Kurze Definition

Eine Inselanlage versorgt elektrische Verbraucher ohne Verbindung zum öffentlichen Stromnetz. Sie bildet ein eigenständiges elektrisches Netz, das auch als Inselnetz oder Off-Grid-System bezeichnet wird. Mögliche Komponenten sind PV, ein Batteriespeichersystem (BESS), netzbildende Wechselrichter, Generatoren und lokale Verbraucher.

Inselanlagen auf einen Blick

• Mindestens eine Komponente muss das Inselnetz bilden und dessen Spannung und Frequenz stabilisieren.
• Die verfügbare Erzeugung muss fortlaufend an Verbrauch, Speichermöglichkeiten und Systemgrenzen angepasst werden.
• PV-Leistung muss bei fehlender Aufnahmefähigkeit gezielt begrenzt oder abgeschaltet werden.
• Ein lokales EMS kann die übergeordnete Betriebsführung übernehmen, während schnelle Netzregelung und Schutzfunktionen in den zuständigen Geräten verbleiben.

Wie funktioniert eine Inselanlage?

In einem öffentlichen Stromnetz werden Spannung und Frequenz durch das übergeordnete Netz vorgegeben. In einer Inselanlage übernimmt diese netzbildende Funktion beispielsweise ein geeigneter BESS-Wechselrichter oder Generator. Die netzbildende Komponente stellt die Wechselspannung bereit und reagiert unmittelbar auf kurzfristige Änderungen von Erzeugung und Verbrauch.

Gewöhnliche netzgeführte PV-Wechselrichter benötigen ein vorhandenes stabiles Netzsignal und können daher allein normalerweise kein Inselnetz aufbauen. Auch eine automatische Anpassung der PV-Erzeugung an die Aufnahmefähigkeit des Inselnetzes ist nicht grundsätzlich gegeben. Die PV-Leistung muss begrenzt werden, sobald Verbraucher und BESS die verfügbare Erzeugung nicht vollständig aufnehmen können. Abhängig von der Systemarchitektur erfolgt dies beispielsweise über externe Leistungssollwerte, eine kompatible frequenzabhängige Abregelung oder die Abschaltung einzelner Erzeugungseinheiten.

Ist ein BESS vorhanden, kann es kurzfristige Leistungsunterschiede ausgleichen. Bei einem PV-Überschuss wird es geladen, bei einem Erzeugungsdefizit versorgt es die Verbraucher. Wesentliche Betriebsgrößen sind der Ladezustand, die verfügbare Lade- und Entladeleistung, die nutzbare Kapazität und eine gegebenenfalls vorzuhaltende Energiereserve.

Bei längerem Energiemangel kann ein Generator gestartet werden. Start, Zuschaltung und Lastübernahme müssen koordiniert erfolgen. Abhängig von der Betriebsführung sind außerdem die Synchronisierung mit dem bestehenden Inselnetz, Mindestlaufzeiten, Mindestbelastungen und die mögliche Ladung des BESS zu berücksichtigen.

Ein lokales EMS übernimmt die übergeordnete Energie- und Betriebskoordination. Es verarbeitet Messwerte und Betriebszustände und entscheidet beispielsweise über Ladezustandsgrenzen, Generatoranforderungen, PV-Leistungsgrenzen oder die Priorisierung von Verbrauchern. Die schnelle Regelung von Spannung und Frequenz sowie die Beherrschung transienter Vorgänge verbleiben bei den netzbildenden Wechselrichtern, Generatorreglern und Schutzgeräten.

Wo werden Inselanlagen eingesetzt?

Typische Einsatzbereiche sind:

• Abgelegene Gebäude, landwirtschaftliche Betriebe, Telekommunikationsstationen oder technische Einrichtungen ohne wirtschaftlich sinnvollen Netzanschluss.
• Gewerbliche und industrielle Standorte in Regionen mit unzureichender oder nicht verfügbarer Netzinfrastruktur.
• Mobile oder temporäre Versorgungssysteme für Baustellen, Veranstaltungen oder Forschungsstationen.
• Kleine autarke Systeme für einzelne Verbraucher wie Pumpen, Beleuchtung sowie Mess- und Kommunikationstechnik.

Nutzen, Grenzen und technische Voraussetzungen

Eine Inselanlage ermöglicht die elektrische Versorgung unabhängig von der Verfügbarkeit eines öffentlichen Netzes. Die Kombination aus PV und BESS kann den Brennstoffverbrauch eines Generators verringern und den Anteil lokal erzeugter erneuerbarer Energie erhöhen. Der tatsächlich erreichbare Nutzen hängt jedoch von Lastprofil, Erzeugungspotenzial, Anlagenkonfiguration und Betriebsstrategie ab.

