Eine Heimbatterie kann vollständig geladen sein, wenn die öffentliche Versorgung ausfällt, und trotzdem nicht sofort bereit sein, die gesicherten Stromkreise zu versorgen. Gespeicherte Energie ist nur ein Teil des Problems. Bevor diese Stromkreise sicher versorgt werden können, muss das System erkennen, dass die Netzbedingungen nicht mehr akzeptabel sind, den geschützten Teil des Hauses vom Versorger trennen, eine lokale elektrische Quelle aufbauen und dann die Lasten versorgen, die tatsächlich innerhalb des Backup-Systems liegen. Ein Umschalter, oder Ausrüstung mit derselben Transferfunktion, hilft, diese Grenze zwischen normalem netzgekoppeltem Betrieb und gezieltem Backup zu steuern.Der gesicherte Teil des Hauses muss zu einer bewusst gebildeten Insel werden
Netzgekoppelte Solar- und Speichersysteme arbeiten normalerweise gemeinsam mit dem Versorgernetz. Wenn die Versorgung verschwindet, dürfen sie nicht einfach unverändert dasselbe elektrische Netzwerk weiter speisen. Der Teil der Installation, der weiter versorgt werden soll, muss zuerst bewusst vom Versorger getrennt werden. Die Batterie-Backup-Dokumentation von SMA liefert ein konkretes Beispiel: Bei einem Netzausfall trennt ein automatisches Umschaltgerät das Backup-System vom Versorger, bevor der Wechselrichter ein lokales Backup-Netz aufbaut. Das Sicherheitsprinzip hinter dieser Trennung ist Anti-Islanding. Netzinteraktive Erzeugung darf einen externen Netzabschnitt nach Ausfall der Versorgung nicht unbeabsichtigt weiter unter Spannung halten. (UL) (SMA)
Das schafft eine wichtige Unterscheidung zwischen unerwünschter Inselbildung und gezieltem Backup. Anti-Islanding soll verhindern, dass lokale Erzeugung nach einem Ausfall die Versorgerseite weiter speist. Backup-Betrieb tut auf der geschützten Seite eines verifizierten Trennpunkts das Gegenteil: Nach der Isolation kann ein backupfähiger Wechselrichter Spannung und Frequenz für lokale Lasten bereitstellen. Das U.S. Department of Energy beschreibt Solar-plus-Speicher-Systeme, die den Verlust von Netzstrom erkennen und bei Ausfällen in einen Inselmodus wechseln. Die Insel ist in diesem Fall das bewusst getrennte kundenseitige System, nicht eine unbeabsichtigte Erweiterung des ausgefallenen Netzes. (U.S. Department of Energy)
Die genaue Schaltsequenz hängt von der Ausrüstung ab; daher ist es sinnvoll, die allgemeine Funktion von der Umsetzung eines einzelnen Herstellers zu trennen. In SMAs dokumentiertem Design erkennt der Wechselrichter einen Netzausfall, der Kuppelschalter trennt das Backup-System vom Versorger, und eine Rückmeldeüberwachung bestätigt den Schaltzustand, bevor die angeschlossenen Backup-Lasten versorgt werden. Andere Systeme können diese Funktionen anders bündeln, doch die zugrunde liegende Anforderung ist ähnlich: Die Backup-Quelle sollte die geschützten Stromkreise erst dann als bewusste Insel speisen, wenn die erforderliche Trennung vom Versorger hergestellt wurde. (SMA)
Die Transferfunktion erscheint nicht immer als konventionelle eigenständige Box mit der Beschriftung „ATS“. Tesla verwendet beispielsweise Geräte wie Backup Gateway, Backup Switch und Gateway 3, um Ausfälle zu erkennen und Batterie-Backup in unterschiedlichen Powerwall-Systemkonfigurationen zu ermöglichen. Der Hardwareaufbau kann daher variieren, auch wenn die elektrische Aufgabe erkennbar bleibt: abnormale Netzbedingungen erkennen, den erforderlichen Trennpunkt aufrechterhalten und den Übergang zur lokalen Versorgung unterstützen. (Tesla)
