Photovoltaik unter Kontrolle

20 Jahre sind ein stattlicher Zeitraum. Da wechselt in der Regel nicht nur mehrfach die Regierung, sondern es vergammeln auch Anschlussdosen, Rahmenkonstruktionen korrodieren, Lichtbögen verwandeln ganze Schaltschränke in geheimnisvolle Plastikklumpen, oder Photovoltaikmodule erkranken am grauen Star und vermiesen dem Eigentümer den Jahresertrag.
Es gibt viele Einflüsse, unter denen Module während ihrer Lebenszeit zu leiden haben. Zum Teil beginnt dies schon vor der Installation, aber vor allem nach den vielen Jahren unter UV-Dauerfeuer, die die erste Generation Photovoltaikanlagen nun hinter sich hat, sind die Auswirkungen zum Teil deutlich sicht- und messbar. Noch wichtiger ist die Tatsache, dass wir in kürzester Zeit eine neue Technologie in die Welt gebracht haben, ohne im Detail zu verstehen, was über die Jahre mit ihr geschieht. Es wurden und werden Fehler gemacht, von der Produktion über die Planung bis hin zum Bau, genauso wie später während des Betriebs – natürlich von den wenigsten Beteiligten in böser Absicht.
Mit den Erneuerbaren kommen auch zwei neue Faktoren ins Spiel: die Dezentralität und die Witterungsabhängigkeit. Das macht diese Technologien schwerer einschätzbar. Intelligente IT-Systeme sind hier nicht nur eine hilfreiche Informationsquelle für Anlagenbetreiber oder zum Beispiel den Energieversorger. Sie sorgen auch dafür, dass Photovoltaikkraftwerke erst konkurrenzfähig zu konventionellen Kraftwerken werden. