Bestandsaufnahme und Lösung der 50,2 Hertz Problematik

Stopp 50,2 Hz Problem (Grafik: BHKW-Infothek)Die Systemstabilitätsverordnung (SysStabV) sowie neue Anwendungsregeln für Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz (VDE-AR-N 4105) sind die lange ersehnten Antworten auf die 50,2 Hertz Problematik. Sie sollen dazu beitragen, die stetig wachsende Zahl von dezentralen Erzeugungsanlagen besser in das Verbundnetz zu integrieren und dadurch die Netzstabilität zu verbessern.

Hersteller von BHKW und Photovoltaikanlagen statten ihre Neuanlagen seit wenigen Monaten mit entsprechend den neuen Normen parametrierten Einrichtungen zur Netzüberwachung mit zugeordneten Schaltorganen (ENS) und Wechselrichtern aus. Bestandsanlagen aus dem PV-Sektor müssen nachgerüstet werden, stromerzeugende Heizungen hingegen nicht. Blockheizkraftwerke haben an ihrem Einbauort Bestandsschutz und werden von der SysStabV nicht erfasst.

Doch wie gestaltet sich die Situation, wenn ein BHKW seinen Bestandsschutz verliert? Wie kann eine ENS, die nicht VDE-konform ist, nachgerüstet werden? Wie läuft die Nachrüstung von PV-Anlagen genau ab? Und welche technische Lösung haben sich Hersteller für ihre Neuanlagen einfallen lassen? Mit SenerTec und Vaillant haben wir hierzu gesprochen.

Rückblick: Was ist die 50,2 Hertz Problematik?
Das europäische Verbundnetz hat eine einheitliche Netzfrequenz von 50 Hz. Da Strom in Verbundnetzen kaum gespeichert, sondern nur verteilt werden kann, muss für eine konstante Netzfrequenz zu jeder Zeit so viel Energie abgenommen werden, wie zeitgleich in das Netz eingespeist wird – oder anders gesagt, es muss die gleiche Menge Energie eingespeist werden, wie die Verbraucher im selben Moment benötigen.

Wenn zu viel oder zu wenig elektrische Leistung dem Netz zugeführt wird, ändert sich die Netzfrequenz. Bei einem Unterangebot sinkt sie unter 50 Hz, bei einem Überangebot an elektrischer Leistung steigt die Netzfrequenz. Tolerierbare Abweichungen bewegen sich im europäischen Verbundnetz in einem Rahmen unter +/- 0,2 Hz, wobei bereits bei einer Abweichung von nur 0,02 Hz von den Übertragungsnetzbetreibern versucht wird durch regelbare Kraftwerke der Abweichung entgegen zu wirken.

Erreicht die Netzfrequenz durch ein Überangebot an Strom einen Wert von über 50,2 Hz, so wurden in der Vergangenheit kleine Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz wie Photovoltaik- und KWK-Anlagen automatisch vom Netz genommen, um einen Kollaps des Netzes zu verhindern. BHKW und PV-Anlagen waren hierfür mit einer ENS nach der VDE-Norm 0126-1-1 ausgestattet, die die Anlage bei entsprechenden Frequenzschwankungen per Schnellabschaltung stoppt und vom Netz trennt.

Vom Problem zur Lösung
Aus der 50,2 Hertz Abschaltung konnte nur ein Problem werden, weil die entsprechende VDE-Norm nicht rechtzeitig angepasst wurde. Erst im April 2011 wurden für Neuanlagen die überfälligen Änderungen beschlossen und die alte VDE-Norm 0126-1-1 durch die neue Niederspannungsrichtlinie VDE-AR-N 4105 zu den technischen Mindestanforderungen für Anschluss und Parallelbetrieb von Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz ersetzt.

Neu zu bauende Photovoltaikanlagen müssen die neuen Vorgaben seit dem 01.01.2012 erfüllen, KWK-Anlagen seit dem 01.07.2012. Als zweiter Schritt trat zum 26.07.2012 die Systemstabilitätsverordnung in Kraft, die eine Nachrüstung von insgesamt rund 300.000 bestehenden PV-Anlagen vorsieht.

