechselrichtern. Die in kleineren Anlagen im privaten Bereich gebräuchlichsten sind die sogenannten String-Wechselrichter, Modulwechselrichter und die Hybridwechselrichter. Nicht eingesetzt in kleineren Anlagen werden Zentral- bzw. Multistringwechelrichter, weshalb sie hier nicht weiter betrachtet werden. Auch nicht betrachten möchte ich hier Insel-Wechselrichter, die eine Stromversorgung ohne Verbindung zum öffentlichen Stromnetz sicher stellen können, z.B. in Wohnmobilen.
String-Wechselrichter
Solarmodule werden oft in Reihe geschaltet (dabei erhöht sich die Spannung, die Stromstärke aber nicht). Man spricht dann von einem «Strang von Solarmodulen» oder auf englisch String. Ein String-Wechselrichter stellt die optimalen Betriebsbedingungen (Maximum Power Point MPP) für den ganzen Strang ein. Verschiedene Hersteller wie Fronius oder SMA haben zwei oder drei MPPT in ihren Wechselrichtern integriert.
Dies ist z.B. sinnvoll, bei einer Ost-West-Belegung des Daches mit PV-Modulen. Die Einstrahlungsbedingungen auf Ost- und Westseite sind so unterschiedlich, dass der MPP für beide Seiten unterschiedlich ist und so separat eingestellt werden kann. Dies kann auch sinnvoll bei regelmässigen Teilverschattungen von einzelnen Modulen sein z.B. durch Schornsteine oder Lukarnen (Gauben). Andere Hersteller wie Solaredge Wechselrichter haben nur einen MPPT integriert, empfehlen in schwierigeren Beschattungssituationen aber zusätzliche separate Leistungsoptimierer.
Einphasen- oder Dreiphasen-String-Wechselrichter?
Die Frage ist zumeist von der Grösse der Solaranlage abhängig. Einphasen-Wechselrichter werden meist nur bei kleineren Solaranlagen bis 4,6 Kilowatt eingesetzt, Dreiphasen-Wechselrichter bei entsprechend grösseren Anlagen.
Modulwechselrichter (Microwechselrichter)
Modulwechselrichter sind wie der Name sagt einzelne Wechselrichter für jedes einzelne Modul. Die Leistung des Wechselrichters entspricht also ungefähr der Leistung der Module. Weil dies eher klein ist, wird auch oft der Name Microwechselrichter verwendet. Solche Wechselrichter können bei komplizierten Installationen mit vielfältigen unterschiedlichen Verschattungen sinnvoll sein. Wie Du an der Beschreibung erkennst, sind solche Situationen nicht so häufig, weshalb in den meisten Fällen String-Wechselrichter eingesetzt werden. Einer der bekannteren Hersteller von Modulwechselrichtern ist die Firma Enphase (die auch Speicherlösungen herstellt).
Eine spezielle und zunehmend populärer werdende Art von Wechselrichtern sind die Hybridwechselrichter, weshalb sie gesondert betrachtet werden.
Hybrid Wechselrichter
Hybrid Wechselrichter vereinen zwei Funktionalitäten in einem Wechselrichter. Sie können einerseits den von den Solarmodulen gelieferten Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln und sie können zweitens den von Batterien gelieferten Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln (das ist technisch nicht ganz das gleiche) sowie die Batterien mit dem Strom aus den Solarmodulen laden. Dies hat den grossen Vorteil, dass der Solarstrom ohne weitere Umwandlung (und den damit verbundenen Umwandlungsverlusten) direkt in der Batterie zwischen gespeichert werden kann. Zumeist werden solche Hybrid-Wechselrichter direkt zusammen mit Batterien angeboten. So empfiehlt Fronius für seine Hybrid-Wechselrichter speziell abgestimmte Solarbatterien von BYD.
Was passiert bei getrennten Solar- und Batterie-Wechselrichtern?
