Auf einem Hausdach sind mehrere Photovoltaikelemente montiert.

Von der Solaranlage ins E‑Auto: Warum Strom durch den Wechselrichter muss

Bis Strom ein Elektroauto antreibt, wechselt er ab seiner Erzeugung mehrfach die Spannung. Hier erfahren Sie, welche Rolle der Wechselrichter dabei spielt, wo er zu finden ist und wie er sogar die Reichweite von E-Autos erhöhen könnte. (Bild: Adobe Stock)

 

Bis Strom ein Elektroauto antreibt, wechselt er ab seiner Erzeugung mehrfach die Spannung. Hier erfahren Sie, welche Rolle der Wechselrichter dabei spielt, wo er zu finden ist und wie er sogar die Reichweite von E-Autos erhöhen könnte. (Bild: Adobe Stock)

 

 Wechselrichter haben mehrere Funktionen. Sie …

  • … wandeln Gleichspannung in Wechselspannung um.
  • … sorgen dafür, dass Photovoltaik-Anlagen immer den Umständen entsprechend beste Leistung erbringen. 
  • … sind beim Laden von E-Autos wichtig, da die Batterien nur Gleichstrom speichern können, durch das Stromnetz aber Wechselstrom fließt.

Solarenergie ist ein Schritt in Richtung Unabhängigkeit von fossilen Energiequellen. Mit der Photovoltaikanlage auf dem Dach lässt sich ein erheblicher Teil des eigenen Strombedarfs im Haushalt decken – auch der des Elektroautos vor der Tür. Auf direktem Weg fließt der Strom allerdings nicht von den Solarzellen in elektronische Geräte. Damit er nutzbar wird, muss er zunächst durch den Wechselrichter. Dieser auch Inverter oder Drehrichter genannte Stromrichter wandelt Gleichspannung in Wechselspannung um. 

Wechselspannung für den Transport von Strom  

An einer Hauswand hängen ein Sicherungskasten und ein Wechselrichter.
Im Haushalt wandeln Wechselrichter den Gleichstrom einer PV-Anlage in Wechselstrom um. (Bild: Adobe Stock)

Bei Gleichspannung (kurz „DC“, vom englischen „direct current“) fließen Elektronen mit gleicher Geschwindigkeit in dieselbe Richtung. Das Vorzeichen ändert sich dabei nicht. Bei Wechselspannung (kurz „AC“, vom englischen „alternating current“) dagegen ändert sich die Polarität in regelmäßiger Wiederholung, auch die Geschwindigkeit der Elektronen variiert. Wichtig ist Wechselspannung für den Transport von Strom über weite Wege. Gegenüber Gleichspannung sind die Impulse deutlich stärker, was geringe Transportverluste zur Folge hat. Die Frequenz der Impulse wird in Hertz angegeben.  

Nun produzieren die Solarzellen einer PV-Anlage Gleichstrom. Bevor dieser in die eigenen Stromleitungen oder das öffentliche Netz eingespeist werden kann, bedarf es also einer entsprechenden Umwandlung, da sowohl Stromnetze als auch hausinterne Leitungen ausschließlich mit Wechselstrom arbeiten. Hier kommt der Wechselrichter ins Spiel. Die Eingangsseite des Geräts weist in der Regel einen oder mehrere Gleichstromsteller auf, wo das Spannungsniveau des eingehenden Gleichstroms verändert wird. Dieser wird dann als Wechselstrom zur Ausgangsseite des Wechselrichters geleitet. 

Photovoltaik: Maximale Leistung dank Wechselrichter

Neben der Umwandlung von Strom kommen dem Wechselrichter als Herzstück der Photovoltaikanlage noch weitere Aufgaben zu. Eine der wichtigsten ist die Leistungsoptimierung. Zuständig dafür ist der Tracker für den Maximum-Power-Point (MPP). Der MPP beschreibt den Punkt, an dem die Photovoltaik-Anlage unter den gegebenen Umständen maximale Produktivität erbringen. Einfluss darauf haben etwa Sonneneinstrahlung, Temperatur oder Eigenschaften des einzelnen Solarmoduls. Der Maximum-Power-Point-Tracker des Wechselrichters wertet beständig jede kleine Veränderung aus und hält die PV-Leistung durch Veränderung von Widerständen hoch. 