Dieser Übergang erklärt auch, warum ein Batterie-Backup-System nicht automatisch als UPS behandelt werden sollte. Während das System den Ausfall erkennt, seinen Schaltzustand ändert und Backup-Leistung aufbaut, kann es eine reale Unterbrechung geben. SMA gibt an, dass eine seiner Backup-Anordnungen für Wohngebäude die Lasten während des Transfers etwa fünf bis sieben Sekunden ohne Versorgung lässt, und sagt ausdrücklich, dass diese Anordnung die UPS-Anforderungen nicht erfüllt; Lasten, die diese Unterbrechung nicht tolerieren, benötigen separaten UPS-Schutz. Die Fünf-bis-sieben-Sekunden-Angabe gehört zu diesem dokumentierten System, nicht zu Backup-Systemen allgemein, zeigt aber, warum „hat eine Batterie“ und „hat unterbrechungsfreie Stromversorgung“ unterschiedliche Aussagen sind. (SMA)
Die Backup-Grenze entscheidet, was versorgt werden kann
Sobald der geschützte Abschnitt vom Versorger getrennt ist, wird die physische Lage der Backup-Grenze praktisch sichtbar. Eine Ganzhauslösung kann die Hauptverteilung auf die gesicherte Seite legen. Ein Teilhausdesign kann stattdessen ein dediziertes Backup Panel mit nur ausgewählten Stromkreisen nutzen. Tesla veröffentlicht beide Arten von Powerwall-Konfigurationen. In einer Teilhauslösung werden Stromkreise außerhalb des Backup Panel nicht plötzlich für Batterieversorgung geeignet, nur weil Energie in der Batterie verbleibt. (Tesla)
Deshalb können sich zwei Häuser mit derselben Batterie beim gleichen Ausfall unterschiedlich verhalten. Bei einer Installation können die meisten Haushaltsstromkreise hinter dem Backup-Gerät liegen, während eine andere nur Kühlung, Beleuchtung, Kommunikation oder andere ausgewählte Lasten schützt. Die Transferarchitektur bestimmt, welche Stromkreise elektrisch mit dem lokalen Backup-System verbunden sind. Ob Batterie und Wechselrichter alle diese Lasten gleichzeitig und wie lange unterstützen können, ist eine separate Frage von Leistung und Energie.
Auf funktionaler Ebene lässt sich der Übergang beim Ausfall daher verstehen, ohne anzunehmen, dass jedes Produkt dieselbe interne Zustandsmaschine nutzt. Netzbedingungen werden unzulässig, der geschützte Teil der Installation wird vom Versorger getrennt, eine lokale Quelle wird aufgebaut, und die Stromkreise hinter dieser Grenze können dann versorgt werden. Entscheidend ist nicht, dass jedes System identische Relaisaktionen in identischen Millisekunden ausführt, sondern dass gezieltes Backup von einer verifizierten elektrischen Grenze abhängt und nicht davon, dass die Batterie lediglich zu entladen beginnt.
Auch die Rückkehr der Versorgung muss kontrolliert werden. Ein Backup-System sollte den geschützten Abschnitt nicht wieder verbinden, nur weil für einen Moment akzeptable Spannung erscheint. SMA dokumentiert nach Rückkehr der Versorgung eine Netzüberwachungszeit; nachdem diese Überwachung erfolgreich abgeschlossen ist, endet der Backup-Betrieb und das System verbindet sich wieder mit dem Versorgernetz. Die erforderliche Wartezeit hängt von den geltenden Ländereinstellungen und Anforderungen ab. (SMA)
Die Ausgangssituation sieht nun anders aus. Eine volle Batterie macht ein Haus nicht schon in dem Moment backupbereit, in dem das Netz verschwindet. Das System muss zuerst eine sichere elektrische Grenze schaffen, die lokale Versorgung aufbauen und nur die Stromkreise bedienen, die innerhalb dieser Grenze liegen. Ein Umschalter ist wichtig, weil er hilft, diese Änderung des elektrischen Zustands gezielt zu machen. Die Batterie liefert die gespeicherte Energie; die Transferarchitektur bestimmt, wann und wo diese Energie während eines Ausfalls genutzt werden kann.
