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Wie funktioniert ein Mikrowechselrichter?

Author's iconSophia Reker
Technik
15. JuliLesezeit 14 Minuten
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Wechselrichter-Photovoltaik-Funktion: So arbeitet Dein Mikrowechselrichter!

Der in Deinen Solarmodulen erzeugte Solarstrom unterscheidet sich von dem Strom in deutschen Netzen. Ehe er im öffentlichen Stromnetz zur Verfügung gestellt wird, durchläuft er eine Umwandlung. Diese findet im Wechselrichter statt. Ohne einen Wechselrichter wäre eine Solaranlage wenig wert, weil die erzeugte Energie nicht so leicht verwendbar wäre. Wie bei den meisten technischen Produkten existiert nicht nur der eine Wechselrichter, stattdessen befinden sich verschiedene Arten von Wechselrichtern auf dem Markt.

Ziel dieses Beitrags ist es, Dich als interessierte Person oder BesitzerIn einer Mini-Solaranlage darüber zu informieren, wie ein Wechselrichter funktioniert, welche Aufgaben er hat und warum der Modulwechselrichter die beste Wahl für Deine Anlage ist. Zunächst gehen wir dabei ausführlich auf die Funktionsweise von Wechselrichtern ein und kramen etwas tiefer in der Physik-Kiste. Wenn Du eher am praktischen Teil interessiert bist, wird Dich vor allem der Abschnitt “Die Besonderheiten eines Mikro-Wechselrichters” interessieren.

Gleichstrom in Wechselstrom: Was macht der Wechselrichter?

Die groben Aufgaben aller Wechselrichter auf dem Markt sind gleich: Egal, ob String-, Zentral- oder Modulwechselrichter, sie machen den erzeugten Solarstrom für das Hausnetz und das öffentliche Netz kompatibel. Der in den Solarmodulen erzeugte Gleichstrom ist nämlich nicht für das Stromnetz geeignet, da hier Wechselstrom fließt.

Die Entscheidung für Wechsel- und gegen Gleichstrom im öffentlichen Netz ist vor mehr als einem Jahrhundert gefallen. Sie ergab sich aus einer großen historischen Auseinandersetzung: Thomas Alva Edison, der Erfinder der elektrischen Glühbirne, und Nikola Tesla duellierten sich mit ihren Konzepten. Tesla hatte den Wechselstrom entwickelt, der es ermöglichte, Strom mit Hochspannung zu transportieren. Dank dieser Hochspannung sanken die Energieverluste während des Transports und es wurde zunehmend klarer, dass…

  • der Transport möglichst hoher Strommengen durchs Netz eine bessere Energieversorgung der Verbraucher gewährleistet;
  • die hohen verkauften Strommengen für die Energieversorger wirtschaftlich vorteilhaft sind;
  • und geringe Verluste beim Transport umweltfreundlich sind.

Aus diesen Hauptgründen fließt heute Wechselstrom durch die Netze. Weil das Sonnenlicht von Natur aus aber als Gleichstrom an den Modulen der Solaranlage anliegt, braucht es eine zwischengeschaltete Komponente, um den Solarstrom in kompatiblen Wechselstrom umzuwandeln. Diese Komponente ist der Wechselrichter. Während die groben Aufgaben also bei allen Wechselrichtern gleich sind, unterscheiden sich die einzelnen Arten von Wechselrichtern im Detail durchaus.

Wie erwähnt, geben wir Dir am Ende des Beitrags einen Kompaktüberblick über sämtliche Wechselrichter-Typen. Im Folgenden gehen wir aber zunächst auf die detaillierte Funktionsweise des Wechselrichters an sich ein.

Wie funktioniert ein Wechselrichter im Detail?

Um von der Pike auf die detaillierte Funktion der Wechselrichter und sämtliche Vorgänge drumherum zu verstehen, ist es sinnvoll, sich zuerst mit der generellen Funktionsweise von Solarzellen zu beschäftigen. Alles Wichtige hierzu erklären wir Dir in diesem Blogbeitrag.

#1: In Solaranlagen entsteht Gleichstrom

Zur Erzeugung von Energie in den Solarzellen sind bewegliche Teilchen (Photonen) notwendig, die durch die Einstrahlung der Sonne auf die Solarmodule aufgenommen werden. Negativ und positiv geladene Teilchen verbinden sich zuerst zu Ladungsträgern, die dann im sogenannten pn-Übergang der Solarzelle wieder getrennt werden. Diese Trennung lässt Spannungen entstehen und bedingt vor allem ein Bestreben: Ausgleich!

Der Spannungsausgleich wird eingeleitet, indem die Solaranlage an das Stromnetz angeschlossen wird. Dann bewegen sich die Elektronen in Richtung des so erzeugten Pluspols und Strom fließt, bis die Netzverbindung unterbrochen wird.

Der so erzeugte Solarstrom liegt jedoch als Gleichstrom an und kann somit nicht direkt ins Netz eingespeist werden. Zur Umwandlung des Stroms kommt daher nun der Wechselrichter zum Einsatz.

Bei Gleichstrom fließen alle Teilchen gleichmäßig in eine Richtung, während sich beim Wechselstrom die Richtung der Teilchen regelmäßig ändert.

#2: Die großen Vorteile der wechselnden Stromrichtung

Die wechselnden Richtungen bieten verschiedene Möglichkeiten, den Strom zu nutzen. In Hochspannungsnetzen sind so Werte von bis zu 380.000 Volt erreichbar, die daraufhin in Transformatoren auf die für das deutsche Stromnetz typische Spannung von 230 Volt reduziert werden können. Zudem lässt sich in Generatoren einfach Wechselstrom erzeugen, der häufig erst durch einen Konverter wie Du ihn beispielsweise vom Netzteil Deines Laptops kennst, wieder in Gleichstrom für einige Multimedia-Geräte umgewandelt wird.

#3: Wechselrichter-Funktion: Von der Schwingung bis zur Brücke

Die Wechselrichter, die es heute gibt, arbeiten anders als die Wechselrichter von vor mehreren Jahrzehnten. Anfangs war der Prozess der Stromumwandlung noch wenig effizient und mitnichten wirtschaftlich. Er basierte auf Schwingungen zur Änderung der Frequenz:

  • Die Basis der Umwandlung bildete das Relais. Was fein französisch klingt, ist mechanisch zunächst einmal nicht viel mehr als ein elektromagnetischer Schalter, mit dessen Hilfe sich Stromkreise unterbrechen und fortsetzen lassen.
  • Sobald das Relais in Schwingung versetzt wird, wird der Stromfluss unterbrochen und von Neuem gestartet, wodurch die Transformation in Wechselstrom gelingt. Dabei bestimmt die Schwingung über die Frequenz. Letztere ist ein wesentliches Merkmal der Kompatibilität des Wechselstroms mit dem öffentlichen Netz.
  • Als Alternative besteht zudem die Option, die Polarität der Ausgangsspannung umzuschalten. Die beiden gegensätzlichen Pole, zwischen denen ein Stromfluss herrscht, können über das Relais in ihrer Anordnung verändert werden. So entstehen ebenfalls Schwingungen, die die Frequenz ändern. Über die Integration einer Schwungmasse lässt sich die Frequenz des Wechselstroms dann steuern.

Aufgrund der starken Abnutzung der Komponenten, des hohen Geräuschpegels und der Funkenbildung ist diese Technologie allerdings alles andere als ideal. Daher wurde gegen Mitte des letzten Jahrhunderts die Halbleitertechnik entwickelt, die den entscheidenden Durchbruch in der Evolution der Wechselrichter markierte:

  • In den Halbleitern sind Leistungstransistoren enthalten. Diese fungieren als elektronische Schalter und ermöglichen die bis heute im Wechselrichter angewandte H-Brückenschaltung
  • Durch das wechselnde Schließen und Öffnen des Stromkreises vierer Schalter über Kreuz ändert sich die Polarität fortlaufend. Bei 100 Wechseln innerhalb einer Sekunde ergibt sich eine Wechselspannung von 50 Hertz. Diese Wechselspannung ist in deutschen Netzen üblich.

