Wie anhand einer Analyse der Netzkapazität ermittelt wird, wo neue Solaranlagen an das Netz angeschlossen werden

Wichtigste Erkenntnisse

• Die Analyse der Aufnahmekapazität eignet sich am besten als Studie zum Betrieb von Zuführungsstrecken, die an klare Grenzwerte geknüpft ist, und weniger als allgemeine Bewertung der Schaltkreise.
• Eine Karte zur Aufnahmekapazität hilft Ihnen dabei, Risiken bei der Standortwahl für Solaranlagen schnell zu erkennen, doch letztlich entscheiden saubere Daten und Zeitreihenmodellierung darüber, wie zuverlässig diese Einschätzung ist.
• Viele solarbedingte Einschränkungen sind auf die Spannung und das Regelverhalten zurückzuführen, sodass validierte Regelungsänderungen häufig die Kapazität der Zuleitung erhöhen, noch bevor größere Umbauarbeiten beginnen.

Die Analyse der Aufnahmekapazität gibt Aufschluss darüber, welche Zuleitungen neue Solaranlagen aufnehmen können, ohne die Betriebsgrenzen zu überschreiten.

Energieversorger nutzen die Analyse der Netzkapazitäten als Screening-Instrument, mit dem sich die physikalischen Gegebenheiten der Zuleitungen in eine Lösung für den Netzanschluss umsetzen lassen. Ende 2023 standen in den Wartelisten für Netzanschlüsse in den USA etwa 2.600 GW an Erzeugungs- und Speicherkapazitäten, darunter rund 1.570 GW Solarenergie. Angesichts dieses Volumens ist eine schnelle und fundierte Vorauswahl unerlässlich, lange bevor eine vollständige Netzanschlussstudie beginnt. Ein unzureichender Vorauswahlprozess führt dazu, dass zu viele Projekte in eine langwierige manuelle Prüfung geraten.

Die sinnvolle Interpretation einer Karte zur Aufnahmekapazität ist ganz einfach: Betrachten Sie sie als eine netzspezifische Betriebsgrenze, die mit Spannung, thermischer Belastung, Schutzmaßnahmen und dem lokalen Regelverhalten verknüpft ist. Der Wert ist nur unter diesen Voraussetzungen aussagekräftig. Wenn Energieversorger die Aufnahmekapazität als Betriebsanalyse und nicht als reine Formalität betrachten, beschleunigt sich die Standortauswahl für Solaranlagen, und die Antworten auf Fragen zum Netzanschluss gewinnen deutlich an Glaubwürdigkeit.

Analyse der Aufnahmekapazität schätzt den Spielraum für neue Solaranlagen

Bei der Analyse der Aufnahmekapazität wird abgeschätzt, wie viel zusätzliche Solarenergie eine Zuleitung aufnehmen kann, bevor eine festgelegte Betriebsgrenze überschritten wird. Zu diesen Grenzen gehören in der Regel der Spannungsbereich, die thermische Belastung, die Schutzkoordination und Stromqualität. Das Ergebnis ist eine Schätzung des Spielraums. Diese Schätzung bezieht sich stets auf das jeweilige Modell und die zugrunde gelegten Annahmen.

Ein Energieversorger, der eine 12,47-kV-Zuleitung untersucht, könnte an jedem Anschlusspunkt 50-kW-Dachanlagen hinzufügen, bis die Spannung am Ende der Leitung an einem klaren Frühlingsnachmittag ihren Grenzwert überschreitet. Eine andere Zuleitung mit kürzeren Abzweigungen und einer besseren Spannungsregelung kann weitaus mehr Solarstrom aufnehmen, selbst wenn die Spitzenlast ähnlich hoch ist. Für Kund:innen sieht Kund:innen von der Straße aus gleich aus. Die physikalischen Gegebenheiten der Zuleitung sind es jedoch nicht.

Die Einspeisekapazität ist ein anschlussspezifisches Ergebnis. Man kann einen Wert nicht einfach von einem Stromkreis auf einen anderen übertragen und davon ausgehen, dass er dort auch gilt. Geräteeinstellungen, Leiterimpedanz, bereits vorhandene Solaranlagen und der Einspeisepunkt spielen alle eine Rolle. Erst dieser Kontext macht ein Studienergebnis zu einer verlässlichen Größe.