Darüber hinaus übernimmt der Wechselrichter die Überwachung des Netzes. Treten Änderungen der Spannung oder der Frequenz auf, die zu einer Netzüberlastung führen könnten, trennt er das PV-System vom Netz. Außerdem behält das Gerät die Anlage selbst im Blick. So lassen sich Leistung und Erträge ablesen, Störungen und Probleme identifizieren und beheben. Und nicht zuletzt gewährleistet der Wechselrichter die Sicherheit bei Wartungsarbeiten. Da die Module der Anlage selbst nicht abgeschaltet werden können, unterbindet man die Gleichstromzufuhr am Wechselrichter und nimmt so die Spannung von den Kabeln.

String-Wechselrichter für mehrere Solarmodule

Wechselrichter werden in verschiedene Typen unterschieden. Im Haushalt kommen String-Wechselrichter am häufigsten vor. Sie bedienen mehrere PV-Module einer Solaranlage, die in einer Reihe geschaltet sind. Meist verfügen diese Wechselrichter nur über einen einzigen MPP-Tracker. Das erlaubt ihnen nicht, auf einzelne Module einzugehen. Auf die Leistung der gesamten Anlage hat das aber nur wenig Einfluss. Demgegenüber ist der Wirkungsgrad hoch und die Wartung einfach. Eine Steigerung zu den String- sind die Multi-String-Wechselrichter mit mehreren MPP-Trackern. Hier laufen mehrere Strings zusammen, deren Module unterschiedlich geneigt und ausgerichtet sein können.  

Weitere Typen sind Modulwechselrichter, die an jedem einzelnen Photovoltaikmodul angebracht werden, aber über keinen hohen Wirkungsgrad verfügen. Außerdem gelten die Geräte als störanfällig. Diese Wechselrichter kommen hauptsächlich bei kleinen mobilen Solaranlagen zum Einsatz. Bei sehr großen Dach- oder Freilandanlagen greift man dagegen normalerweise auf Zentral-Wechselrichter zurück. An diesen Wechselrichtern laufen zahlreiche Module mit ähnlichen Neigungs- und Einstrahlungsverhältnissen zusammen, die oft auch digital fernüberwacht werden. 

Hybrid-Wechselrichter: Strom nur bei Bedarf  

Auf dem Vormarsch sind zunehmend Hybridwechselrichter. Sie bestehen aus einem Photovoltaik- und einem Batteriewechselrichter. Das erlaubt ihnen, den erzeugten Gleichstrom zunächst in einem Stromspeicher der Anlage aufzubewahren. Erst bei Bedarf – auch abends oder nachts – wird die Energie vom Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt. Der wird dann entweder im Haushalt zur Verfügung gestellt oder ins öffentliche Stromnetz eingespeist. Das spart Platz, ist einfach in der Installation und hat weniger Wandlungsverluste zur Folge.  

Die Kosten für einen Wechselrichter variieren, mit zehn bis 15 Prozent der gesamten Solaranlage muss man allerdings rechnen. Das hängt unter anderem mit der Qualität, den Extrafunktionen, dem gewünschten Einsatzort und dem Wirkungsgrad des Wechselrichters zusammen.

Besonders für einen hohen Wirkungsgrad lohnt es sich, für den Wechselrichter etwas tiefer in die Tasche zu greifen. Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis zwischen gewonnener Solarenergie und dem anschließend nutzbaren Strom. Je weniger Energie ein Wechselrichter in den Betrieb seiner Funktionen wie Überwachung, Regelung und Schutz steckt, desto mehr bleibt am Ende für den Verbrauch im Haus. Das spart bares Geld.