Zusammenfassung: Die Funktionsweise eines Solar-Wechselrichters bei Deiner Mini-PV-Anlage

Direkt nachdem Strom in der Solaranlage generiert wird, fließt er durch den Wechselrichter. Der Wechselrichter erzeugt mittels Halbleitertechnologie eine Brückenschaltung, die der Unterbrechung des Stromkreises dient. Hierbei wird der Stromkreis 100 Mal in einer Sekunde unterbrochen, wobei vier Schalter über Kreuz paarweise geöffnet und geschlossen werden. Weil sich dadurch die Polarität der Plus- und Minuspole ändert, geraten die beweglichen Teilchen in Schwingung und wechseln die Richtungen. Dabei entsteht eine Wechselspannung mit einer Frequenz von 50 Hertz (kurz: Hz), die in deutschen Stromnetzen regulär anliegt.

Wechselspannung: Klar. Aber wie wird die angestrebte Netzspannung von 230 Volt erreicht?

Abgesehen von der Wechselspannung gibt es noch die generelle Spannungshöhe von 230 Volt in deutschen Stromnetzen, die der zirkulierende Strom haben muss. Diese ist mit einem Wechselrichter allein nicht erreicht. Zum Erreichen der angestrebten Spannungshöhe ist im Wechselrichter ein Transformator oder Spannungswandler integriert. Dieser ist der H-Brücke nachgeschaltet, sodass der Wechselstrom weiterfließt, um hoch oder heruntertransformiert zu werden.

Es arbeiten jedoch nicht alle Verbrauchsgeräte und Stromnetze mit den gleichen Spannungswerten. Beispielsweise ist die Betriebsspannung Deines Laptops oder einer Batterie eine andere als die im Hausstromnetz. Somit besteht nicht nur bei einer Photovoltaikanlage die Notwendigkeit, die Spannungshöhe anzupassen. Aus diesem Grund ist in den meisten elektrischen Geräten eine Komponente verbaut, die für die Spannungsumwandlung zuständig ist. Im Wesentlichen gibt es hierbei zwei Optionen: Transformatoren und Spannungswandler.

Aufbau und Funktionsweise von Transformatoren und Spannungswandlern

Transformatoren werden häufig auch als “Trafo” abgekürzt und haben in der Elektrotechnik einen großen Stellenwert. Für die Funktionsweise Deiner Photovoltaikanlage, spielt er so heutzutage hingegen kaum noch eine Rolle, da ein klassischer Trafo bei Wechselrichtern heute kaum noch Anwendung findet. Grund hierfür sind sein hohes Gewicht und der schlechtere Wirkungsgrad. Heute sind für Photovoltaikanlagen stattdessen Wechselrichter mit DC/AC-Wandlern im Einsatz.

Um Dir trotzdem einen möglichst vollständigen Überblick über die grundsätzliche Spannungsumwandlung zu geben, gehen wir zunächst trotzdem auf den klassischen Trafo ein. Dieser setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen:

  • Ferrit- oder Eisenkern, weil diese Materialien eine optimale magnetische Leitfähigkeit haben;
  • Kupferdrähte, die mehrfach gewickelt sind und als elektrische Leiter fungieren;
  • und Spulen, die nichts anderes als zwei Seiten des Ferrit- oder Eisenkerns sind, um die die Kupferdrähte gewickelt sind.

Maßgeblich für die Funktionsweise eines Trafos ist nun die Bewegung des Magneten. Durch Bewegungen in den Spulen wird über das Magnetfeld eine Spannung induziert.

Die erste Frage an dieser Stelle ist, wie sich die Spannungshöhe regulieren lässt. Beispielsweise muss beim Solarstrom aus Solaranlagen nach der Umwandlung im Wechselrichter die Spannungshöhe gesteigert werden, um die vorgesehenen 230 Volt für das öffentliche Stromnetz erreichen zu können. Hier kommt das Wicklungsverhältnis ins Spiel:

  • Wenn die Anzahl der Wicklungen der Kupferdrähte in beiden Spulen gleich ist, sind auch die Spannungswerte auf beiden Seiten des Transformators gleich. Die beiden Seiten werden Primärseite und Sekundärseite genannt – analog dazu heißen die Spulen Primärspule und Sekundärspule.
  • Weicht das Wicklungsverhältnis hingegen ab, so ändert sich die Spannungshöhe entsprechend auf der Sekundärseite. Bei einer geringeren Anzahl von Wicklungen auf der Sekundärspule wird der Strom also mit einer geringeren Spannungshöhe ins Netz eingespeist, als er sie vor dem Durchlaufen des Transformators hatte und umgekehrt.

