Wechselrichter: Gleichstrom in Wechselstrom

Wechselrichter: Funktionsweise, Arten und Kosten

Der Wechselrichter gehört zu einem der zentralen Elemente einer Solaranlage. Denn ohne Wechselrichter kann erzeugter Strom nicht verwendet werden, da das gesamte Stromnetz auf Wechselstrom basiert. Mit dem Inverter, wie er auch bezeichnet wird, entsteht Gleichstrom zu Wechselstrom. Erst dann ist dieser im Haus verwendbar. In diesem Beitrag erhalten Sie Informationen zu verschiedenen Arten von Wechselrichtern, den Funktionen, Herstellern und Kosten beim Kauf einer Solaranlage.

Schnelle Informationen

Wechselrichter sind bei der Nutzung einer PV-Anlage zwingend notwendig. Er wandelt Gleich- in Wechselstrom um und macht den erzeugten Strom im Haushalt nutzbar. Die synchrone Einspeisung von Strom erfolgt bei einer Frequenz von 50 Hz.

Wechselrichter und Solarmodule müssen aufeinander abgestimmt sein. Umwandler verfügen über einen Spannungsrückgangsschutz, der einen Ausfall der PV-Anlage verhindert.

Der Wirkungsgrad eines Wechselrichters hat maßgeblichen Teil an der Stromausbeute und sollte daher so hoch wie möglich sein. Teil des Umwandlers ist das MPP-Tracking, das wiederum den maximalen Leistungspunkt definiert. In modernen Wechselrichtern ist der MPP-Tracker bereits integriert.

Der Anschaffungspreis basiert auf Größe und Leistung des jeweiligen Wechselrichters. Durchschnittlich sind pro kW Wechselrichterleistung 250 € veranschlagt. Je größer der Wechselrichter umso niedriger der Preis pro kW.

Die durchschnittliche Lebensdauer eines Wechselrichters beträgt zwischen 14 – 16 Jahren. Ein Austausch sollte innerhalb der 20-jährigen Laufzeit eingeplant und vom Zeitpunkt der Inbetriebnahme Rücklagen gebildet werden.

Der Inhalt im Überblick

1. Grundlegende Informationen zum Wechselrichter
2. Aufgaben des Wechselrichters im Überblick
3. Die Funktionsweise des Wechselrichters
4. Wechselrichter und Module aufeinander abstimmen
5. Wirkungsgrad des Wechselrichter entscheidet über Stromausbeute
6. Der europäische Wirkungsgrad von Wechselrichtern
7. Was sagt der Wirkungsgrad aus?
8. Das Maximum Power Point Tracking
9. Kosten des Wechselrichters
10. Lebensdauer und Garantiezeit eines Wechselrichters
11. Aufstellort und richtige Installation des Wechselrichters
12. Lautstärke eines Wechselrichters
13. Hersteller von Wechselrichtern
14. Unterschiedliche Arten von Wechselrichtern
    14.1. Zentralwechselrichter
    14.2. String Wechselrichter
    14.3. Inselwechselrichter
    14.4. Modulwechselrichter
    14.5. Hybridwechselrichter
    14.6. Batteriewechselrichter
    15. Fazit

Grundlegende Informationen zum Wechselrichter

Ohne Wechselrichter können Gebäude nicht mit Strom versorgt werden, denn die Solarmodule erzeugen im ersten Schritt Gleichstrom. Damit dieser nutzbar wird, muss er zu Wechselstrom umgewandelt werden. Deshalb gehören Wechselrichter immer zu einer PV-Anlage. Ohne Wechselrichter kann eine Solaranlage nicht betrieben werden.

Bei der Einspeisung wird die erzeugte Energie vom Wechselrichter mit einer 50 Hz Netzfrequenz synchron in das öffentliche Stromnetz eingespeist oder im Haus verbraucht. Optimiert werden diese Erträge durch den MPP-Tracker, der einen Wirkungsgrad von ca. 98 % erzeugt.

Darüber hinaus übernehmen diese sogenannten Inverter auch andere Funktionen wie das maximale Power Point Tracking. Doch damit sind wir bereits mitten im Thema, denn auch hier unterscheiden sich Arten und Funktionen. Ein hoher Wirkungsgrad mit der eigenen Photovoltaikanlage hängt deshalb auch von der Auswahl der Geräte ab.

Inverter für Photovoltaik Freilandanlage

Aufgaben des Wechselrichters im Überblick

Die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom.
Die synchrone Einspeisung von Strom bei einer Netzfrequenz von 50 Hz.
Die Netzüberwachung und Regelung bei problematischen Frequenzen oder einer Netzimpedanz.
Die Fehlerstromüberwachung der gesamten Solaranlage.
Das MPP-Tracking, also das Ermitteln optimaler Leistungspunkte
Die Freischaltung von Solarstrom über die DC-Trennvorrichtung
Konsequente Verarbeitung und Versorgung aller Leistungsdaten einer PV-Anlage. Diese Verarbeitung erfolgt über den Display des Wechselrichters oder externe Überwachungsprogramme.

Die Funktionsweise des Wechselrichters

Solarmodule nehmen Sonnenenergie auf und produzieren damit Gleichstrom. Man spricht von „direct current“ bzw. der DC-Nennleistung. Damit dieser Strom im Haus genutzt oder in das Stromnetz eingespeist werden kann, ist ein Spannungswandler notwendig, der dafür sorgt, dass der erzeugte Strom angewendet werden kann. Aus dem direct current wird damit alternativ current – AC Wechselstrom. Im Alltag wird dieser auch als 3-phasiger Wechselstrom oder Drehstrom bezeichnet, wobei der Begriff „Drehstrom“ eher umgangssprachlich zu bewerten ist. Fachleute oder Elektriker sprechen immer von Wechselstrom.

Beeindruckend ist, dass Steuerung und Transformation des Stroms innerhalb eines Bruchteil von einer Sekunde umgesetzt wird. Ist das Gebäude mit dem öffentlichen Netz zur Einspeisung verbunden, wird der Strom bei einer Ausgangsspannung von 230 Volt in das Netz eingespeist.

Wechselrichter und Module aufeinander abstimmen

Die auf dem Markt befindlichen Wechselrichter unterscheiden sich in Funktion und Nennleistung. Somit hat jeder Wechselrichter einen eigenen Leistungsbereich. Von Belang sind die Nennleistungen von AC und DC hinsichtlich der Funktionsweise. Anzahl und Leistung der Solarmodule bestimmen die Leistungsstärke des Wechselrichters und somit auch die Gesamtleistung der PV-Anlage.
Bei einer maximalen DC-Nennleistung von 4 kW, sollten auch die geplanten Solarmodule einen solchen Wert nicht überschreiten. Beträgt die Gesamtleistung der Module 200 Watt Peak, dann werden maximal 20 Module an den Spannungswandler 4 kW angeschlossen.

Zur Auswahl stehen Modulwechselrichter, Zentralwechselrichter und Strangwechselrichter, die dem jeweiligen Leistungsbereich angepasst werden. Eine fachkundige Beratung eines Solarexperten bzw. Energieberater kann sehr hilfreich sein, denn schließlich sollen alle PV-Komponenten optimal aufeinander abgestimmt sein. Ein weiterer Hinweis ist die Normung nach IEC 77, die über einen Spannungsrückgangsschutz verfügt und verhindert, dass eine PV-Anlage ausfällt.

Wirkungsgrad des Wechselrichters entscheidet über Stromausbeute

Mit der Funktion Gleich- in Wechselstrom umzuwandeln, ist der Wechselrichter das Herzstück einer PV-Anlage. Dabei gilt es zu beachten, dass umso höher der Wirkungsgrad des Spannungswechslers ist, umso mehr Strom kann genutzt bzw. eingespeist oder gespeichert werden (abhängig von der Dimensionierung des Stromspeichers). Unterschieden wird im Allgemeinen zwischen dem Spitzenwirkungsgrad und dem europäischen Gesamtwirkungsgrad. Diese Faktoren geben die jeweilige Leistungsstärke an. Der Spitzenwirkungsgrad muss nicht zwingend dem europäischen Wirkungsgrad entsprechen, da dieser Faktor den Wirkungsgrad unter optimalen Bedingungen anzeigt, die nicht zwingend mit den Bedingungen in Deutschland übereinstimmen müssen.

Merke: Der Wirkungsgrad eines Wechselrichters sollte immer so hoch wie möglich sein.

