Enekie - Energie Autarkie |
Dieses Dokument beschreibt die Funktion der Enekie-Box. Diese dient im Einfamilienhaus (EFH) zur Einbindung eines Energiespeichersystems in die elektrische Installation. Die Enekie-Box wird zwischen den Zählerabgang (Grid) und dem E-Verteiler mit den nachgeschalteten Verbrauchern geschaltet. Das Energiespeichersystem (Batterie und Wechselrichter) sowie eine PV-Anlage (optional) sind direkt an die Enekie-Box angeschlossen. Die Verbraucher werden durch die Enekie-Box 1-phasig versorgt. Dadurch ist kein 3-phasiger Wechselrichter erforderlich. Zudem verhindert eine automatische Umschaltung von Teilen der Verbraucher bei Überlast eine Gesamtabschaltung des Wechselrichters. Durch die Enekie-Box wird eine kosteneffiziente Versorgung von Verbrauchern eines EFH erreicht. Mit Batterien und einem Wechselrichter ist eine Versorgung auch bei Ausfall des Energieversorgungsunternehmens (EVU) bzw. des Grid (Stromnetz des Energieversorgers) gewährleistet. Durch eine Photovoltaik-Anlage kann der damit erzeugte Strom die Verbraucher unabhängig vom EVU bzw. Grid versorgen. |
Allgemeines |
Der Stromzähler ist die Schnittstelle zwischen dem Grid (Stromnetz des Energieversorgers) und den elektrischen Verbrauchern (Last) im Einfamilienhaus (EFH). Üblicherweise liefert das Grid einen 3-phasigen Drehstrom. Die Phasen werden mit L1, L2 und L3 bezeichnet.
Die maximale Belastbarkeit jeder Phase ist typischeweise 35 Ampere. Wird ein größerer Strom bezogen, so unterbricht eine Sicherung vor dem Stromzähler den Stromfluss. Gesamt können Verbraucher mit 35×400×√3=24 kW versorgt werden. Über eine Phase kann maximal 35×230=8 kW Leistung abgegeben werden.
In einem EFH gibt es, von wenigen Ausnahmen abgesehen, nur 1-phasige Verbraucher. Dabei handelt es sich um Lasten, die nur eine Phase und den Neutralleiter benötigen. Dazu gehören alle Geräte, die an eine Schuko-Steckdose angesteckt werden, alle Leuchten, die Waschmaschiene, der Geschirrspüler, u.v.a. Selbst der E-Herd kann 1-phasig betrieben werden.
Beispiele für 3-phasige Lasten im EFH sind eine Wärmepumpe oder die Gegenstromanlage des Swimmingpools.
Die Enekie-Box ist für 1-phasige Verbraucher ausgelegt. Für 3-phasige Verbraucher ist sie nicht geeignet; diese müssen direkt an das Grid angeschlossen werden. Beim Ausfall des Grids werden diese 3-phasigen Verbraucher nicht mehr versorgt.
Aus Sicht von 1-phasigen Lasten können die drei Phasenleiter (L1, L2 und L3) grundsätzlich parallel geschaltet werden. In fast allen Fällen, liegt der Gesamtverbrauch eines EFH unter 8 kW. Somit können die Phasenleiter zusammengeschaltet werden.
Funktion |
Mit der Enekie-Box werden die folgende beiden Ziele erreicht.
(1) Gridausfall: Einerseits wird bei Ausfall des Grid, eine begrenzte Zeit lang, eine Versorgung der Verbraucher aufrecht erhalten. Das wird über einen Wechselrichter samt Batterieanlage erreicht. Die Batterien können über PV-Module geladen werden. Ein beliebter Ansatz ist, die Dunkelzeit (zwischen Abend und Morgen), zu überbrücken. Der Wechselrichter und die Batterieanlage sind entsprechend zu dimensionieren.
(2) Eigenverbrauch: Andererseits soll über PV-Module erzeugte elektrische Energie gespeichert und vor Ort selbst verbraucht werden. Eine Einspeisung in das Grid erfolgt nicht. Die Dimensionierung der PV-Module sowie die Kapazität der Batterieanlage sind auf den Verbrauch im EFH abzustimmen.
Diese beiden Ziele sind nicht zugleich in vollem Umfang erreichbar. Wenn die Energie, aus den PV-Module, in den Batterien im EFH verbraucht wird, so wird dadurch die Versorgungszeit bei einem Ausfall des Grids reduziert. Es ist ein Kompromiss zu finden, mit dem beide Ziele ausreichend erreicht werden. Durch die passende Konfiguration des Wechselrichters ist das Verhalten der Anlage einzustellen.
Die Enekie-Box wird zwischen den Stromzähler und den Verbrauchern geschaltet. Der Wechselrichter mit Batterieanlage ist ebenfalls an die Enekie-Box angeschlossen. Durch die Enekie-Box wird die Zusammenschaltung der Verbraucher im EFH mit dem Wechselrichter und dem Grid realisiert.