Die elegante Lösung

Aufgrund ihres Ferrit- oder Eisenkerns haben Transformatoren grundsätzlich ein verhältnismäßig hohes Gewicht. Bei der Montage macht es sich dementsprechende auch bemerkbar, wenn ein Wechselrichter mit Trafo ausgestattet ist. Für die kleineren, auf Effizienz ausgelegten Mikro- oder Modulwechselrichter sind Transformatoren daher unpraktisch. Zudem sind Trafos auf eine Kühlung angewiesen – die dementsprechend in den Trafo-Wechselrichtern verbauten Lüfter verbrauchen zusätzliche Energie, die allerdings auch den Wirkungsgrad schmälert. Als Alternative gibt es daher DC/AC-Wandler. Diese beinhalten eine oder mehrere Dioden, durch die sich der Gleichstrom aus den Solarmodulen nur in eine Richtung bewegt. Eine Schaltungskonstruktion trägt dazu bei, dass zunächst Gleichstrom mit höherer Spannung erzeugt wird und dieser daraufhin in Wechselstrom umwandelt wird.

Wechselrichter für die Photovoltaikanlage: Wichtige Begriffe

Im Folgenden gilt es noch drei wesentliche Begriffe der Wechselrichter-Technik zu erläutern, die auch für den Betrieb Deiner PV-Anlage von Relevanz sind. Du bekommst dabei zunächst ein paar Hintergrundinfos zu den Begriffen, ehe wir konkret auf die Funktionsweise eingehen.

Was ist Wechselrichterleistung?

Die Wechselrichterleistung ist bei vielen Fragen rund um den Anschluss einer Mini-PV-Anlage an das öffentliche Netz und die Anmeldung der Anlage ausschlaggebend. Bis zu einer Leistung von 600 Watt ist es erlaubt, Photovoltaikanlagen per Schuko-Stecker selbst anzuschließen und vereinfacht anzumelden. Übertrifft die Leistung einer Photovoltaikanlage 600 Watt, so ist die Installation der Anlage mit einem höheren Aufwand verbunden, weil z.B. für den Betrieb der Anlage ein Wieland-Stecker und eine Wieland-Steckdose benötigt werden. Mehr zu diesem Thema erfährst Du in unserem Blogbeitrag zum Schuko und Wieland-Stecker.

Allerdings ist nicht die Leistung der Solarmodule Deiner Anlage der entscheidende Faktor, sondern die Wechselrichterleistung. Nicht selten überschreiten die Solarmodule die Nennleistung von 600 Watt, weil aber der Wechselrichter mit einer Nennleistung von 600 Watt einspeist (Nennleistung ist die vom Hersteller angegebene Maximalleistung) können darüber betriebene Photovoltaikanlagen trotzdem vereinfacht angemeldet und von Laien installiert werden.

Die Wechselrichterleistung gibt also an, wie hoch die Leistung einer Solaranlage ist, mit der der Wechselstrom ins Netz eingespeist wird. Dabei ist die Konstruktion des Wechselrichters der bestimmende Faktor darüber, wie hoch seine Leistung ist. Die maximale Wechselrichterleistung wird somit in der Produktion bestimmt, wodurch für verschiedene Anwendungszwecke auch verschiedene Leistungswerte der Geräte sinnvoll sind. Obwohl es umgangssprachlich heißt, dass der Strom aus der Photovoltaikanlage eingespeist wird, ist es anders: Die Wechselrichter-Einspeisung ins Hausnetz ist der entscheidende Wert.

Wie erzeugt ein Wechselrichter Blindleistung?

Blindleistung ist ein Phänomen, das bei Wechselstrom auftritt. Du weißt bereits, dass sich bei Wechselstrom die Richtung/Polung regelmäßig ändert. Hierbei kann es zu einer Phasenverschiebung kommen, bei der Strom und Spannung nicht mehr "in Phase" also nicht mehr synchron verlaufen.

Stimmen die Phasen überein, wird reine Wirkleistung generiert, die zu 100 % verwertbar ist. Bei einer Phasenverschiebung kommt es allerdings zwischen Stromstärke und Spannung zu einer negativen Phasendifferenz. So entsteht Blindleistung, die nicht verwertbar, aber trotzdem im Netz vorhanden ist und u.a. zu Transportverlusten der Energie führt. Aufgrund eines Gesetzes vom 1. Juli 2010 ist es sogar Pflicht, dass eine Solaranlage neben der Wirk- auch Blindleistung bereitstellen kann.