Die Dimensionierung muss neben dem durchschnittlichen Energiebedarf auch Einschaltströme, kurzfristige Lastspitzen, nächtlichen Verbrauch, Umwandlungsverluste und längere Schlechtwetterphasen berücksichtigen. Bei Energiemangel kann ein Lastmanagement weniger wichtige Verbraucher begrenzen oder abschalten, um kritische Verbraucher weiter zu versorgen.

Wenn ein selbstständiger Wiederanlauf nach einem vollständigen Spannungsausfall gefordert ist, muss mindestens eine Komponente schwarzstartfähig sein. Sie muss das Inselnetz ohne bereits vorhandene externe Spannung aufbauen können. Anschließend werden weitere Erzeuger und Verbraucher in einer festgelegten Reihenfolge zugeschaltet.

Auch das elektrische Schutzkonzept muss zur Anlagenarchitektur passen. Insbesondere in wechselrichterdominierten Inselnetzen können Höhe und zeitlicher Verlauf der Kurzschlussströme deutlich von klassischen Netzen abweichen. Schutzkoordination, Selektivität, Erdung und Abschaltbedingungen müssen deshalb projektspezifisch ausgelegt werden.

Eine netzgekoppelte Anlage mit Ersatzstromfunktion ist keine reine Inselanlage. Sie kann sich bei einem Netzausfall jedoch vom öffentlichen Netz trennen und zeitweise ein lokales Inselnetz bilden. Netztrennung, Umschaltung, Synchronisierung, Wiederzuschaltung und Schutztechnik müssen dafür geeignet und aufeinander abgestimmt sein.

Umsetzung mit EcoPhi

EcoPhi kann Messwerte und Betriebszustände von PV, BESS, Generatoren, Energiezählern und steuerbaren Verbrauchern zusammenführen und für die übergeordnete Betriebskoordination nutzen. Projektspezifisch können Funktionen wie Ladezustandsmanagement, Generatoranforderung, PV-Abregelung, Lastpriorisierung, Alarmierung und lokale Datenspeicherung umgesetzt werden.

Die konkrete Funktionalität hängt von der eingesetzten EcoPhi-Hardware, den verfügbaren Geräteschnittstellen und den Steuerungsmöglichkeiten der angeschlossenen Komponenten ab. Betriebsrelevante Funktionen können lokal ausgeführt werden, sofern die jeweilige Anlagenkonfiguration dafür ausgelegt ist. Die Netzbildung, schnelle Spannungs- und Frequenzregelung sowie elektrische Schutz- und Umschaltfunktionen übernimmt EcoPhi nicht; diese Aufgaben verbleiben bei den dafür vorgesehenen Wechselrichtern, Generatorreglern, Schaltgeräten und Schutzsystemen.

Inselanlagen zusammengefasst

Eine Inselanlage stellt ein eigenständiges elektrisches Versorgungssystem dar. Ihr sicherer Betrieb erfordert eine geeignete Netzbildung, eine geregelte Anpassung der Erzeugung, ausreichende Leistungs- und Energiereserven sowie ein passendes Schutzkonzept. Ein EMS kann die beteiligten Komponenten auf übergeordneter Ebene koordinieren.

Häufig gestellte Fragen zu Inselanlagen

Benötigt jede Inselanlage ein BESS?

Nein. Eine Inselanlage kann beispielsweise auch ausschließlich durch einen Generator versorgt werden. In PV-basierten Systemen übernimmt ein BESS jedoch häufig wichtige Aufgaben beim Leistungsausgleich, bei der zeitlichen Verschiebung von Energie und bei der Netzbildung.

Kann ein gewöhnlicher PV-Wechselrichter ein Inselnetz aufbauen?

Ein gewöhnlicher netzgeführter PV-Wechselrichter kann das Inselnetz normalerweise nicht selbst aufbauen. Er benötigt eine netzbildende Komponente und eine geeignete Regelung, mit der seine Leistung bei begrenzter Aufnahmefähigkeit reduziert oder abgeschaltet werden kann.

Was bedeutet Schwarzstartfähigkeit?

Schwarzstartfähigkeit bezeichnet die Fähigkeit, ein elektrisches Netz aus einem vollständig spannungslosen Zustand heraus selbstständig aufzubauen. Sie ist erforderlich, wenn die Inselanlage nach einem vollständigen Ausfall ohne externes Netz wieder anlaufen soll.

Welche Aufgabe übernimmt ein EMS in einer Inselanlage?

Das EMS übernimmt typischerweise die übergeordnete Betriebsführung, etwa das Ladezustandsmanagement, die Generatoranforderung und die Koordination flexibler Verbraucher. Die schnelle Stabilisierung von Spannung und Frequenz sowie die elektrischen Schutzfunktionen übernehmen dafür ausgelegte Geräte.