Im pv magazine-Webinar „Erträge zu niedrig? Zwei sichere Wege leistungsschwache Module zu identifizieren“ Ende März zeigten Claudia Buerhop, leitende Wissenschaftlerin des Bereichs erneuerbare Energien/Photovoltaik am ZAE Erlangen, und Unternehmensgründer Ingmar Kruse an dem Beispiel einer gewerblichen Photovoltaik-Aufdachanlage in Cadolzburg bei Nürnberg, wie man Modulfehler finden, analysieren und bewerten kann. Weit verbreitet dafür ist die Thermografie. Doch wie eine Umfrage unter den Webinar-Teilnehmern bestätigte, die mit den Berichten aus Thermografieuntersuchungen häufig unzufrieden waren, erfordern die Messung Erfahrung und die Auswertung Expertenwissen. Deshalb schlägt Sunsniffer ein Monitoring auf Modulebene vor, das eine kontinuierliche Beobachtung über ein leicht verständliches Portal erlaubt. Im Folgenden veröffentlichen wir nun Antworten unserer Experten auf Fragen der Teilnehmer, die beim Webinar aus Zeitgründen noch offen geblieben waren.
Fragen zur Thermografie
Mit Thermografie misst man die Temperatur der Moduloberfläche. Wie wird daraus auf den Leistungsverlust des Moduls und dann der Anlage geschlossen?
Claudia Buerhop-Lutz: Mit Thermografiekameras wird die Wärmestrahlung, die vom Messobjekt abgegeben wird, gemessen. Unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften und Umgebungsbedingungen kann die Temperatur ausgerechnet werden. Die Leistung aus der Temperaturverteilung des Moduls zu bestimmen, erfordert Erfahrung und Know-How und ist trotzdem nicht für alle Fehler zuverlässig möglich. Das ist Gegenstand aktueller Forschungsarbeiten. Für manche Fehlertypen jedoch ist die Leistungsbestimmung einfach, zum Beispiel wenn ein Substring im Modul ausfällt. Wie sich das allerdings auf die Stringleistung auswirkt, wird von der Konfiguration am Wechselrichter bestimmt.
Sind Auswertungen mit Thermografie über die Leistungsverluste von Modulen so verbindlich, dass man auf dieser Basis Gewährleistungsansprüche geltend machen kann?
Claudia Buerhop-Lutz: Im Fall von Substring-Fehlern sollte das kein Problem sein, da ein relevanter Teil der Leistung fehlt. Bei vielen Auffälligkeiten, zum Beispiel Temperaturunterschiede oder absolute Temperaturen, sind die vorliegenden Verträge mit den Modulherstellern, Versicherungen, Installationsfirmen und anderen maßgebend. Die Schwellwerte werden sehr unterschiedlich gehandhabt, wie die Erfahrung zeigt. Richtlinien IEC 62446-3 und VDI/VDE 2883 Blatt 2 (Gründruck 2017) zur Thermographie können hier Klarheit und Vereinheitlichung schaffen.
Welche Außenbedingungen sind für Thermografieaufnahmen notwendig?
Claudia Buerhop-Lutz: In den Richtlinien zur Thermographie von Photovoltaikanlagen wird empfohlen, bei Einstrahlungen > 600 W/m², klarem Himmel, wenig Bewölkung die IR-Messungen durchzuführen.
Kann man mit Thermografie auch PID-Fehler erkennen?
Claudia Buerhop-Lutz: Mit Thermographie kann man PID hervorragend detektieren. Die PID-behafteten Zellen weisen eine leicht erhöhte Temperatur bis circa 5 Kelvin im Vergleich zu guten Nachbarzellen auf und sind meist willkürlich über das Modul verteilt. Wenn man den String betrachtet, fällt auf, dass nur eine Hälfte der Module PID aufweist. Die Zahl der PID-Zellen im Modul nimmt meist kontinuierlich zu einem Ende hin zu (meistens zum negativen Kontakt).
Können Privatkunden ohne fachmännische Hilfe Thermografieaufnahmen bewerten und erste Schlüsse daraus ziehen?
