Kurze Definition

Ein Hybridsystem kombiniert mehrere Energiequellen, Speicher und gegebenenfalls steuerbare Verbraucher zu einem gemeinsamen Energiesystem. Typische Kombinationen sind Photovoltaik (PV) und Batteriespeicher (BESS), PV und Dieselgenerator oder PV, BESS und Generator. Das System kann netzgekoppelt, vollständig netzunabhängig oder für einen zeitweisen Inselbetrieb ausgelegt sein.

Hybridsysteme auf einen Blick

• Ein Hybridsystem stimmt Erzeugung, Speicherung und Verbrauch technisch aufeinander ab.
• Eine übergeordnete Steuerung verarbeitet Messwerte und verteilt Sollwerte nach definierten Prioritäten und Betriebsgrenzen.
• Mögliche Ziele sind ein höherer Eigenverbrauch, geringere Energiekosten, eine höhere Versorgungssicherheit oder ein größerer Autarkiegrad.
• Das Hybridsystem bezeichnet das technische Gesamtsystem. Ein EMS kann darin als übergeordnete Steuerungsebene eingesetzt werden, ist aber nicht mit dem Hybridsystem selbst gleichzusetzen.
• Monitoring, aktive Steuerung, elektrische Netzbildung und Schutztechnik erfüllen unterschiedliche Aufgaben.

Wie funktioniert ein Hybridsystem?

Die Betriebsführung basiert auf Messwerten der eingebundenen Komponenten und zentraler elektrischer Messpunkte. Am Netzanschlusspunkt wird erfasst, wie viel Leistung der Standort aus dem öffentlichen Netz bezieht oder in dieses einspeist. Weitere Messwerte betreffen beispielsweise die PV-Erzeugung, die Verbraucherlast, den Ladezustand und die Leistungsgrenzen des BESS sowie Zustand, Betriebsbereitschaft und verfügbare Leistung eines Generators.

Eine übergeordnete Steuerung bewertet diese Informationen und verteilt Sollwerte entsprechend festgelegter Prioritäten, Betriebsgrenzen und Regelziele. In einem typischen netzgekoppelten PV-BESS-System wird die lokal erzeugte PV-Leistung zunächst mit der aktuellen Verbraucherlast bilanziert. Bei einem Leistungsüberschuss kann die Steuerung das BESS laden. Verbleibende Leistung wird in das öffentliche Netz eingespeist oder durch eine Begrenzung der PV-Leistung reduziert. Bei einem Leistungsdefizit kann das BESS entladen werden, um den Netzbezug oder Lastspitzen zu verringern.

Die tatsächlich auftretenden Energieflüsse ergeben sich aus der Leistungsbilanz am elektrischen Knoten. Sie hängen unter anderem von den aktuellen Messwerten, den Sollwerten für PV und BESS sowie der gewählten Regelstrategie ab. Mögliche Betriebsziele sind beispielsweise Eigenverbrauchsoptimierung, Lastspitzenkappung, Nulleinspeisung, die Einhaltung eines festen Netzbezugs- oder Einspeisesollwerts sowie das Vorhalten einer Energiereserve.

In einem System mit Generator kann die Steuerung diesen bei niedrigem Ladezustand, hoher Last oder einem länger anhaltenden Energiedefizit starten. Dabei sind unter anderem Mindestlaufzeiten, Start- und Stoppgrenzen, Mindestlast, Leistungsreserven sowie gegebenenfalls Warmlauf-, Abkühl- und Nachlaufphasen zu berücksichtigen. Hysteresen und zeitliche Verzögerungen verhindern häufiges Schalten und können dazu beitragen, den Generator in einem geeigneten Leistungsbereich zu betreiben.

Bei Inselbetrieb muss mindestens eine geeignete Komponente Spannung und Frequenz vorgeben und das lokale Netz stabilisieren. Ein gewöhnlicher netzgeführter PV-Wechselrichter benötigt eine Netzreferenz und kann allein in der Regel kein stabiles Inselnetz aufbauen. Netzbildung, Synchronisation und Schutzfunktionen müssen deshalb in der elektrischen Systemarchitektur vorgesehen sein.

Zusätzlich muss die verfügbare Erzeugungs- und Speicherleistung fortlaufend mit der Verbraucherlast ausgeglichen werden. Reichen die Leistungsreserven nicht aus, können eine priorisierte Lastabschaltung, die Begrenzung flexibler Verbraucher oder der Start eines Generators erforderlich sein. Je nach Anwendung sind außerdem Schwarzstartfähigkeit und eine kontrollierte Wiederzuschaltung an das öffentliche Netz zu berücksichtigen.

Wo werden Hybridsysteme eingesetzt?

Gewerbe- und Industriestandorte:

PV und BESS werden kombiniert, um den Eigenverbrauch zu erhöhen, Lastspitzen zu begrenzen oder den Netzbezug zeitlich zu verschieben. Flexible Verbraucher oder Ladeinfrastruktur können zusätzlich in die Betriebsführung einbezogen werden.

Off-grid-Systeme:

An abgelegenen Standorten übernehmen PV, BESS und häufig ein Generator gemeinsam die Energieversorgung. Das BESS gleicht kurzfristige Schwankungen aus, während der Generator längere Erzeugungsdefizite abdecken kann.

Standorte mit instabiler Netzversorgung:

Ein Hybridsystem kann bei Netzausfällen oder unzureichender Netzqualität einen Ersatz- oder Inselbetrieb unterstützen, sofern Komponenten, Umschalteinrichtungen und Schutztechnik dafür ausgelegt sind.

