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.

Abbildung 1: Typischer Anschluss der Verbraucher im EFH an das Grid.

Der Neutralleiter und die Abgangssicherungen sind hier nicht eingezeichnet.

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.

Abbildung 2: 1-phasige Versorgung der Verbraucher im EFH.

Die 3-phasigen Verbraucher (Pool und Heizung) sind hier nicht mehr eingezeichnet.

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.

Abbildung 3: Enekie-Box im EFH

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.

Abbildung 4: Die gesamte benötigte Leistung wird vom Wechselrichter
und von der Grid­phase L₃ geliefert.

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.

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.

Abbildung 5: Die Verbraucherphasenleiter L3 werden über den Wechselrichter versorgt.
Die Verbraucherphasenleiter L₁ und L₂ werden direkt vom Grid 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.

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.

Abbildung 6: Die Lastphasenleiter L₃ werden über den Wechsel­richter ver­sorgt und
die Last­phasen­leiter L₁ und L₂ werden bei Über­last abge­schaltet.

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.

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.

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.

Abbildung 7: Die Stromquelle in Abhängigkeit vom Leistungsbedarf,
wenn das Grid verfügbar ist.

© 2016..2019 - Dr. Manfred Siegl