Claudia Buerhop-Lutz: Privatpersonen können aus fachmännisch aufbereiteten IR-Aufnahmen einen ersten Eindruck/Überblick über die Qualität ihrer Photovoltaik-Anlage erhalten. Für fundierte Bewertungen empfiehlt sich jedoch, die IR-Messungen inklusive Auswertungen von Fachleuten mit PV-Expertise plus fundiertem IR-Wissen durchführen zu lassen.
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Fragen zur Sunsniffer-Systemtechnik
Nicht nur Sunsniffer nimmt an jedem Modul Daten auf, sondern auch Mikrowechselrichter und Optimizer, die zusätzliche Funktionen bieten. Gibt es bezüglich der Fehlersuche Unterschiede, wenn man Module mit Sunsniffer, Moduloptimizern oder Mikrowechselrichtern überwacht?
Ingmar Kruse: Ich kann nur über Sunsniffer berichten. Sunsniffer kombiniert präzise Mess-Elektronik mit künstlicher Intelligenz. Die Sunsniffer-Elektronik greift nicht aktiv in die Stromproduktion ein und ist daher sehr widerstandsfähig, fehlerresistent und eben auch günstig. Der Einsatz der künstlichen Intelligenz (KI) ermöglicht eine umfassende und tiefe Anlagenanalyse. Hierfür arbeiten wir auch eng mit mehreren wissenschaftlichen Einrichtungen weltweit zusammen. Ob beim Mitbewerb auch KI zum Einsatz kommt, weiß ich nicht, aber gesehen habe ich es noch nicht.
Welche Kriterien müssen Wechselrichtern erfüllen, um sie mit der Sunsniffer-Technologie zu nutzen?
Ingmar Kruse: Es gibt keine besonderen Anforderungen an Wechselrichter. Alle Stringwechselrichter funktionierten sehr gut zusammen mit der Sunsniffer-Technologie. Bei wenigen Zentralwechselrichtern ist die Einstreuung von Signalen auf der DC-Seite so hoch, dass wir nur am Morgen und am Abend perfekte Daten von den Modulen erhielten. Allerdings sind diese Wechselrichter unseres Wissens nicht CE-konform und dürften daher eigentlich gar nicht betrieben werden.
Sunsniffer gibt es für Neuanlagen, aber auch als Nachrüstset. Welche Schritte sind für die Nachrüstung nötig und bleibt dabei die Zertifizierung der Module erhalten?
Ingmar Kruse: Grundsätzlich sollte eine Anlage mindestens über ein Stringmonitoring verfügen, um vernünftig überwacht zu werden. Der Vorteil von unserer Stringüberwachung ist, dass im Falle einer Messabweichung die Module ganz einfach mit einem „Sunsniffer Upgrade“ versehen werden können. Das heißt, Sensoren für jedes einzelne Modul werden einfach per MC4-Stecker an die Module gesteckt und können diese entweder temporär oder auf Dauer messen. Die Daten werden von unseren String Readern erkannt und zur Analyse an das Webportal weitergeleitet. Die Zertifizierung ist dabei nicht gefährdet, da die Module sachgerecht über Stecker angebunden werden. Der Hersteller muss dazu nicht gefragt werden.
Ist es möglich, auch nur einzelne Module aus- oder nachzurüsten? Welche Komponenten braucht man dafür?
Ingmar Kruse: Ja, das geht. Man kann beliebige Module nachrüsten. Neben den Sensoren (entweder bereits in der jeweiligen Anschlussdose integriert oder nachträglich angeschlossen) benötigt man dann noch einen String Reader pro zu überwachendem String und ein Gateway als Datensammler. Der Vorteil ist, dass man dann immer auch gleich eine Stringüberwachung hat. Außerdem kann man Sunsniffer auch als temporäres Prüfinstrument einsetzen, ohne gleich eine Anlage komplett damit auszustatten, beispielsweise, indem man immer nur einen String ausstattet, durchmisst und dann diese Sensoren am nächsten String anbringt. Man kann auf unterschiedliche Weisen unterschiedlichen Nutzen aus dem Einsatz von Sunsniffer ziehen, auch ohne die bestmögliche Variante zu haben, nämlich eine vollständig transparente Anlage.
Wie werden die Messdaten vom Sensor in die Auswerteeinheit übertragen?
Ingmar Kruse: Die Daten werden per Powerline-Communication über die bestehenden DC-Leitungen an einen String Reader geschickt. Von da an gehen die Daten per RS-485-Modbus an ein Gateway, welches diese direkt über eine Internetleitung an unser Webportal sendet.