Beim Kauf einer kompletten Photovoltaikanlage ist der Wechselrichter bereits enthalten. In diesem Fall muss man sich keine Gedanken um die Abstimmung der einzelnen Bestandteile machen. Anders sieht es aus, falls man die einzelnen Komponenten selbst zusammensuchen möchte. Dann sollte man sich über Wirkungsgrad, Kühlfunktion und Schutz genauestens informieren.

E‑Auto mit Sonnenenergie laden

Ein ID. Charger von VW hängt an einer Hauswand, davor parkt ein ID.3: Stromverbrauch kombiniert: 15,6–13,1 kWh/100 km (NEFZ); CO2-Emission kombiniert: 0 g/km; Effizienzklasse: A+++
Eine Wallbox wie der ID. Charger1 sorgt für eine optimale Aufladung des Akkus und kann somit dessen Lebensdauer verlängern. (Bild: JP Photodesign)

Besonders verlockend klingt die Möglichkeit, das Elektroauto mit erneuerbarer Energie vom Dach zu laden. Auch hier gilt: Das Zusammenspiel aller Komponenten, vom Solarmodul über Wechselrichter und Energiespeicher bis hin zur Wallbox, zum Beispiel einem ID. ChargerOpens an external link1, muss bestens funktionieren. Gibt es bereits eine PV-Anlage, muss man die Wallbox auf Kompatibilität prüfen. Sind passende Schnittstellen verfügbar? Lassen sich unterschiedliche Lademodi einstellen? Wird ein intelligentes Energiemanagement unterstützt? Dann nämlich fließt die Energie in die Akkus des Fahrzeugs, wenn ausreichend davon vorhanden und der Bedarf im Haushalt gedeckt ist. Tipps dazu geben auch die VerbraucherzentralenOpens an external link.

E-Autos wie der ID.3, ID.4 oder der ID.5 von Volkswagen lassen sich sowohl mit Gleichstrom als auch mit Wechselstrom laden. Speichern können die Akkus allerdings nur Gleichstrom. Da es sich bei Strom aus dem Netz immer um Wechselstrom handelt, muss dieser an irgendeiner Stelle durch einen Wechselrichter gewandelt werden. Im Fall von AC-Ladungen mit Wechselstrom geschieht das im Onboard-Ladegerät der Fahrzeuge. Die Kilowattangabe zeigt an, mit welcher Leistung das E‑Auto geladen werden kann.  

Anders sieht es bei DC-Ladungen aus. Bei dieser Lademethode mit Gleichstrom wird der Wechselstrom aus dem Netz im Ladegerät umgewandelt. Der Strom wird dann über einen CSS-Anschluss direkt in den Fahrzeug-Akku eingespeist. Diesen Vorgang kennt man vor allem von Schnellladesäulen an Autobahnen. Es gibt jedoch auch DC-Wallboxen für zuhause, die Laden mit Gleichstrom ermöglichen. Deren Ladeleistung reicht zwar nicht an die von Schnellladesäulen heran, doch mit 22 kW und mehr erfolgt der Energieschub für das E‑Auto deutlich flotter als mit herkömmlichen Wallboxen. Das schnellere Laden hat aber seinen Preis: DC-Wallboxen sind deutlich teurer als herkömmliche und sind daher eher für Flottenbetreiber oder Parkhäuser interessant.

Halbleitertechnologie kann Reichweite steigern

Zwischen Batterie und Motor muss der Gleichstrom erneut gewandelt werden, egal, ob er über AC- oder DC-Lademethoden eingespeist wurde. Elektromotoren arbeiten nämlich ausschließlich mit Wechselstrom. Dabei durchfließen große Mengen Strom den Wechselrichter und dessen Transistoren. Das ist vor allem beim Beschleunigen, Abbremsen und beim schnellen Fahren der Fall. Die Energieverluste sind dabei noch einigermaßen hoch. Forscher des Fraunhofer-Instituts möchten diese demnächst so gering wie möglich halten: Für die Transistoren der Wechselrichter setzen sie auf besonders effektiv arbeitende Halbleiter aus Silizium-Carbid (SiC). Die Experten gehen davon aus, dass Elektroautos durch diese Optimierung des Antriebsstrangs am Ende eine um bis zu sechs Prozent größere Reichweite haben könnten.