Bestehende KWK-Anlagen sind von der Nachrüstungspflicht bisher nicht betroffen. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie hat hierzu im Februar 2012 einen Forschungsauftrag ausgeschrieben, der u.a. für KWK-Anlagen Umrüstungsbedarf und Umrüstungsempfehlungen erarbeiten soll. Die Branche geht jedoch davon aus, dass bestehende KWK-Anlagen am Niederspannungsnetz weiterhin von der Nachrüstpflicht befreit bleiben und Bestandschutz genießen, da ihre Zahl weitaus geringer ist im Vergleich zu PV-Anlagen und BHKW zeitlich weitaus heterogener einspeisen.

Technische Lösungen für Neuanlagen
Mit der neuen Anwendungsregel VDE-AR-N 4105 wurde die untere Abschaltfrequenz auf 47,5 Hz und obere Abschaltfrequenz auf 51,5 Hz geändert. Der alte Wert von 50,2 Hz markiert ab sofort die Grenze, ab der Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz ihre Einspeiseleistung schrittweise reduzieren müssen. Wird eine Anlage abgeschaltet, so sieht die neue VDE-Anwendungsregel eine Mindestwartezeit von 60 Sekunden vor, um im Falle eines großflächigen Netzausfalls zu verhindern, dass alle Anlagen auf einen Schlag einspeisen und sich die Einspeiseleistung stattdessen langsam wieder erhöht.

Vaillant setzt bei den größeren ecoPOWER BHKW auf das Prinzip der Lastrampe. Bis 50,2 Hz speisen alle BHKW weiterhin mit der vollen Leistung ein. Ab 50,2 Hz reduzieren die Anlagen schrittweise ihre Einspeiseleistung und schalten erst bei 51,5 Hz komplett ab. Ausgenommen von diesem Prinzip ist das neue ecoPOWER 1.0, welches eine randomisierte Abschaltung zwischen 50,2 und 51,5 Hz verwendet, so dass sich die Abschaltung der Anlagen auf einen größeren Frequenzbereich verteilt. Die VDE-AR-N 4105 Konformität aller Vaillant BHKW ist vom TÜV Nord sowie dem Büro Veritas zertifiztiert worden.

SenerTec liefert seinen Dachs HKA mit der aktuellen 32-Bit MSR2-Regelung seit Juni 2012 ebenfalls mit einer randomisierten Abschaltung innerhalb eines Frequenzbereichs von 50,2 und 51,5 Hz aus, um die Anforderungen der VDE-AR-N 4105 zu erfüllen. Die Konformität wurde vom TÜV Süd bestätigt. Der MSR2-Regler produziert mit einem Zufallsgenerator immer, wenn die Anlage neu startet, einen neuen Wert der oberen Abschaltfrequenz zwischen 50,2 und 51,5 Hz. Ist die Anlage 24 Stunden in Betrieb, dann erfolgt in der Nacht zwischen 1:00 Uhr und 5:00 Uhr eine automatische Abschaltung für einen Selbstest der Sicherheitseinrichtungen, womit jeden Tag eine neue Abschaltgrenze generiert wird.

Wird eine Netzfrequenz von 50,2 Hz erreicht, dann fährt eine nachgerüstete Dachs HKA ihre Einspeiseleistung bis zur variablen Frequenzabschaltgrenze zurück und schaltet beim Erreichen des per Randomisierung gesetzten Werts vollständig ab. Die variable Abschaltfrequenz ist gleichmäßig über alle Neuanlagen verteilt, so dass alle Dachse bei Überfrequenz ihre Einspeiseleistung stetig reduzieren und die Masse gleichzeitig abschaltender Anlagen diversifiziert wird. Für den Fall, dass ein Dachs abgeschaltet wurde, ist im MSR2-Regler ein weiterer Zufallsgenerator integriert, der zusätzlich zu den 60 Sekunden Wartezeit eine weitere Verzögerung zwischen 0 und 540 Sekunden erzeugt.