Kann man mit Sunsniffer auch PID-Fehler erkennen?
Ingmar Kruse: Ja, das geht. PID äußert sich zu Beginn durch Spannungsverluste an den letzten Modulen eines Strings. Da wir alle einzelnen Moduldaten erfassen, sehen wir natürlich auch die Spannungsverluste der einzelnen Module. Durch die ebenfalls vorhandene Temperaturmessung in den Modulen können wir die durch lediglich temporäre Hitze- oder Kälteeinwirkung abweichenden Spannungswerte nivellieren und erhalten so die tatsächlichen Spannungswerte und können damit prima den Fehler auch als einen Fehler erkennen. Spezifische Fehlermuster werden ebenso als solche erkannt und dem jeweiligen Fehler, beispielsweise PID, zugeordnet. Unsere künstliche Intelligenz wird mit einer entsprechenden Zahl von PID-Fällen trainiert und weist auf PID-Fehler automatisch hin.
Einige Modulhersteller haben bereits in den Anschlussdosen ihrer Module Sunsniffer-Sensoren verbaut, bei anderen muss man derartige Modelle extra bestellen und anfertigen lassen. Woher erhält man die Information bei welchen Herstellern eine Anfrage lohnt?
Ingmar Kruse: Eigentlich kann jeder Hersteller Module mit Sunsniffer auf Nachfrage liefern. Bei Modulen mit geringerer Zellqualität ist allerdings nicht jeder dazu bereit! Der Hersteller muss nur an Stelle der bisher verwendeten die Sunsniffer-Anschlussdose bestellen und diese einbauen. Also einfach beim Hersteller anfragen. Wenn dieser ablehnt, nennen wir sehr gerne günstige Tier 1-Hersteller, die Sunsniffer bisher weitläufig einsetzen.
Fragen zu Sunsniffer Kosten und ROI
Was kostet eine Sunsniffer Lösung bei der Neuinstallation pro Megawattpeak und wie verändert sich dieser Preis, wenn man eine vorhandene Anlage nachrüstet?
Ingmar Kruse: Die Kosten für Sunsniffer sind niedriger als man meint. Für den indischen Markt (Produktion Vietnam), lagen die Preise vom April 2017 mit Modul inkl. Sunsniffer bei 31 Cent für eine 10 Megawatt Anlage. Das war ein Tier 1-Hersteller und Motech A-Zellen. Daran sieht man, dass Sunsniffer kein Kostentreiber ist. Einige unserer Kunden bestellen alle ihre Anlagen nur mit Sunsniffer und wir sehen, dass die Hersteller die Kosten für die Sunsniffer-Komponenten kompensieren. Die benötigte Sunsniffer-Stringüberwachung liegt dann in der genannten Anlagengröße bei unter einem Cent pro Wattpeak. Nachrüstungen sind bei großen Anlagen mit circa 5 USD pro Modul extra für die Upgradebox zu kalkulieren.
Lässt sich im Voraus abschätzen, nach wie vielen Jahren sich die Investition rentiert oder ist das von den entdeckten Fehlern abhängig? Welche Erfahrungen hat Sunsniffer dazu bereits gesammelt?
Ingmar Kruse: Grundsätzlich muss man bedenken, dass Sunsniffer zum einen nicht teurer ist als andere Überwachungssysteme, dass es zum anderen aber die Profitabilität der Anlage signifikant erhöht. Die Investition rechnet sich schon von Anfang an, denn gerade in der Anfangsphase zeigen sich mit Sunsniffer beispielsweise Installationsfehler, die ansonsten lange Zeit unentdeckt bleiben und über die Jahre einen Ertragsverlust aufhäufen würden, beispielsweise wenn ein Modul zu viel im String ist oder wenn Module falsch verstringt wurden. Wir hatten mal einen Fall, bei dem einige Module im gleichen String in die gegenläufige Richtung zeigten – das wäre ohne Sunsniffer gar nicht aufgefallen. Aber auch bei perfekt installierten Anlagen profitiert man von Anfang an. Als Beispiel dienen uns Erfahrungen bei unseren eigenen Anlagen. Manche davon betreiben wir schon seit fünf Jahren und gerade bei diesen älteren Anlagen zeigt sich, dass einige Module deutliche Degradationserscheinungen hatten oder auch defekte Dioden aufwiesen. Vor allem im Dachbereich oder bei Teilverschattungen durch Gräser werden die Module und Dioden extrem belastet. Stetiges Schalten der Dioden lässt diese anscheinend schneller altern. Die Module wurden immer schnell getauscht und der Ertrag der Anlage gleich wieder erhöht.
