Wechselrichter in der Photovoltaik

Eine Photovoltaikanlage produziert mit Hilfe von Sonnenenergie Gleichstrom, der – vor dem Verbrauch im Haushalt – in Wechselstrom umgewandelt werden muss. Die Umwandlung geschieht mit Hilfe eines Wechselrichters, auch Inverter genannt. Neben der Synchronisation mit dem öffentlichen Stromnetz übernehmen moderne Wechselrichter weitere Aufgaben. Dazu gehören die Netz- und Anlagenüberwachung sowie die Leistungsoptimierung der Photovoltaikanlage.

Die meisten Übertragungsnetze der Energieversorgung arbeiten mit Wechselstrom. Unter Wechselstrom versteht man elektrische Spannung, die eine wechselnde Polarität hat und deren Mittelwert Null ist. Aus der hauseigenen Steckdose kommt Wechselstrom und auch die meisten Endgeräte werden mit Wechselstrom betrieben.

Wechselstrom hat viele Vorteile: Er kann mit Synchrongeneratoren leicht erzeugt werden, man kann ihn über weite Entfernungen transportieren und ihn auf verschiedene Spannungsniveaus übertragen. Das ist besonders im öffentlichen Stromnetz wichtig, da es dort Niedrigspannungs- bis Hochspannungsebenen gibt.

Die eigene Solaranlage auf dem Dach produziert jedoch Gleichstrom, der entsprechend zur Nutzung umgewandelt werden muss. Gleichstrom zeichnet sich durch eine konstante Polung, also gleichbleibende Richtung, aus. Gleichstrom findet Einsatz in öffentlichen Verkehrsmitteln, Akkuladegeräten, Batterien und eben in Solarzellen.

Wechselrichter machen als Bindeglied zwischen Gleich- und Wechselstrom eine Nutzung verschiedener Energiequellen möglich und sind Hauptbestandteil eines Photovoltaiksystems.

In der Photovoltaik ist der Wechselrichter die Schnittstelle zwischen PV-Anlage und Energieeinspeisung ins öffentliche Stromnetz. Neben der Umwandlung von Gleichstrom zu Wechselstrom übernimmt er zahlreiche Aufgaben:

Mit Hilfe eines oder mehrerer MPP-Tracker stellt der Inverter sicher, dass der Betrieb der Solarmodule im optimalen Bereich läuft. Zudem kommuniziert er zwischen Stromnetz und heimischer Solaranlage, auch Netzüberwachung genannt. Der Grund: Sämtliche Energiequellen, die an das Versorgungsnetz angeschlossen sind, müssen im Notfall, etwa bei Wartungsarbeiten oder Netzüberlastung, vom Netz getrennt werden können. Die sogenannte VDE-Norm 126.1 gibt genaue Richtlinien vor, wie das Netz überwacht und wie die Notfalltrennvorrichtung aussehen muss.

Auch die Solaranlage selbst wird vom Wechselrichter überwacht und relevante Daten werden kontinuierlich gesammelt. Zwar sind sämtliche Bestandteile einer Photovoltaikanlage wartungsarm und haben in der Regel kaum Verschleiß zu verbuchen – Ausnahmen gibt es aber immer. Damit Fehler oder Schwankungen nicht über längere Zeit unbemerkt bleiben, sammelt der Inverter Daten, die bei vielen Modellen auch über ein Online-Portal abrufbar und einsehbar sind.

Aufgaben eines Wechselrichters im Überblick:

• Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom
• MPP-Tracking
• Datenerfassung
• Netzüberwachung
• Schutz vor Überspannung

Bei der Umwandlung zu Wechselstrom unterscheiden sich Inverter in ihrem Ausgangssignal – also dem zeitlichen Verlauf der Spannung.

Gängige Wechselrichter erzeugen die Wechselspannung in harmonischen und sinusförmigen Verläufen, identisch zu denen eines Synchrongenerators im öffentlichen Netz. Eine solche Funktionsweise ist die Voraussetzung für eine nahtlose Einspeisung ins Versorgungsnetz und den fehlerfreien Betrieb der meisten Endverbraucher im Haushalt.

Anders ist es bei Kontaktwechselrichtern, die heute kaum noch zum Einsatz kommen und eher im Freizeit- oder Campingbereich eingesetzt werden: Sie erzeugen eine sogenannte Rechteckspannung, die sich nur für die Verwendung in sehr einfachen Verbrauchern eignet, zum Beispiel in einer Glühbirne. Sie arbeiten mit dem Modell des Zerhackers, der selbstständig arbeitet und weiter unten im Text näher erläutert wird.