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2.
ID.4: Stromverbrauch (kombiniert): 17,5–15,5 kWh/100 km (NEFZ); CO2-Emission in g/km: 0; Effizienzklasse: A+++
3.
Bildliche Darstellungen können vom Auslieferungszustand abweichen.
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Bildliche Darstellungen können vom Auslieferungszustand abweichen.
4.
Tiguan eHybrid: Kraftstoffverbrauch in l/100 km: kombiniert 1,6; Stromverbrauch in kWh/100 km: kombiniert 13,8; CO₂-Emission in g/km: kombiniert 35; Effizienzklasse: A+++

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1.
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    Aktuell sind noch die NEFZ-Werte verpflichtend zu kommunizieren. Soweit es sich um Neuwagen handelt, die nach WLTP typgenehmigt sind, werden die NEFZ-Werte von den WLTP-Werten abgeleitet. Die zusätzliche Angabe der WLTP-Werte kann bis zu deren verpflichtender Verwendung freiwillig erfolgen. Soweit die NEFZ-Werte als Spannen angegeben werden, beziehen sie sich nicht auf ein einzelnes, individuelles Fahrzeug und sind nicht Bestandteil des Angebotes. Sie dienen allein Vergleichszwecken zwischen den verschiedenen Fahrzeugtypen. Zusatzausstattungen und Zubehör (Anbauteile, Reifenformat usw.) können relevante Fahrzeugparameter, wie z. B. Gewicht, Rollwiderstand und Aerodynamik, verändern und neben Witterungs- und Verkehrsbedingungen sowie dem individuellen Fahrverhalten den Kraftstoffverbrauch, den Stromverbrauch, die CO2-Emissionen und die Fahrleistungswerte eines Fahrzeugs beeinflussen.

    Weitere Informationen zum offiziellen Kraftstoffverbrauch und den offiziellen, spezifischen CO2-Emissionen neuer Personenkraftwagen können dem „Leitfaden über den Kraftstoffverbrauch, die CO2-Emissionen und den Stromverbrauch neuer Personenkraftwagen“ entnommen werden, der an allen Verkaufsstellen und bei der DAT Deutsche Automobil Treuhand GmbH, Hellmuth-Hirth-Str. 1, 73760 Ostfildern-Scharnhausen (www.dat.de/co2) unentgeltlich erhältlich ist.

    Effizienzklassen bewerten Fahrzeuge anhand der CO2-Emissionen unter Berücksichtigung des Fahrzeugleergewichts. Fahrzeuge, die dem Durchschnitt entsprechen, werden mit D eingestuft. Fahrzeuge, die besser sind als der heutige Durchschnitt werden mit A+++, A++, A+, A, B oder C eingestuft. Fahrzeuge, die schlechter als der Durchschnitt sind, werden mit E, F oder G beschrieben. Die hier gemachten Angaben beziehen sich jeweils auf die EG-Typgenehmigung des gewählten Modells und dessen Serienausstattung gem. Richtlinie 2007/46/EG. Von Ihnen im Zuge der Konfiguration gewählte Sonderausstattung kann dazu führen, dass Ihr konfiguriertes Modell aufgrund der gewählten Ausstattung einem anderen genehmigten Typ entspricht, als dies ohne gewählte Sonderausstattung der Fall wäre. Daraus können sich Abweichungen der Angaben für Ihr konfiguriertes Modell ergeben. Bei den angegebenen CO2-Werten handelt es sich um die Werte, die im Rahmen der Typgenehmigung des Fahrzeugs ermittelt wurden.