Wie viele Megawatt beziehungsweise wie viele Module werden schon von Sunsniffer überwacht?
Ingmar Kruse: Sunsniffer ist in circa 100 Megawatt verbaut und wir planen eine Verdoppelung bis zum nächsten Jahr.
Wie lange dauert die Einrichtung einer Anlage im Sunsnifferportal mit Lageplan der Module im Durchschnitt?
Ingmar Kruse: Die String Reader zu installieren, dauert ähnlich lang wie die Installation eines DC-Überspannungsschutzes. Die String Reader sind zusätzlich mit RJ 45-Steckern ausgestattet. Als Datenkabel können Netzwerk-Patchkabel verwendet werden. Der Anschluss dauert somit pro Stringüberwachung nur wenige Minuten. Für den Lageplan sollte man für eine 100 Kilowattpeak-Anlage ein bis zwei Stunden einkalkulieren. Am Anfang wird man sicher etwas mehr Zeit benötigen. Wir haben eine Barcodeautomatisierung integriert. Der Vorteil einer guten modulgenauen Dokumentation mit perfektem Stringverlauf sollte jedem klar sein. Der Mehrertrag, auch in Form besserer Wartbarkeit der Anlage, steht in keinem Verhältnis zu dem geringen Mehraufwand.
Wie genau messen die Sunsniffer Sensoren und nimmt die Genauigkeit über die Betriebsdauer ab?
Ingmar Kruse: Sunsniffer Sensoren messen mit einer Messabweichung von unter 1Prozent. Die Messgenauigkeit bleibt laut Angabe des Mikrocontrollers, den wir verwenden, über die Lebensdauer gleich. Die Lebensdauer ist eine MTBF-Größe von deutlich mehr als 60 Jahren. Genaue Kalkulationen, aus denen dies ersichtlich wird, können wir gerne bei Bedarf zusenden.
Fragen zum Vergleich der beiden Methoden
In der Thermografie sieht man deutlich einzelne heiße Zellen oder Dioden am Modul und kann Fehler so identifizieren. Aber auch Sunsniffer macht Aussagen über die Ursachen von Ertragseinbußen, wie Verschattung, Degradation oder Hagelschlag. Wie ist das möglich?
Ingmar Kruse: Da wir jedes einzelne Modul messen und eine künstliche Intelligenz die Messdaten analysiert, erkennen wir abnormales Spannungs-, Temperatur- und Stromverhalten der Module. Das drückt sich in erkennbaren Mustern aus. Gerade die individuelle Spannungskurve eines Moduls ist hochinteressant und übrigens fasst immer gleich, auch unabhängig von der Einstrahlung. Damit haben wir eine ausgezeichnete Grundlage, Abweichungen nicht nur zu erkennen, sondern auch zu identifizieren. Wenn die Spannung eines Moduls tagsüber temporär abfällt und wieder zum ursprünglichen Wert ansteigt, dann deutet dies fast immer auf eine Verschattungssituation hin. Das ist dann der Fall, wenn eine oder mehrere Dioden anfangen zu schalten. Auch die Temperatur des Moduls verändert sich dadurch, was wir ebenfalls messen. Das wäre dann ein typisches Muster für unsere künstliche Intelligenz. Manuell wollen Sie das nicht monitoren! So hat jeder Fehler ein Fehlerbild. Wichtig ist natürlich primär, ob ein Modul einfach nur weniger leistet. Verschattungen werden diagnostiziert und bleiben bei der Schadensdefinierung, falls gewünscht, unberücksichtigt.
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Ein Freund von mir arbeitet in der Elektrothermografie. Ich wusste noch gar nicht, dass unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften und Umgebungsbedingungen die Temperatur ausgerechnet werden kann. Das sind schon ziemlich fortschrittliche Verfahren.