Deutschland braucht mehr Photovoltaik-Kraftwerke, doch verfügbare Flächen sind knapp und Genehmigungen neuer Solarparks dauern mitunter Jahre. Im neu gestarteten Forschungsprojekt „Solarpark 2.0“ arbeiten daher Forscher und Unternehmen unter Führung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) zusammen, um Verluste in bestehenden Photovoltaik-Kraftwerken zu reduzieren und im Gegenteil die Ausbeute und Lebensdauer zu steigern.
„Neue und immer größere Flächen für solche Anlagen zu finden, ist aber insbesondere in stark besiedelten Regionen der Welt ein Problem. Damit wir unsere Klimaziele trotzdem erreichen, müssen wir die vorhandenen Flächen viel effizienter nutzen“, sagte Nina Munzke, Forscherin am Elektrotechnischen Institut (ETI) des KIT und Initiatorin von Solarpark 2.0 am Batterietechnikum des KIT. Dafür würden im Projekt elektronische Komponenten und Methoden für große Freiflächenanlagen entwickelt. „Wir wollen die Leistungsabgabe von Photovoltaik-Anlagen unter ungünstigen Bedingungen wie Verschattung, Verschmutzung oder Alterung verbessern und dadurch die Wirtschaftlichkeit und den Ertrag der Stromerzeugung durch Photovoltaik optimieren“, so Munzke weiter.
Ein Ansatzpunkt bei den Photovoltaik-Komponenten sind die Module. Damit es maximal effizient ist, muss es nahe an seinem individuellen Maximum Power Point (MPP) arbeiten. „Die Ausgangsleistung des Moduls ergibt sich aus dem Produkt von Stromstärke und Spannungshöhe. Beim MPP ist diese Leistung am höchsten, es wird also die größte mögliche Ausbeute erreicht“, sagt Lukas Stefanski vom ETI.
Grafik: Batterietechnikum
Allerdings ändert sich der MPP je nach Temperatur, Sonnenstand und weiteren Faktoren, was eine kontinuierliche Nachregelung der Spannung für einen optimalen Betrieb erforderlich macht. Die dazu konzipierten Leistungsoptimierer werden dazu in konventionellen Schaltungen vor allem im zentralen Wechselrichter angewendet. „Wenn dann mehrere Photovoltaik-Module in Reihe zu Strings geschaltet sind und zusätzlich mehrere dieser Strings parallelgeschaltet werden, dann können Verschattung und Defekte einzelner Module die erzeugte Leistung ganzer Anlagen einschränken“, sagt Stefanski. „Vorteilhafter ist es, einzelne Module zu regeln sowie, je nach spezifischer Verschaltung der Anlage, die Spannung an den Strings zu optimieren.“
Dafür setzt das KIT in dem Projekt „Solarpark 2.0“ auf seine patentierte HiLEM-Schaltung. Die Abkürzung steht für High Efficiency Low Effort MPPT. Diese Schaltung ersetzt Combiner-Boxen, die herkömmlicherweise zur Parallelschaltung von Strings eingesetzt werden und ermöglicht ein effizientes MPPT auf Ebene der Strings, wie das KIT erklärt. Die Kombination der selbst entwickelten Schaltung mit neuartigen Leistungsoptimierern, die von der Hochschule Karlsruhe sowie den Unternehmen BRC-Solar und Prema Semiconductor gemeinsam entwickelt werden, ermögliche dann ein gleichzeitiges MPPT sowohl auf String- als auch auf Modulebene. „Wir erreichen damit nicht nur einen höheren Ertrag der Photovoltaik-Anlage, sondern verlängern auch ihre Lebensdauer und senken die Betriebskosten“, erklärte Stefanski.
Die neuen Komponenten sollen in zwei Photovoltaik-Testanlagen mit jeweils 30 Kilowatt Leistung auf dem Campus evaluiert werden. In einer Anlage würden dabei unterschiedliche Testszenarien abgebildet, während die zweite Anlage als Referenz oder diese ausgestattet werde. Beide Anlagen sollen nebeneinander auf einer Freifläche innerhalb des bestehenden Photovoltaik-Kraftwerks des Energy Lab 2.0 am KIT realisiert werden.
Ein weiterer Fokus des Verbundprojekts „Solarpark 2.0“ liegt auf dem Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI) für die Leistungsprognosen der Photovoltaik-Anlagen. Auf diese Weise könnten sich anhand von Betriebsdaten möglicherweise verschattete, defekte oder verschmutzte Module identifizieren lassen. „Damit können wir ermitteln, an welcher Stelle in Solarparks sich eine Nachrüstung mit Leistungsoptimierern lohnen würde“, sagt Marcus Becker vom ETI. Die KI wird dabei mit langfristigen Daten aus dem Photovoltaik-Kraftwerk des KIT „gefüttert“ und trainiert. Dazu kommen Daten, die mittels des selbstentwickelten drahtlosen Monitoring System (WSN) des Instituts für Photovoltaik (ipv) der Universität Stuttgart erhoben werden.
Offizieller Startschuss für das Projekt „Solarpark 2.0“ war im Juli. Die Laufzeit ist für drei Jahre geplant. Rund 2,5 Millionen Euro Förderung gibt es dafür vom Bundeswirtschaftsministerium. Das Projektvolumen insgesamt beziffert das KIT mit etwa 3,4 Millionen Euro. Neben dem KIT, der Hochschule Karlsruhe, der Universität Stuttgart und den erwähnten Unternehmen BRC-Solar und Prema Semiconductor ist auch das Photovoltaik-Unternehmen Solarwatt an dem Projekt beteiligt. Es unterstützt bei der Integration der Leistungsoptimierer direkt in das Solarmodul.
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Ernsthaft? Wenn die Module dreckig sind und daher beispielsweise durchschnittlich 10% weniger Ertrag haben, einzelne Module jedoch 8 – 12% weniger Ertrag bringen, dann schlägt das Kernforschungszentrum Karlsruhe (KIT) vor, statt zu reinigen, das MPP-Tracking zu verbessern und das Wachstum der Flechten auf dem Glas messtechnisch zu erfassen? Mit zusätzlicher und Elektronik? Und dass alles dann messen und mit KI auswerten? Ich fasse es nicht. Wissen die denn überhaußt nicht, wie so eine IU-Kurve aussieht?