Microgrids:

Mehrere Erzeuger, Speicher und Verbraucher werden innerhalb eines lokalen elektrischen Netzes koordiniert. Das Microgrid kann dauerhaft netzgekoppelt, vollständig netzunabhängig oder zeitweise vom öffentlichen Netz getrennt betrieben werden.

Nutzen, Grenzen und technische Voraussetzungen

Ein abgestimmtes Hybridsystem kann erneuerbare Energie besser nutzen, den Brennstoffverbrauch eines Generators reduzieren und die Versorgungssicherheit erhöhen. Der erreichbare Nutzen hängt vom Lastprofil, der Erzeugung, der Dimensionierung der Komponenten, den Betriebszielen sowie den Energie- und Brennstoffkosten ab.

Die Komponenten müssen elektrisch, kommunikativ und regelungstechnisch aufeinander abgestimmt sein. Strukturierte Mess-, Status- und Steuerdaten werden je nach Gerät beispielsweise über Modbus TCP, Modbus RTU, CAN oder herstellerspezifische APIs ausgetauscht. Digitale Ein- und Ausgänge dienen häufig der Übertragung einzelner Zustände, Freigaben oder Schaltbefehle.

APIs können lokal oder cloudbasiert bereitgestellt werden. Cloudbasierte Verbindungen sind aufgrund möglicher Verzögerungen und Verbindungsunterbrechungen nicht für jede Regelungsaufgabe geeignet. Für zeitkritische Funktionen sind insbesondere die Aktualisierungsrate, die Übertragungsverzögerung, die Zuverlässigkeit der Kommunikation und das Verhalten bei Kommunikationsausfällen zu berücksichtigen.

Entscheidend ist nicht nur, ob eine Schnittstelle vorhanden ist. Die benötigten Messwerte, Betriebszustände und Steuerbefehle müssen tatsächlich verfügbar sein und mit ausreichender Qualität übertragen werden. Begrenzte Kommunikationsmöglichkeiten, ungenaue Messwerte oder nicht steuerbare Geräte können den Funktionsumfang des Gesamtsystems einschränken.

Ein einfaches Hybridsystem kann mit den dezentralen Regelungsfunktionen seiner Komponenten betrieben werden. Für die koordinierte Optimierung mehrerer Erzeuger, Speicher und Verbraucher ist jedoch häufig eine übergeordnete Steuerungsebene erforderlich. Monitoring macht Energieflüsse und Betriebszustände sichtbar, koordiniert die Komponenten aber nicht automatisch aktiv. Netzbildung und elektrische Schutzfunktionen müssen wiederum von dafür ausgelegten Anlagenkomponenten übernommen werden.

Wie lässt sich ein Hybridsystem mit EcoPhi umsetzen?

EcoPhi kann als herstellerübergreifende Monitoring-, Kommunikations- und EMS-Ebene eines Hybridsystems eingesetzt werden. Messwerte von PV-Wechselrichtern, BESS, Generatoren, Energiezählern und Verbrauchern können zusammengeführt, visualisiert und für projektspezifische Steuerungslogiken verarbeitet werden.

Je nach Systemarchitektur und verfügbaren Geräteschnittstellen können dazu die Vorgabe oder Begrenzung der PV-Leistung, Lade- und Entladevorgaben für das BESS, Generatorsteuerung sowie eine Regelung am Netzanschlusspunkt gehören. Die konkrete Funktionalität wird an die eingebundenen Komponenten, die verfügbaren Datenpunkte und die Betriebsziele des Projekts angepasst.

EcoPhi übernimmt dabei nicht die elektrische Netzbildung oder die Schutztechnik. Diese Funktionen müssen durch entsprechend ausgelegte Wechselrichter, Generatorsteuerungen, Schaltanlagen und Schutzgeräte realisiert werden.

Hybridsysteme zusammengefasst

Ein Hybridsystem verbindet unterschiedliche Energiequellen, Speicher und Verbraucher zu einem gemeinsamen technischen System. Für einen koordinierten Betrieb sind eine geeignete elektrische Architektur, verlässliche Messwerte, verfügbare Geräteschnittstellen und klar definierte Regelstrategien erforderlich. Welche Steuerungs- und Schutzfunktionen benötigt werden, hängt von der Versorgungsaufgabe, der Netzsituation und den wirtschaftlichen Betriebszielen ab.

Häufige Fragen zu Hybridsystemen

Ist jedes Hybridsystem ein EMS?

Nein. Das Hybridsystem bezeichnet das technische Gesamtsystem aus Erzeugern, Speichern, Verbrauchern und weiteren Komponenten. Ein EMS kann innerhalb dieses Systems als übergeordnete Steuerungsebene eingesetzt werden.

Kann ein PV-BESS-Hybridsystem bei einem Netzausfall weiterarbeiten?

Nur wenn es für den Insel- oder Ersatzstrombetrieb ausgelegt ist. Mindestens eine geeignete Komponente muss Spannung und Frequenz vorgeben. Außerdem werden eine passende Umschaltung, Schutztechnik und eine fortlaufende Leistungsregelung benötigt.

Welche Schnittstellen werden in Hybridsystemen verwendet?

Strukturierte Mess-, Status- und Steuerdaten werden häufig über Modbus TCP, Modbus RTU, CAN oder herstellerspezifische APIs übertragen. Digitale Ein- und Ausgänge können ergänzend einzelne Zustände, Freigaben oder Schaltbefehle abbilden. Welche Funktionen umsetzbar sind, hängt von den tatsächlich verfügbaren Datenpunkten und Steuerbefehlen ab.