Stromausfall trotz PV? Warum Solaranlagen ohne Netz ausgehen

Eine klassische Photovoltaikanlage produziert bei einem Stromausfall keinen Strom für das eigene Gebäude. Sobald das öffentliche Versorgungsnetz spannungsfrei ist, schaltet sich der Wechselrichter innerhalb von 200 Millisekunden automatisch ab. Wer bei Netzausfall weiter Solarstrom im Haus nutzen möchte, benötigt spezielle netzbildende Hybrid-Wechselrichter, einen Batteriespeicher und eine allpolige Netztrennung für den Inselbetrieb.

Das Phänomen: Die Sonne scheint, aber im Haus bleibt der Strom weg

Viele Eigenheimbesitzer wiegen sich beim Kauf einer Photovoltaikanlage in trügerischer Sicherheit. Die naheliegende Annahme: Wenn auf dem Dach hunderte Quadratmeter Siliziumzellen in voller Mittagssonne Strom produzieren, müsste das eigene Haus bei einem Netzausfall doch mühelos weiterversorgt werden können. Die Ernüchterung folgt beim ersten lokalen Stromausfall. Trotz strahlendem Sonnenschein erlöschen die Lampen, der Induktionsherd schaltet ab und die Kühltruhe taut ab. Die PV-Anlage stellt ihre Arbeit abrupt ein.

Dieses Verhalten ist kein Defekt des Systems, sondern eine technisch zwingende und gesetzlich vorgeschriebene Sicherheitsreaktion. Standardmäßig installierte Solaranlagen sind sogenannte netzparallele Systeme. Sie sind konstruktiv nicht dafür ausgelegt, als autonome Kraftwerke unabhängig von der Außenwelt zu existieren. Um zu verstehen, warum das so ist, muss man die Funktionsweise des Herzstücks jeder Solaranlage betrachten: des Wechselrichters.

Netzgeführte Wechselrichter: Warum die PV-Anlage das Netz als Taktgeber braucht

Die Solarmodule auf dem Dach liefern Gleichstrom (DC). Im Hausnetz und im öffentlichen Versorgungsnetz fließt hingegen Dreiphasenwechselstrom (AC) mit einer sinusförmigen Wechselspannung von 230 Volt beziehungsweise 400 Volt und einer festen Frequenz von exakt 50 Hertz. Die primäre Aufgabe des Solar-Wechselrichters besteht darin, den Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Doch ein herkömmlicher Wechselrichter kann diese Wechselspannung nicht aus sich selbst heraus generieren.

Der Grund dafür ist die sogenannte Netzführung. Der Wechselrichter ist ein netzgeführter Oszillator: Er lauscht kontinuierlich auf das Signal, das aus den Erdkabeln der Stadtwerke in den Hausanschlusskasten strömt. Er benötigt diese externe Wechselspannung als Taktgeber, Schablone und Wellenform. Erst wenn der Wechselrichter die exakte Phase, Sinuskurve und Frequenz des übergeordneten Netzes erkannt hat, koppelt er sich daran an. Er schiebt seine eigene Stromwelle mit minimal höherer Spannung in das Netz, sodass elektrische Energie fließen kann.

Bricht das öffentliche Versorgungsnetz zusammen – sei es durch einen Baggerbiss in eine Trasse, einen Sturmschaden oder eine Transformatorstörung –, fehlt dem Wechselrichter seine Referenz. Er verliert gewissermaßen seinen Herzschlag. Ohne den externen Taktgeber weiß das Gerät weder, in welchem Winkel die Sinuswelle schwingen muss, noch kann es die Spannung regulieren. In der Folge stellt die Steuerungselektronik die Taktung der Leistungstransistoren augenblicklich ein. Die Solarstromproduktion kollabiert sofort.

Personenschutz geht vor: Die Gefahr der Rückspeisung und der NA-Schutz

Die Netzführung ist jedoch nur die halbe Erklärung. Der zweite, weitaus dringlichere Grund für die automatische Abschaltung ist der Schutz von Menschenleben. Dieser Aspekt ist in Deutschland, Österreich und der Schweiz streng normiert, unter anderem über die technische Anwendungsregel VDE-AR-N 4105.

Fällt in einem Straßenzug der Strom aus, rückt der Stördienst des Verteilnetzbetreibers an. Um defekte Muffen zu tauschen oder gekappte Mittelspannungs- und Niederspannungskabel zu flicken, schalten die Monteure den betroffenen Netzabschnitt in der Ortsnetzstation spannungsfrei und sichern ihn gemäß den fünf Sicherheitsregeln der Elektrotechnik ab. Würden die Photovoltaikanlagen auf den umliegenden Dächern bei Netzausfall einfach munter weiter einspeisen, geschähe etwas Lebensgefährliches: Sie würden elektrischen Strom rückwärts über den Hausanschluss in das ansonsten tote Straßennetz drücken.

Die Folge wäre eine unkontrollierte Inselbildung. Leitungen, an denen Monteure ohne Isolationshandschuhe arbeiten, stünden unvermittelt unter tödlicher Spannung von hunderten Volt. Aus diesem Grund verlangt die VDE-Norm in jedem Wechselrichter eine selbsttätige Freischalteinrichtung, historisch bekannt als ENS (Einrichtung zur Netzüberwachung mit zugeordneten Schaltorganen) und heute integraler Bestandteil des Netz- und Anlagenschutzes (NA-Schutz). Diese Einheit überwacht Spannung und Netzfrequenz permanent im Millisekundentakt:

• Unter- und Überspannung: Weicht die Spannung um mehr als die zulässigen Toleranzen vom 230-Volt-Sollwert ab, trennt das Relais die Verbindung.
• Frequenzabweichungen: Verlässt die Frequenz den Korridor zwischen 47,5 und 51,5 Hertz, erfolgt die Abschaltung.
• Spannungsfreiheit: Fällt das Netz vollständig aus, muss die Trennung galvanisch und unverzögert erfolgen – in der Regel in weniger als 200 Millisekunden.