Der europäische Wirkungsgrad von Wechselrichtern

Auf der Suche nach Informationen über Wechselrichter werden Sie über einen Begriff stolpern: Der europäische Wirkungsgrad. Warum wird der Wirkungsgrad als „europäisch“ beschrieben? Aus Tests in Standardbedingungen stellte man fest, dass der Wirkungsgrad geographisch begrenzt und definiert werden sollte. Schliesslich herrschen in Deutschland andere Wetterbedingungen als in Marokko oder Asien. Es ist also nicht möglich, internationale Standards zu erforschen, wenn sich die Sonnenintensität dramatisch unterscheidet. Deshalb nutzt man zur Berechnung der durchschnittlichen Wechselrichterleistung den europäischen Wirkungsgrad, da dieser für den deutschen Raum repräsentativer sei. Allerdings wird dabei nicht definiert, von welcher Eingangsspannung ausgegangen werden muss.

Bei der Beobachtung werden Verbraucher feststellen, dass der Wirkungsgrad von Wechselrichtern zum Teil gravierende Unterschiede aufweisen. Schon deshalb ist es von zentraler Bedeutung, den richtigen Spannungswandler für die Solaranlage herauszufiltern. Denn sie hat einen maßgeblichen Teil an der Effizienz der Solarmodule auf dem Dach und somit auch dem gesamtwirtschaftlichen Effekt der Photovoltaikanlage.

Anders herum gesprochen: Ist der Wechselrichter nicht optimal aufgrund seiner Funktionsweise ausgewählt, kann es zu Einbußen des Stromertrages kommen, was sich auf den Eigenverbrauch aber auch auf die Höhe der Einspeisevergütung auswirken kann. Da wir hier von einer Laufzeit von 20 Jahren sprechen, können falsche Entscheidungen also die Wirtschaftlichkeit einer Solaranlage stark beeinflussen.

Was sagt der Wirkungsgrad aus?

Der Wirkungsgrad des Wechselrichters zeigt an, wieviel des erzeugten Stroms nach der Umwandlung in Wechselstrom verwendet werden kann. Bei einer Eingangsleistung von 4 kW werden 3,880 kW Ausgangsleistung angezeigt, was einem Wirkungsgrad von 97 Prozent entspricht.

Das Maximum Power Point Tracking

Damit so viel Strom wie möglich erzeugt und umgewandelt werden kann, kommt das Maximum Power Point Tracking oder „MPP-Tracking“ zum Einsatz. Dieser meist in Englisch verwendete Begriff beschreibt den maximalen Leistungspunkt eines Wechselrichters. Da es sich hier um ein zentrales Element zur Funktionalität des Spannungsumwandlers handelt, ist der MPP-Tracker in der Regel bereits integriert.

Die Aufgabe des MPP-Trackers ist die Selbsteinstellung des Wechselrichters zur maximalen Energieausbeute. Um dies zu erreichen, wird die Spannung stetig angepasst. Diese Anpassung ist notwendig, da die Sonneneinstrahlung sich während des Tagesverlaufs verändert.

Kosten des Wechselrichters

Die Anschaffungskosten des Wechselrichters sind abhängig von Qualität und Leistung des Gerätes sowie der Größe der Solaranlage. Als Faustregel kann gesagt werden, dass der Preis für den Wechselrichter zwischen 10 und 15 % der gesamten Investition der Solaranlage betragen sollte. Ein anderer Hinweis besagt, dass ca. 250 € pro kW der Wechselrichterleistung eingeplant werden sollten. Bei einer 5 kWp Solaranlage entstehen so Kosten von rund 1200 € für den Wechselrichter. Ähnlich wie bei der gesamten PV-Anlage hat die Größe des Wechselrichters einen Einfluss auf den Preis: Je höher umso günstiger. Diesem Prinzip folgen auch Solarmodule und Stromspeicher. Je größer, umso niedriger der Preis pro kW.

Rechnet man den Preis eines Wechselrichter aus der Perspektive seiner Leistung heraus, ergibt sich folgendes Bild. Für PV-Anlagen und Wechselrichter kleiner als 5 kWp liegt der Preis pro Watt bei etwa 22,5 Cent. Bei Wechselrichtern zwischen 5 und 10 kWp reduzieren sich die Kosten bereits auf rund 16,5 Cent je Watt. Noch größere Wechselrichter sind weitaus günstiger und liegen dann nur noch bei 7,2 Cent pro Watt. Deshalb liegen Wechselrichter 10 kW bei einem ungefähren Anschaffungspreis von 1600 €.