In Hosting-Kapazitätskarten werden Leitungsstrecken nach ihrem Interconnection-Risiko eingestuft

Kapazitätskarten dienen dazu, die Ergebnisse von Studien in eine Übersichtsdarstellung umzuwandeln, in der Zuleitungen, Leitungsabschnitte oder Knotenpunkte nach ihrem voraussichtlichen Netzkopplungsrisiko eingestuft werden. Sie unterstützen und Entwicklern unterstützen , ihre Anstrengungen gezielt auszurichten, noch bevor eine formelle Studie beginnt. Ein hoher Wert deutet auf mehr Spielraum hin. Ein niedriger Wert signalisiert, dass frühzeitig mit einer detaillierten Prüfung begonnen werden muss.

Auf einer Landkreiskarte könnte eine Vorort-Zuleitung grün, eine ältere ländliche Zuleitung gelb und eine lange einphasige Abzweigung rot dargestellt sein. Diese Art der Einstufung ist von Bedeutung, da Projekte, die zwischen 2000 und 2018 realisiert wurden, im Median fast 5 Jahre in den Netzanschlusswartelisten der USA. Eine bessere Vorauswahl wird die Wartezeiten in den Warteschlangen zwar nicht beseitigen, aber sie wird vermeidbaren Prüfungsaufwand reduzieren, bevor ein Antrag die technische Prüfung erreicht.

„Sie sollten diese Karten als Planungshilfen betrachten. Sie haben keinen Genehmigungscharakter.“

Eine Zuleitung, die auf der Karte als frei verfügbar erscheint, kann dennoch versagen, sobald die Projektgröße, der genaue Anschlusspunkt oder die Wechselrichtereinstellungen geprüft werden. Die Karte zur Netzkapazität hilft Ihnen, am richtigen Punkt anzusetzen, und die formelle Studie folgt anschließend.

Die Versorgungsunternehmen berechnen die Aufnahmekapazität unter Berücksichtigung der Betriebsgrenzen der Zuleitungen

Versorgungsunternehmen berechnen die Aufnahmekapazität, indem sie einem Zuleitungsmodell Solarenergie hinzufügen, bis eine Betriebsgrenze überschritten wird. Die erste überschrittene Grenze legt den Aufnahmewert für diesen Standort fest. Dadurch basiert das Ergebnis auf den Grenzen und nicht auf Durchschnittswerten. Dies erklärt auch, warum sich die Aufnahmewerte von einem Knotenpunkt zum nächsten verschieben.

Ein üblicher Arbeitsablauf beginnt mit einem kalibrierten Einspeisemodell, fügt in kleinen Schritten Solarstrom an einem in Frage kommenden Sammelbus hinzu, führt eine Leistungsflussberechnung durch und bricht ab, sobald eine Grenze überschritten wird. Ein 500-kW-Vorschlag in der Nähe des Umspannwerks könnte die thermische Belastung bestehen, scheitert aber dennoch an der Rückspeiseeinstellung des Netzbetreibers. Ein anderer Vorschlag am Ende einer Abzweigung könnte zuerst die Spannungsanstiegsgrenze erreichen. Der Abbruchpunkt gibt Aufschluss darüber, worin das Netzanschlussproblem tatsächlich besteht.

Die meisten Energieversorger prüfen dieselben wenigen Einschränkungen, da jede davon einen anderen Aspekt der Netzkopplung abdeckt. Die Spannungsprüfung befasst sich mit lokalen Spannungsanstiegen. Die thermische Prüfung befasst sich mit der Erwärmung der Anlagen. Die Schutzprüfung befasst sich mit der Reaktion des Systems bei einer Änderung der Fehlerstromrichtung und der Leistungsrichtung.

Planer erstellen Standortpläne mithilfe von Tools zur Leistungsflusssimulation

Planer erstellen Hosting-Karten mithilfe von Feeder-Modellen, Power-Flow-Solvern und Datenverbindungen, die dafür sorgen, dass das Modell den tatsächlichen Bedingungen vor Ort möglichst nahekommt. Geografische Daten, Anlagenstammdaten und Telemetriedaten sind ebenso wichtig wie der Solver selbst. Eine gute Kartierung hängt von der Qualität des Modells ab. Die software gibt software wieder, was das Modell enthält.