Die physikalische Herausforderung: Das sekundengenaue Gleichgewicht im Inselnetz

Selbst wenn man das Risiko der Rückspeisung außer Acht ließe, stünde eine solare Eigenversorgung ohne Puffer vor einem fundamentalen physikalischen Problem: In jedem Wechselstromnetz müssen zu jedem Sekundenbruchteil Erzeugung und Verbrauch exakt identisch sein. Weicht die Erzeugung vom Verbrauch ab, gerät das Netz binnen Millisekunden aus dem Tritt; Spannung und Frequenz laufen aus dem Ruder.

Das öffentliche Stromnetz fängt Lastwechsel durch gewaltige rotierende Schwungmassen in Großkraftwerken sowie durch dezentrale Regelenergie auf. Schaltet jemand im Haus einen 2.000-Watt-Wasserkocher ein, spürt das lokale Hausnetz davon nichts, weil das riesige europäische Verbundnetz diesen minimalen Lastsprung im Rauschen nivelliert. In einem kleinen, autarken Inselnetz existiert dieser Puffer nicht.

Zieht eine Wolke über das Dach, bricht die Modulleistung schlagartig von 8.000 Watt auf 1.200 Watt ein. Läuft gleichzeitig die Wärmepumpe an, übersteigt die Last die solare Erzeugung drastisch. Die Spannung würde ins Bodenlose fallen und elektronische Geräte beschädigen. Umgekehrt: Schaltet die Wärmepumpe ab, während die Sonne plötzlich wieder hervorbricht, entstünde eine massive Überspannung. Aus diesem Grund ist eine PV-Anlage ohne leistungsstarken Zwischenspeicher (Batterie) physikalisch gar nicht in der Lage, ein stabiles Inselnetz aufzubauen.

Notstrom vs. Ersatzstrom: Zwei technisch grundverschiedene Lösungsansätze

Wer sich gegen Ausfälle absichern will, muss bei der Planung präzise zwischen zwei Konzepten unterscheiden, die in Verkaufsgesprächen leider häufig verwechselt werden: Notstrom und echter Ersatzstrom.

1. Die Notstromfunktion (Basis-Notstrom)

Viele Hybrid-Wechselrichter besitzen an ihrer Unterseite eine separat herausgeführte Steckdose oder einen dedizierten Notstrom-Ausgang. Fällt das öffentliche Netz aus, trennt der Wechselrichter das reguläre Hausnetz ab und versorgt ausschließlich diese eine Steckdose mit Batteriestrom. Im Haus bleibt das Licht dunkel, aber man kann per Verlängerungskabel die Gefriertruhe, das WLAN-Modem oder ein Smartphone-Ladegerät anschließen. Diese Lösung ist kostengünstig, erfordert keine Umbauten am Zählerschrank, liefert meist aber nur einphasigen Strom mit begrenzter Dauerleistung von meist 1,5 bis 3 Kilowatt.

2. Echter Ersatzstrom mit allpoliger Netztrennung (Voll-Backup)

Die Königsklasse ist das vollwertige Ersatzstromsystem. Hier wird das gesamte Hausnetz – oder ein separat definierter Havarie-Stromkreis – bei einem Stromausfall automatisch versorgt. Das Haus bemerkt den Ausfall oft kaum: Nach einer Umschaltzeit von wenigen Sekunden (oder bei USV-fähigen Systemen in unter 20 Millisekunden) laufen Licht, Haushaltsgeräte und Steckdosen nahtlos weiter.

Hierfür sind drei Voraussetzungen unabdingbar:

• Ein netzbildender Wechselrichter, der eigenständig eine stabile Sinusspannung von 50 Hertz und 230/400 Volt erzeugt.
• Ein Batteriespeicher, der als Energiereserve und Puffer für sekundenschnelle Lastschwankungen dient.
• Eine externe Umschaltbox (Backup-Box) mit allpoliger Netztrennung, die das Haus physisch vom Versorgungsnetz isoliert.

Die allpolige Netztrennung: Wie ein Trennschalter das Haus zur autarken Insel macht

Um ein Haus legal und gefahrlos im Inselbetrieb zu betreiben, muss eine vollständige galvanische Trennung vom öffentlichen Netz erfolgen. Der Gesetzgeber schreibt hierfür eine allpolige Trennung vor. Das bedeutet: Nicht nur die drei stromführenden Phasen (L1, L2, L3) müssen getrennt werden, sondern auch der Neutralleiter (N). Bei einem vierpoligen Umschalter werden alle vier Leiter physisch unterbrochen.

Ist diese Trennung vollzogen, schaltet die Steuerung den Wechselrichter in den netzbildenden Modus. Gleichzeitig muss im Zählerschrank ein temporäres Erdungssystem (oft eine Schutzleiter-Neutralleiter-Brücke im TN-S-Netz) aktiviert werden, damit vorgeschriebene Schutzschalter (FI-Schalter bzw. RCDs) im Inselbetrieb weiterhin lebensrettend auslösen können. Erst wenn das Haus zu 100 Prozent vom Außennetz isoliert ist, darf der Wechselrichter sein eigenes kleines Netz aufspannen. Sobald der Netzbetreiber die Störung behoben hat und wieder eine stabile Netzspannung anliegt, wartet das System Sicherheitsprüfungen ab, synchronisiert sich mit dem öffentlichen Netz und schaltet das Haus unterbrechungsarm wieder auf den Netzbetrieb zurück.