Bei getrennten Wechselrichtern wird zuerst der Gleichstrom aus den Solarpanelen in Wechselstrom umgewandelt, dann von einem Gleichrichter wieder in Gleichstrom zurückverwandelt, damit er in der Batterie gespeichert werden kann. Und zum Verbrauch muss der Gleichstrom aus der Batterie mit einem Wechselrichter wieder in Wechselstrom umgewandelt werden. Dieses hin und her hat höhere Umwandlungsverluste. Sinnvoll unf flexibel einsetzbar sind solche Systeme aber bei Nachrüstungen, da man so nicht den Solarwechselrichter auswechseln muss.
Wechselrichter: Worauf kommt es an (Vergleich Fronius Wechselrichter mit Solaredge Wechselrichter)
Und nun? Welchen Solar Wechselrichter soll man wählen? Zuerst einmal ist es in der Schweiz so, dass die unterschiedlichen Solar-Installateure jeweils einige wenige Marken (falls nicht sogar nur eine einzige) anbieten. Wenn man aber wählen kann, sollte man als erstes die Produkte von «guten» Herstellern wählen. Warum das und wie findet man diese?
Solar-Wechselrichter sind die am stärksten beanspruchten Bauteile der ganzen Solaranlage und haben meist die kürzeste Lebensdauer. Man sollte sich darauf einstellen, dass der Wechselrichter mindestens einmal während der Lebensdauer der PV-Module getauscht werden muss, weil er defekt ist. Gute Hersteller bieten die grösste Sicherheit (oft auch ausgedrückt durch die besten Garantiebedingungen), dass die Wechselrichter das tun, was sie sollen und darüber hinaus noch selten kaputt gehen.
Wie findet man solche guten Hersteller? Das PV Evolution Lab führt regelmässig Tests von Wechselrichtern (und auch Solarmodulen) durch. PVEL ist unabhängig von Geräteherstellern und veröffentlicht die Ergebnisse auf ihrer Internetseite. In Bezug auf Wechselrichter werden verschiedene Tests durchgeführt. Es wird kein Gesamtsieger gekürt sondern es werden pro Test die besten Hersteller vorgestellt.
In der letzten Ausgabe von 2019 wurden die folgenden Hersteller von Wechselrichtern ausgezeichnet: Delta (in 8 Kategorien), Fronius (3), Huawei (7), Schneider (5), SMA (3). Wenn man auf diese Hersteller zurück greift kann man eigentlich nicht viel falsch machen. Sie zeichnen sich durch hohe Wirkungsgrade, gute Garantiezeiten und -Bedingungen aus.
Wie teuer sind Wechselrichter?
String-Wechselrichter für Photovoltaik-Anlagen bis 10 kW kosten zwischen 1’000 und 2’000 Euro (die Preisangaben sind Schweizer Franken sind unsicherer, weshalb ich mich hier auf Angebote auf deutschen Online-Shops abstütze – dementsprechend in Euro). Beispielhaft möchte ich die Preise für den Fronius Symo 10.0-3 (10kW, 3-phasig, 2 MPPT integriert) und den Solaredge SE10K (10 kW, 3-phasig, nur ein MPPT integriert) anschauen. Im Februar 2022 habe ich den Fronius bei https://www.photovoltaik4all.de/ für ca. 1’900 Euro und den Solaredge bei https://shop.solar-pur.de/ für ca. 1’600 Euro gefunden. Hat man beim Solaredge eine schwierige Schattensituation, so kann man Leistungsoptimierer hinzukaufen. Diese kosten ca. 50 Euro pro Solarmodul, bei dem der Leistungsoptimierer eingesetzt wird.
Der Fronius kommt dabei mit einer Garantie von 7 Jahren, die (gegen Aufpreis) auf bis zu 20 Jahre verlängert werden kann. Beim Solaredge kann die normale 12-jährige Garantie auf sogar bis zu 25 Jahre verlängert werden. Dies kostet bei Solaredge ca. 560 Euro.