Du fragst Dich jetzt vielleicht, wie sinnvoll es ist, PV-Anlagen zu haben, die gezielt Blindleistung liefern, obwohl Blindleistung keine verwertbare Energie mit sich bringt. Darauf gibt es eine Antwort:

Es ist möglich, Phasenverschiebungen so zu gestalten, dass sie die Phasenverschiebung im Netz kompensiert. Blindleistung bei Solaranlagen trägt also zur Stabilität des öffentlichen Stromnetzes bei. Weil der Wechselrichter den Strom einspeist, muss dieser somit auch mit einer entsprechenden Technologie ausgestattet sein, die folgende Voraussetzungen erfüllt:

  • Die Phasenverschiebung ist messbar, dabei ist der Verschiebungsfaktor cos(φ) die entscheidende Größe.
  • Neben der Wirkleistung der Anlage, für die der Wechselrichter ausgelegt ist, wird er technisch so konzipiert, dass er zusätzlich zur Wirkleistung noch eine Blindleistung erzeugen kann. Der genannte Verschiebungsfaktor und die Wirkleistung dienen der Berechnung der erforderlichen Blindleistung.
  • Es wird Strom mit einer Scheinleistung ins Netz gebracht, wobei überwiegende Anteil Wirkleistung darstellt. Der Rest besteht aus Blindleistung.

Was ist Maximum Power Point Tracking (MPPT)?

Der Maximum Power Point (MPP) ist mit Blick auf die Solarzellen der Module immens wichtig: Es ist der Punkt, an dem eine Solarzelle mit der maximalen möglichen Leistung (also im Idealfall der Nennleistung) operiert. Darauf hat auch der Wechselrichter einen Einfluss. Moderne Wechselrichter nutzen MPP-Tracker und ermitteln diesen Punkt der maximalen Leistung während des Betriebs der Anlage. Dieser Prozess wird Maximum Power Point Tracking (MPPT) genannt. Hierbei wird im Wechselrichter die Spannung und Stromstärke so angepasst, dass die höchstmögliche Leistung ausgegeben werden kann.

Stecker-Solaranlagen von priwatt nutzen Modulwechselrichter mit MPP-Tracker. So kommt für die Module ein großer Vorteil zum Tragen, den ein Zentralwechselrichter, der für alle Solarmodule genutzt wird, nicht hat: Der Höchstleistungspunkt wird für jedes Modul einzeln errechnet, was die Effizienz der gesamten Photovoltaikanlage optimiert.

Die Besonderheiten eines Mikro-Wechselrichters

Die Besonderheiten eines Mikro-Wechselrichters im Vergleich zum Stringwechselrichter oder Zentralwechselrichter ergeben sich erst aus dessen Anwendung, denn im Grunde funktioniert die Umwandlung von Solarstrom im Zentralwechselrichter genauso wie im Modulwechselrichter.

Werfen wir daher einen Blick auf die grundsätzlichen Vorteile der Verwendung eines Mikro-Wechselrichters:

  • Modulare Basis
  • Skalierbarkeit und Anpassbarkeit
  • Einfachheit & Kostenfaktor
  • Sicherheit

#1 | Die modulare Basis ist ein Effizienzfaktor.

Die Tatsache, dass der Wechselrichter an den einzelnen Modulen angebracht wird, verschafft Dir mehrere Vorteile, wie die maximale Effizienz pro Modul. Bei ein bis zwei Modulen pro Wechselrichter erlaubt der MPP-Tracker – im Gegensatz zu einem String- oder Zentralwechselrichter – eine genauere Berechnung des MPP pro Modul.

Eine herkömmliche Anlage mit einem Wechselrichter auf String-Basis kann hingegen auf das Problem stoßen, dass es aufgrund wechselnder Lichtverhältnisse und weiterer Einflussfaktoren zu Energieverlusten kommt und dies ohne angepasstes MPP-Tracking zu Einbußen bei der erzeugten Solarstrom-Menge führt. Für maximale Stromerträge wird für möglichst wenige Module ein separates MPP-Tracking benötigt.