Nachrüstung von BHKW-Bestandsanlagen
Verlässt ein BHKW seinen ursprünglichen Einbauort, um es beispielsweise nach Auslaufen der 10-jährigen Förderungen an einem neuen Standort zu installieren, verliert es seinen Bestandsschutz. In diesem Fall muss das BHKW die aktuell gültigen Normen und Richtlinien aus der VDE-AR-N 4105 einhalten. Wird ein BHKW lediglich bis zu einer Leistung < 30 kVA erweitert, so bleibt der Bestandsschutz der Anlage(n), die vor dem 01.07.2012 installiert wurden, bestehen. Denn die neue Anwendungsregel der VDE-AR-N 4105 unterscheidet zwischen einzelnen Erzeugungseinheiten und einer Erzeugungsanlage, die aus mehreren Einzel-BHKW an einem Netzanschlusspunkt besteht, sofern diese mit dem gleichen Primärenergieträger arbeiten. [caption id="attachment_5318" align="alignleft" width="165"]ecoPOWER 4.7 Steuerschrank (Bild: Vaillant) ecoPOWER 4.7 Steuerung
(Bild: Vaillant)[/caption]SenerTec bietet seinen Kunden, die einen Dachs mit MSR1-Regler bzw. MSR2-Regler mit Auslieferung vor Mai 2012 besitzen, in diesem Fall eine Umrüstung auf einen MSR2-Regler an, der entsprechend VDE-AR-N 4105 konform ist und gemäß VDE Prüfnorm 0124-100 geprüft wurde. Hierbei wird die komplette ENS-Einheit ausgetauscht und neue Kabelbäume verlegt. Die Kosten betragen insgesamt rund 2.500 Euro für den Anlagenbetreiber. Die Umrüstung, die nur von SenerTec Fachpersonal durchgeführt werden darf, bietet das Unternehmen auch im Rahmen seiner Modernisierungspakete an, über die wir kürzlich berichteten. Alternativ zu einer kostenintensiven vollständigen neuen Steuerung von SenerTec sollten betroffene Dachs-Betreiber auch eine kostengünstige Nachrüstung mit einer separaten ENS in Betracht ziehen. Anbieter wie BISI und UfE bieten passende Produkte, die kombiniert mit Leistungsschützen die VDE-AR-N 4105 erfüllen.

Bestehende ecoPOWER Mikro-BHKW von Vaillant können mit einem einfachen Softwareupdate für die neuen Anforderungen der VDE-AR-N 4105 fit gemacht werden. Der Arbeitsaufwand von nur 15 bis 30 Minuten sorgt für geringe Modernisierungskosten. Beim ecoPOWER 20.0 (ehem. PowerTherm) muss jedoch der analoge Wechselrichter gegen einen neuen digitalen Wechselrichter ausgetauscht werden, was zu nicht unerheblichen Kosten führt. Alle umgerüsteten Anlagen erhalten von Vaillant einen speziellen „R1“-Aufkleber, an dem zu erkennen ist, dass die Anlage mit der VDE-AR-N 4105 konform ist.

Nachrüstung von PV-Bestandsanlagen
Photovoltaikanlagen trifft aufgrund der Systemstabilitätsverordnung im Gegensatz zu Blockheizkraftwerken eine allgemeine Nachrüstpflicht ohne Bestandsschutz. Rund 1.000.000 Wechselrichter an ca. 300.000 Photovoltaikanlagen müssen innerhalb der nächsten drei Jahre ein Softwareupdate erhalten oder teilweise durch den Austausch von Baugruppen aufgerüstet werden. Der Lösungsansatz ist ähnlich wie bei VDE-AR-N 4105 konformen Neugeräten: entweder werden die Wechselrichter auf eine stufenweise Drosselung der Einspeiseleistung programmiert, oder sie erhalten eine randomisierte Abschaltfrequenz zugewiesen. Betroffen sind grundsätzlich alle Wechselrichter folgender Anlagen:

  • PV-Anlagen am Niederspannungsnetz mit einer Nennleistung zwischen 10 und 100 kWp, die zwischen dem 31.08.2005 und 01.01.2012 in Betrieb genommen wurden
  • PV-Anlagen am Niederspannungsnetz mit einer Nennleistung ab 100 kWp, die zwischen dem 30.04.2001 und dem 01.01.2012 in Betrieb genommen wurden
  • PV-Anlagen am Mittelspannungsnetz ab 30 kWp Nennleistung mit Inbetriebnahme zwischen dem 30.04.2001 und 01.01.2009

Gestartet wurde die bundesweite Nachrüstung im September. Seither erhalten Anlagenbetreiber betroffener PV-Anlagen nach und nach ein Schreiben ihres Verteilnetzbetreibers inklusive Fragebogen, der binnen vier Wochen zurückgeschickt werden muss. Anlagenbetreiber sind hierzu verpflichtet, auch wenn die eigenen Wechselrichter in der freiwilligen Übergangsphase seit April 2011 bereits umgerüstet wurden. In diesem Fall muss eine Konformitätserklärung für den Wechselrichter eingereicht werden. Wer auf das erhaltene Schreiben nicht antwortet, kann seinen Anspruch auf Einspeisevergütung verlieren. Jedoch müssen Anlagenbetreiber von selbst nichts unternehmen, sie werden in jedem Fall angeschrieben.