Ein Team eines Energieversorgers ruft häufig Leitungs- und Transformatorendaten aus seinem geografischen Informationssystem ab, fügt Lastverläufe aus Mess- oder Überwachungsdaten hinzu und führt Batch-Analysen über Hunderte von Sammelschienen durch. Forschungsgruppen fügen oft Zeitreihen-Engines und Regelungsmodelle hinzu, um Wechselrichtereinstellungen, das Verhalten von Reglern und die Neukonfiguration von Abzweigleitungen zu testen, bevor Änderungen vor Ort vorgenommen werden. Diese zusätzliche Modellierungsarbeit ist besonders wichtig bei Abzweigleitungen mit einer hohen Dichte an Dachsolaranlagen. Sie ist vor allem dort von Bedeutung, wo Leitungsregler und einphasige Abzweige zusammenwirken.

Genau in diesem Ausführungsschritt fügt sich OPAL-RT nahtlos ein. Ingenieur:innen Einspeisemodelle, Regelungslogik und hardware in einem Studienablauf miteinander verknüpfen, wodurch sich überprüfen lässt, ob eine Karte die tatsächliche Reaktion der Anlagen unter extremen Sonnenbedingungen widerspiegelt. Der Mehrwert liegt nicht in der Karte allein, sondern in der Verknüpfung zwischen Planungsannahmen und validiertem Anlagenverhalten.

Genaue Hosting-Studien beginnen mit sauberen Quelldaten

Präzise Hosting-Studien beginnen mit einwandfreien Eingabedaten, da schon kleine Modellfehler den verfügbaren Spielraum schnell verzerren. Eine fehlende Reglereinstellung, ein falscher Leiterquerschnitt oder eine veraltete Phasenanschlusskonfiguration verfälschen das Ergebnis. Die Solar-Screening-Analyse reagiert empfindlich auf lokale Details. Unzureichende Eingabedaten führen zu falschem Vertrauen oder falschen Einschränkungen.

Versorgungsunternehmen erfassen in der Regel vor dem ersten Simulationslauf fünf Datengruppen. Jede Gruppe verknüpft das Verteilernetzmodell mit den tatsächlich vor Ort vorhandenen Anlagen. Fehlt auch nur eine dieser Gruppen, wird das Ergebnis verfälscht. Die folgende Liste enthält die Mindestanforderungen, die Planer verwenden.

• Leitungs- und Kabelimpedanz mit Phasenkonfiguration für jedes Segment
• Nennleistungen der Transformatoren, Anzapfstellen und Anschlussdetails an den einzelnen Standorten
• Lastverteilung, die saisonale und stündliche Schwankungen berücksichtigt
• Geräteeinstellungen für Regler, Kondensatoren, Relais und Wiedereinschaltvorrichtungen
• Bestehende Verteilte Energieressourcen Angaben zu Standortgröße und Wechselrichtersteuerung

Eine Zuleitung mit zwei falsch beschrifteten einphasigen Abzweigungen kann auf dem Papier offen erscheinen, versagt jedoch, sobald die Einsatzkräfte die Phasenlage überprüfen. Aus diesem Grund verwenden Versorgungsunternehmen viel Zeit auf die Bereinigung ihrer Modelle, bevor sie eine Karte zur Aufnahmekapazität veröffentlichen. Die Bereinigungsarbeiten erscheinen zwar langwierig, verhindern jedoch später bei der Prüfung der Netzanbindung weitaus größere Verzögerungen.

Der Spannungsanstieg setzt die erste Grenze für die Solarenergie

Ein Spannungsanstieg ist oft die erste Einschränkung bei Solaranlagen, da die höchste Stromerzeugung zu Zeiten auftritt, in denen der lokale Verbrauch gering ist und Strom zurück zur Quelle fließt. Lange Zuleitungen und eine unzureichende Spannungsregelung verschärfen das Problem. Das Problem tritt lokal auf. Eine Zuleitung kann insgesamt einwandfrei erscheinen und dennoch an einem Knotenpunkt ausfallen.

Ein 75-kW-Dach-Cluster am Ende einer ländlichen Einphasen-Abzweigung kann Kund:innen im April zur Mittagszeit über den zulässigen Bereich hinaus ansteigen lassen, obwohl der Transformator des Umspannwerks über reichlich Reservekapazität verfügt. Diese Diskrepanz verwirrt die Antragsteller. Sie sehen die ungenutzte Nennleistung der Anlagen. Der Energieversorger sieht hingegen ein Spannungsproblem an einer ganz bestimmten Stelle im Stromkreis.