#2 | Skalierbarkeit und Anpassbarkeit bringen Flexibilität.

Im Gegensatz zu einem Stringwechselrichter ist beim Mikro-Wechselrichter eine beliebige Anordnung und Anpassung der Module umsetzbar. Vor allem AnlagenbesitzerInnen, die bei der Anzahl ihrer Module klein beginnen und die Photovoltaikanlage sukzessive erweitern möchten, profitieren hiervon. Somit sind Mikro-Wechselrichter, wie Du sie in unseren Sets findest, für Mini-PV-Anlagen ideal.

#3 | Von der Einfachheit und den geringen Kosten profitieren alle.

Bei unseren Mini-PV-Anlagen ist es uns wichtig, dass die Installation des Wechselrichters für Dich spielend einfach ist. Es müssen im Gegensatz zum Stringwechselrichter keine komplexen Stromkreise berücksichtigt werden. Durch die selbst durchgeführte Installation, aber auch aufgrund der geringen Materialkosten sind Mikro-Wechselrichter außerdem im Vergleich zu Wechselrichtern auf String-Basis deutlich kostengünstiger.

#4 | Sicherheit ist vor allem bei Plug-and-Play-Anlagen unabdingbar.

Sicherheit bezieht sich sowohl auf die Installation als auch auf das Stromnetz. Anders als bei String- und Zentralwechselrichtern, bei denen teilweise enorm hohe Photovoltaik-Spannung auftreten kann, ist bei modularen Geräten die Maximalspannung auf weniger als 60 Volt begrenzt.

Die Maximalspannung wird als Photovoltaik-Sicherheitsspannung bezeichnet und von den Herstellern einem speziellen Mikro-Wechselrichter-Test unterzogen, ehe die Produkte auf den Markt kommen. Da die PV-Anlage auch im Brandfall unter Spannung steht, trägt die genannte Begrenzung der Modulspannung entscheidend zum gefahrlosen Betrieb der Anlage bei.

FAQ: Die häufigsten Fragen zum Modulwechselrichter

Wie wird der Wechselrichter angeschlossen?

Ein Mikro-Wechselrichter muss zum Betrieb einer Photovoltaikanlage an eine haushaltsübliche Steckdose oder eine Wieland-Einspeisesteckdose angeschlossen oder per Festanschluss mit dem Hausnetz verbunden werden. 

Was ist beim Wechselrichter-Anschluss zu beachten?

Zuerst schließt Du den Wechselrichter an das Modul an. Hierzu hast Du zwei MC4-Solar-Stecker, die mit Plus und Minus gekennzeichnet sowie einmal als Stecker und einmal als Buchse vorhanden sind. Verwechslungsgefahr beider Solar-Stecker beim Anschluss des Wechselrichters an die Solarmodule besteht nicht.

Hinweis: Es gibt auf der Seite mit den beiden Solar-Steckern noch einen weiteren Anschluss, den Du benutzen kannst, falls Du mehrere Module anschließen möchtest. Verbindungskabel, die Du nicht benötigst, bewahrst Du auf und dichtest den Anschluss sie mit der mitgelieferten Kappe ab.

Auf der anderen Seite des Wechselrichters hast Du die Zuleitung, die Du mit dem Verlängerungs- bzw. Anschlusskabel verbindest. Auch bei dieser Zuleitung ist eine Polung vorgegeben, die Dir den Anschluss einfach macht.

Wie hoch ist die Lebensdauer eines Wechselrichters?

Normalerweise beträgt die generelle Wechselrichter-Photovoltaik-Lebensdauer 15 Jahre. Sie kann gut und gern auf 20 Jahre anwachsen, sofern Du einen hochqualitativen Wechselrichter sachgemäß benutzt.

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Sophia Reker

Erfolgreich abgeschlossenes Bachelor-Studium des Wirtschaftsingenieurwesens in Hamburg und Master-Studium der Energie-, Gebäude- und Umwelttechnik in Leipzig mit Schwerpunkten auf Solartechnik und vernetzte Energiesysteme. Sie ist seit 2014 im redaktionellen Umfeld tätig und verfasst seit 2020 Fachartikel über die Energiewende und was private Verbraucher tun können.

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