Betriebsfälle |
Generell wird zwischen mehreren Betriebsfällen unterschieden. Diese werden nachfolgend dargestellt. Zur Erklärung der Betriebsfälle wird angenommen, dass ein 1-phasiger Wechselrichter mit einer Maximalleistung von 3 kW eingesetzt ist.
Betriebsfall A - Grid ist OK, weniger als 7,6 kW Leistungsbedarf |
Steigt nun der Leistungsbedarf der Last über die maximale Leistung des Wechselrichters an, so wird der fehlende Leistungsanteil von einer Phase des Grid bezogen. Der Wechselrichter liefert seine Maximalleistung von 3 kW und das Grid liefert den benötigten Rest.
Dies ist bis zu einer maximalen Leistung von 3 kW + 4,6 kW = 7,6 kW möglich.
Wenn die Energie in der Batterieanlage zu Ende geht, so wird keine Energie aus der Batterie liefert, sondern der gesamte Strom aus dem Grid bezogen. Liegt dann die Belastung über 4,6 kW, so wird automatisch in den Betriebsfall B gewechselt.
Betriebsfall B –- Grid ist OK, mehr als 7,6 kW Leistungsbedarf |
Ausgehend vom Betriebsfall A wird hier angenommen, dass die Verbraucher mehr als 7,6 kW (Batterien liefern Leistung) bzw. 4,6 kW (Batterien sind leer) Leistung benötigen. Somit ist die gesamte benötigte Leistung nicht mehr über einen (1) Phasenleiter transportierbar. Es muss auf eine 3-phasige Versorgung umgeschaltet werden.
Diese Umschaltung erfolgt automatisch, sobald mehr als 20 A Strom über den Phasenleiter L3 zur Last fließt. So lange das Grid Strom liefert, wird das EFH 3-phasig versorgt.
In diesem Fall liefert der Wechselrichter wieder den benötigten Strom, allerdings nur noch für die Verbraucher am Phasenleiter L3. Die Ausgangsspannung des Wechselrichters ist mit der Phase L3 des Grids synchronisiert.
Das Rücksetzten auf 1-phasige Versorgung erfolgt manuell.
Betriebsfall C - Grid ist ausgefallen |
Wenn das Grid ausgefallen ist und somit keinen Strom mehr liefert, dann bleibt alleine die Batterie und der Wechselricher als Energiequelle. So lange die gesamte Last aller Verbraucher im EFH unter der Maximalleistung des Wechselrichters bleibt und genügend Energie in der Batterieanlage vorrätig ist, werden alle Verbraucher im EFH versorgt. Die Anlage arbeitet jetzt im Inselbetrieb; da das Grid nicht mehr zur Verfügung steht, kann die Wechselrichterspannung nicht synchronisiert werden.
Wenn der Leistungsbedarf der Verbraucher über die Maximalleistung des Wechselrichters hinaus geht, dann können nicht mehr alle Verbraucher versorgt werden; der Wechselrichter muss sich selbst schützen und komplett abschalten. Bevor das passiert, werden die Phasenleiter L1 und L2 von L3 automatisch getrennt. Die Verbraucher, die auf den Phasenleitern L1 und L2 angeschlossen sind, werden nun nicht mehr versorgt; jene, die an L3 angeschlossen sind, werden weiter versorgt.
Dadurch wird verhindert, dass sich der Wechselrichter wegen Überlastung komplett abschaltet und so gar kein Verbraucher mehr versorgt wird. Die Verbraucher an der Phasenleitung L3 sind somit bevorzugt. Hier sollten der Kühlschrank, die Tiefkühltruhe, einige Leuchten und die Heizungsumwälzpumpe sowie ein Radio angeschlossen werden.
Nachdem die Verbraucher an den Phasenleitungen L1 und L2 abgeschaltet worden sind, wird über ein manuelles Rücksetzen L1 und L2 wieder mit L3 verbunden und so zum Betriebsfall A bzw. B zurückgeschaltet.
Zusammenfassung der Betriebsfälle |
Im Normalfall werden alle Phasenleiter zu den Verbrauchern vom Wechselrichter und der Gridphase L3 versorgt.
Wird mehr Leistung benötigt, so werden automatisch die Lastphasen L1 und L2 auf die Gridphasen L1 und L2 umgeschaltet. Die Rückschaltung erfolgt durch die manuelle Betätigung der Rückstelltaste.
Grid OK | Grid ausgefallen | |
---|---|---|
Last < 3 kW | Wechselrichter: L1 + L2 + L3 | Wechselrichter: L1 + L2 + L3 |
Last < 7,6 kW | WR + Grid L3: L1 + L2 + L3 | Wechselrichter: L1 |
Last > 7,6 kW | WR + Grid L3: L3 Grid L1: L1 Grid L2: L2 | Wechselrichter: L1 |
Wenn das Grid ausfällt, dann steht nur noch die Leistung des Wechselrichters zur Verfügung. Bei steigenden Leistungsbedarf über die Maximalleistung des Wechselrichters hinaus (>3 kW), werden die Lastphasen L1 und L2 abgeschaltet. Die Verbraucher an der Lastphase L3 werden weiter durch den Wechselrichter versorgt.
© 2016..2019 - Dr. Manfred Siegl
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