Aus diesem Grund ist die Netzanschlusskapazität an den Netzrändern in der Regel geringer als in der Nähe des Umspannwerks. Das ist auch der Grund, warum Durchschnittswerte auf Zuleitungsebene das Risiko verschleiern, das für Sie am wichtigsten ist. Ergebnisse auf Knoten- oder Abschnittsniveau sind für die Standortwahl von Solaranlagen weitaus aussagekräftiger. Sie zeigen, wo die tatsächliche Schwachstelle liegt.

Zeitreihenverfahren liefern Planern zuverlässigere Ergebnisse

Zeitreihenverfahren liefern Planern zuverlässigere Ergebnisse, da sich die Solarstromerzeugung und der Verbrauch im Laufe des Tages verändern, während die Steuerung der Einspeiseleitungen mit Verzögerungen und Totzonen reagiert. Eine einzelne Momentaufnahme lässt diese Wechselwirkungen außer Acht. Die sequenzielle Simulation erfasst sie hingegen. Dadurch wird der Hosting-Wert für Planer, die dafür einstehen müssen, aussagekräftiger.

Ein Stromfluss zur Mittagszeit an einem milden Tag mag bei einer Zuleitung mit einer Dachsolaranlage keine Probleme aufzeigen, doch eine einwöchige Aufzeichnung kann wiederholte Regleraktivitäten, Rückstrom durch einen Leitungsregler und kurze Überspannungen nach Aufklaren der Wolken offenbaren. Diese Betriebsmuster sind von Bedeutung, da wiederholte Regelvorgänge die Anlagen verschleißen. Außerdem verringern sie die verbleibende Reserve für den nächsten Netzanschlussantrag. Eine Zuleitung kann die statische Prüfung bestehen und sich dennoch im Laufe der Zeit schlecht verhalten.

Versorgungsunternehmen benötigen nicht bei jedem Screening-Durchlauf eine Zeitreihenanalyse. Sie ist nur bei Abzweigleitungen mit hoher Solarkonzentration, empfindlichen Regelgeräten oder sichtbarer Rückspeisung erforderlich. Dieser zusätzliche Aufwand ist gerechtfertigt, wenn einfache Screening-Ergebnisse und das gemessene Verhalten der Abzweigleitungen immer wieder voneinander abweichen. So wird die Lücke zwischen einer schnellen und einer verlässlichen Antwort geschlossen.

Durch Steuerungsänderungen lässt sich die Förderleistung vor einer Überholung steigern

Durch Änderungen an der Steuerung lässt sich die Kapazität einer Zuleitung bereits vor einer Sanierung erhöhen, wenn die Grenze nicht in der Leiter- oder Transformatorgröße liegt, sondern in der Spannungsregelung, den Schutzeinstellungen oder der Wechselrichterreaktion. Energieversorger haben oft Spielraum, zunächst die Einstellungen anzupassen. Der Nutzen hängt von der Validierung ab. Steuerungsmaßnahmen, die in einer Tabellenkalkulation vielversprechend aussehen, müssen dennoch diszipliniert Tests.

Eine Zuleitung, an deren einem Ende eine Überspannung auftritt, kann nach Kompensation des Spannungsabfalls am Regler, der Volt-Var-Reaktion des Wechselrichters, dem Phasenausgleich oder einer Verschiebung des Netzanschlusspunkts mehr Solarstrom aufnehmen. Die Kosten hierfür sind geringer als bei einer Neuverlegung der Leitungen. Es bestehen jedoch auch Risiken, wenn die Einsatzkräfte diese Maßnahmen durchführen, ohne die Reichweite der Schutzvorrichtungen, Kund:innen und das Zusammenspiel der Geräte über mehrere Betriebsstunden hinweg zu überprüfen. Die kostengünstigste Lösung ist nur dann sinnvoll, wenn eine Untersuchung belegt, dass sie unter allen Betriebsbedingungen Bestand hat.

Das ist die grundlegende Erkenntnis, die der Arbeit zum Thema Aufnahmekapazität zugrunde liegt. Gute Studien zeigen nicht nur auf, wo die Grenzen der Solarenergie liegen.

„Sie zeigen, welche Grenzen struktureller Natur sind und welche sich durch fundierte Kontrollmaßnahmen verschieben lassen.“

OPAL-RT kommt am häufigsten in diesem letzten Schritt zum Einsatz, da eine Simulation im geschlossenen Regelkreis dazu beiträgt, nachzuweisen, dass sich eine vorgeschlagene Regelungsmaßnahme auch dann genauso verhält, wenn sie von den Teams vor Ort in Betrieb genommen wird.