Bei modernen Invertern, die sich nicht in ihrem Ausgangssignal unterscheiden, gibt es trotzdem ein wichtiges Unterscheidungskriterium, nämlich den Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad ist einfach ausgedrückt das Verhältnis von Gleichstrom Input und Wechselstrom Output. Je höher der Wirkungsgrad, desto effektiver der Inverter. Die besten Geräte erreichen Wirkungsgrade von bis zu 97 %.

Die Geschichte des Wechselrichters fängt mit dem Kontaktwechselrichter an, der heute kaum noch Verwendung findet. Er basiert auf der Funktionsweise des Wagnerischen Hammers. Der Wagnerische Hammer, auch Zerhackschalter oder Zerhacker genannt, ist ein elektromagnetischer Unterbrecher, der aus einem Magneten, einem Anker und einen am Anker angebrachten Öffner besteht.

Er ist elektromagnetisch angetrieben und arbeitet selbsttätig. Durch den elektromagnetischen Strom schließt sich der Schaltkontakt zunächst und öffnet sich anschließend durch die Unterbrechung des Stromkreises. So wurden früher Pausenklingeln in Schulen betrieben. Ein sich bewegender Anker kann auch die Polarität der Spannung ändern – es entsteht Wechselstrom.

Aufgrund von Verschleißerscheinungen, Geräuschen und anderen Störfaktoren wurden Kontaktwechselrichter irgendwann von Halbleiterwechselrichtern, die auf Grundlage der H-Brückenschaltung arbeiten, abgelöst. Die H-Brückenschaltung funktioniert vom Prinzip her wie ein Kontaktwechselschalter:

Vier Halbleiterschalter (elektronische Schalter) öffnen und schließen paarweise über Kreuz und erzeugen eine Polarität in der mittleren Brücke (dem Mittelteil im H). Vereinfacht dargestellt kann man sagen, dass sich etliche Male pro Sekunde die Schaltzustände „A + D geschlossen” und „B + C geschlossen” umschalten. Passiert das nur etwa 100-mal pro Sekunde, ergibt sich eine Rechteckwechselspannung, wie die des Zerhackers.

Moderne Versionen des Halbleiterwechselrichters haben extrem hohe und kürzere Schaltfrequenzen, die sich auch harmonisch in den gewünschte Sinusverlauf bringen lassen. Elektronische Schalter haben im Gegensatz zu Schaltkontakten im Zerhacker den Vorteil, dass sie nahezu verschleißfrei arbeiten und daher auch eine längere Lebensdauer haben.

Auf der Seite des Inputs befindet sich bei Wechselrichtern neben einem oder mehreren MPP-Trackern ein Gleichspannungswandler, der das Spannungsniveau von Gleichstrom beliebig ändern kann. Auf der Ausgangsseite des Inverters befindet sich ein ein- bis dreiphasiger Richter, der in das Nieder- bis Mittelspannungsstromnetz synchronisierten Wechselstrom einspeisen kann.

Der Wechselrichter ist für etwa 10 – 15 % der Gesamtkosten der Photovoltaikanlage verantwortlich. Damit zahlst Du als Besitzer*in eines Eigenheims typischerweise zwischen 1.000 € und 2.500 € für ein solches Gerät.

Bezogen auf die installierte Photovoltaikleistung kannst Du mit etwa 200 € netto pro Kilowatt Peak rechnen, denn auch Wechselrichter haben unterschiedliche Nennleistungen.

Eine Solaranlage hält mehr als 30 Jahre und ist sehr wartungsarm. Ein Wechselrichter hat eine kürzere Lebenszeit von ungefähr 15 Jahren und sollte dann ausgetauscht werden. Zu den Kosten für einen neuen Wechselrichter kommen 300 € Fixkosten für den Austausch hinzu.

Geht man zum Beispiel von einer Anlage mit 6 kW_p Leistung aus, ist nach 15 Jahren mit Kosten für den Tausch des Wechselrichters von 6 * 200 € + 300 € = 1.500 € zu rechnen.

Eine genaue Kostenaufschlüsselung zu allen Komponenten einer Photovoltaikanlage findest Du auf unserer entsprechenden Ratgeberseite.

Für eine längere Lebensdauer des Inverters sollte dieser an einem kühlen Ort, temperatur- und wettergeschützt installiert werden. Er sollte auch leicht zugänglich sein, um den Tausch nach 15 Jahren möglichst reibungslos gestalten zu können.