Die Umrüstung selbst ist für PV-Anlagenbetreiber kostenfrei. Die Kosten von geschätzten 190 Millionen Euro werden je zur Hälfte auf die EEG-Umlage sowie die Netzentgelte gewälzt. Ertragsausfälle, die während den Wartungsarbeiten entstehen können, werden nicht kompensiert. Zusatzkosten können jedoch entstehen, wenn Anlagenbetreiber einen eigenen Installateur für die Wartungsarbeiten beauftragen wollen. Dies kann unter Umständen sinnvoll sein, falls Garantieansprüche durch Fremdpersonal verloren gehen. Grundsätzlich setzen Netzbetreiber im Rahmen der Umrüstung selbst gewählte Unternehmen ein.

Ein Artikel von Christian Märtel, Redaktionsleiter der Deutschen Auftragsagentur (DAA) und Louis-F. Stahl, Chefredakteur der BHKW-Infothek. Die DAA ist spezialisiert auf die Vermittlung energetischer Neubau- und Sanierungsprojekte zwischen Bauherren und dem Handwerk. Bei Interesse an einem BHKW oder einer Photovoltaikanlage erhalten Bauherren von der DAA kostenfrei bis zu fünf Kostenvoranschläge von geprüften Fachbetrieben aus der Region. Handwerksbetriebe gelangen über die DAA schnell und kostengünstig an potenzielle Aufträge.

 

6 Responses to Bestandsaufnahme und Lösung der 50,2 Hertz Problematik

  1. Michael72 sagt:

    Gut zusammengefasst. Danke!

  2. Kraftwerker sagt:

    Eine Nachrüstungspflicht für BHKW wäre auch unsinnig. Kleine BHKW sind nicht wie die PV immer zeitgleich in Betrieb und kleine BHKW haben nicht die kritische Masse, die das Problem bei der PV ist! Bei der PV ist die Nachrüstung wichtig. Bezahlen sollten das aber die Energiekonzerne, die falsche Regeln aufgestellten und nicht ohne schuldhaftes Zögern änderten. Aber auf den Stromkunden kann man es am bequemsten umlegen 🙁

    • Gunnar Kaestle sagt:

      BHKWs haben auch einen Gleichzeitigkeitsfaktor, der von der Außentemperatur bestimmt wird. Die Nachrüstung von Windkraftanlagen und BHKWs am Mittelspannungsnetz wird wahrscheinlich im kommenden Jahr ebenfalls angegangen.

      Die alte Mittelspannungsrichtline vor 2009 hatte vorgeschreiben, dass bei Unterfrequenz (49,5 Hz) abzuschalten ist. Das ist doppelt doof, weil bei Unterfrequenz sowie Leistung fehlt und außerhalb des Intervalls von 49,8-50,2 Hz die frequenzstützende Primärregelung schon am Anschlag steht.

  3. Ewald sagt:

    Eine schwierige Thematik sehr schön auf den Punkt getracht!

  4. LBJ sagt:

    Hallo zusammen, erstmal danke für den Artikel! Was ich noch nicht ganz verstehe: Wenn die BHKW jetzt schon immer häufiger standardmäßig mit einer Regelung versehen werden, warum kann man dann nicht am Regelenergiemarkt Geld damit verdienen? Bietet sich doch an, oder? Dann kann man sich doch die Kosten für die Integration in virtuelle Kraftwerke wie von Next sparen, oder sind die Anlagen zu klein dafür? Eigentlich sollte man doch Geld dafür bekommen, wenn man abgeschaltet wird, auch wenn es für die Netzstabilität gut ist! Kriegen die Großen ja auch…

    • nixundnul sagt:

      Schöne Worte. Ich habe mir eine Lastregelung bezüglich des hausinternen E Bedarfs selbst gebastelt, werksseitig ist nichts verwendbares vohanden. Es wird nur thermisch und nach Uhr geregelt.
      Der Anreiz zur Regelung auf die Netzlast ist gering. Wenn ich 5ct Vergütung bekomme, und das Gas mehr als 5ct/kWh kostet, dann kann ich doch den übrigen Strom auch verheizen, oder? Die 4 Netzbetreiber unterstützen Technologien sowieso nur, wenn sie selbst Macht darüber ausüben. Alle anderen bekommen Knüppel zwischen die Beine.

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