Lebensdauer und Garantiezeit eines Wechselrichters

Anders als bei allen anderen Komponenten einer Photovoltaikanlage hat der Wechselrichter nur eine Lebensdauer von ca. 14 bis 16 Jahren. Das bedeutet einen eventuellen Austausch während der 20-jährigen Laufzeit. Ein solcher Wechsel ist abhängig vom Hersteller und der Qualität der Geräte. Beim Kauf einer kompletten PV-Anlage sollte die Garantiezeit beachtet werden. Viele Wechselrichter Hersteller geben eine Garantiezeit von fünf Jahren, einige sogar mehr. Je länger die Garantiezeit umso besser! Im Zweifelsfalle erhöht sich der Anschaffungspreis, der jedoch geringer ist als ein Austausch des Spannungsreglers. Als zukünftiger Solaranlagenbetreiber sollten Sie insbesondere auch hier immer die aktuellen Bedingungen des Kaufvertrags lesen bzw. mit einem Energieexperten detailliert klären. Verschaffen Sie sich Klarheit über Lebensdauer und Garantiezeit!

Da die Wahrscheinlichkeit eines Austauschs nach 10 – 15 Jahren durchaus möglich ist, empfehlen wir von Anfang an Rücklagen zu bilden. Je länger die Rücklagenbildung andauert, umso niedriger ist der monatliche Betrag. Solche Rücklagen sollten von Anfang an in die finanzielle Planung einer PV-Anlage berücksichtigt werden.

Aufstellort und richtige Installation des Wechselrichters

Die Installation des Spannungsumwandlers hat Einfluss auf die Leistung der PV-Anlage. Deshalb sollte ein Wechselrichter immer so nach wie möglich an den Solarmodulen installiert werden. So ist es möglich, Leistungsverluste aufgrund langer Kabelverbindungen zu reduzieren. In vielen Einfamilienhäusern wird der Wechselrichter in einem trockenen Kellerraum an der Wand montiert. Wie alle PV-Komponenten gilt auch für den Wechselrichter eine leichte Zugänglichkeit im Raum.

Dieser Raum ist vorzugsweise kühl, weshalb sich ein Kellerraum sehr gut zum Aufstellen des Wechselrichters, Zählerschrank und Stromspeicher eignet. Eine gute Lüftung mit geringem Staub sind ideale Voraussetzungen für den gesamten Betrieb der PV-Anlage. Ebenfalls zu beachten ist, dass sich der Aufstellort nicht direkt neben einem Wohnraum befindet, da Wechselrichter je nach Modell eine relativ laute Geräuschentwicklung haben.

Lautstärke eines Wechselrichters

Während des Betriebs verursachen Wechselrichter Geräusche, die sich in einer Lautstärke zwischen 25 bis 60 Dezibel befinden. Im unteren Teillastbereich arbeiten die Geräte in der Regel etwas leiser, doch bei intensiver Sonnenstrahlung steigt auch die Geräuschkulisse. Deshalb sollten Wechselrichter in räumlicher Distanz zu Wohn- und Ruheräumen stehen, um die Bewohner nicht zu belästigen.

Inverter von Fronius für eine Photovoltaikanlage

Hersteller von Wechselrichtern

Die Liste der Hersteller für Wechselrichter bzw. Spannungsumwandler ist recht lang. Bekannt sind u.a. Bosch Power Tec, Siemens, SolarMax, SMA Solar Technology AG, Danfoss, REFU Elektronik, GoodWe, KACO new energy GmbH oder Fronius International GmbH. Die Auswahl sollte jedoch auf den individuellen Konditionen der PV-Anlage, die die Leistung des Wechselrichters beinhaltet, getroffen werden.

Unterschiedliche Arten von Wechselrichtern

Grundsätzlich sprechen wir von Wechselrichtern. Diese unterscheiden sich jedoch in ihrer Anwendung. Wir stellen hier die unterschiedlichen Typen von Wechselrichtern kurz vor.

Zentralwechselrichter

Ein Zentralwechselrichter kommt bei industriellen oder gewerblichen Photovoltaikanlagen zum Einsatz. Bei dieser Art Spannungsumwandler unterscheidet sich die Funktionsweise gegenüber herkömmlichen Wechselrichtern für ein Einfamilienhaus. Beim Zentralwechselrichter werden alle Strings parallel geschaltet und gehen dann zu einem zentralen Wechselrichter. Bei solchen Anlagen müssen alle Solarmodule gleich ausgerichtet sein. Diese Art der Wechselrichter werden hauptsächlich für Freiflächen bzw. riesige Solarparks genutzt.

String Wechselrichter

Der Stringwechselrichter verlangt eine reihenförmige Schaltung mehrerer Solarmodule. Ziel ist es, die Missmatching-Verluste zu minimieren, die bei unterschiedlichen Dachneigungen oder anderen Ausrichtung aufgrund von Verschattung möglich ist. Jeder einzelne String wird so ausgelegt, dass die Gesamtheit aller Solarmodule die gleiche Energieleistung erzielen.

Für kleine PV-Anlagen, wie sie bei Einfamilienhäusern angewendet werden, kommen in der Regel Wechselrichter mit einem String zur Anwendung. Bei einem höheren Wirkungsgrad und größeren PV-Anlagen werden jedoch Multistring-Wechselrichter genutzt. Um auch hierbei Verluste zu minimieren, kommen mit dem Multistring-Wechselrichter auch multiple MPP-Tracker zum Einsatz, die unterschiedliche Teilflächen der Solaranlage verarbeiten.

Inselwechselrichter

Wie der Name es bereits verrät, hat der Inselwechselrichter keinen Anschluss an das öffentliche Stromnetz. Diese Art der Spannungsumwandler ist für Insel-PV-Anlagen gedacht, die in abgelegenen Regionen ohne Stromnetz installiert werden. Wer also eine Photovoltaik-Inselanlage planen möchte, muss zwingend einen Inselwechselrichter nutzen.

Da bei PV-Inselanlagen überschüssiger Strom nicht eingespeist wird, ist es die Aufgabe des Inselwechselrichters, dafür zu sorgen, jederzeit den Wechselstrom zur Verfügung zu stellen, der benötigt wird. Aus diesem Grund ist ein Stromspeicher bei Inselanlagen immer die bessere Option.

Modulwechselrichter

Bei dieser Art Inverter hat jedes Solarmodul einen eigenen Modulwechselrichter. Das bedeutet, eine solche PV-Anlage arbeitet nicht mit einem, sondern mit mehreren Wechselrichtern. Normale Stringwechselrichter stehen immer in Abhängigkeit zum schwächsten Glied im Strang. Ist zum Beispiel ein Solarmodul verschmutzt, sinkt die Leistung der gesamten PV-Anlage. Mit Modulwechselrichtern kann dieses Problem behoben werden. Alternativ werden für diesen Zweck auch sogenannte Mikro-Wechselrichter verwendet. Ziel ist eine präzise Verarbeitung vom Solarstrom ohne Verluste bzw. den geringsten Verlusten der Energieausbeute.

Nachteilig sind zweifellos die höheren Mehrkosten bei der Anschaffung und Installation eines Modulwechselrichters. Ein weiterer Aspekt, der immer im Auge behalten werden sollte: Je mehr Elemente vorhanden sind, umso höher ist das Risiko von Defekten.

Photovoltaik Inverter der Firma SMA

Hybridwechselrichter

Wird ein Stromspeicher für die PV-Anlage verwendet, kommen zwei Wechselrichter zur Anwendung. Der Hybridwechselrichter umfasst stattdessen alle Funktionen in nur einem Gerät. Somit können Kosten und Platz deutlich reduziert werden. Aus diesen Gründen werden Hybridwechselrichter am häufigsten für private Solaranlagen eingesetzt. Ein weiterer Vorteil für einen Hybridwechselrichter ist der reale Wirkungsgrad in der Anwendung.

Batteriewechselrichter

Ohne Stromspeicher werden heute kaum noch Photovoltaikanlagen betrieben. Dabei handelt es sich meist um Lithium-Ionen-Batterien, die ebenfalls einen Wechselrichter benötigen. Dies ist notwendig, weil gespeicherter Strom Gleichspannung verlangt. Mit diesem zweiten Umwandler, wird der Strom bei Bedarf aus dem Speicher transferiert oder ihn wiederum in den Stromspeicher zu leiten.

Fazit

Wechselrichter bestimmen maßgeblich den wirtschaftlichen Erfolg von Photovoltaikanlagen. Sie gehören unweigerlich zum Herzstück einer PV-Anlage und müssen der Größe entsprechend richtig dimensioniert werden. Die am häufigsten verwenden Wechselrichter sind Hybridmodelle, da sie den Einsatz zweier Wechselrichter unnötig machen und somit zur Kostenersparnis bei der Gesamtinvestition beitragen.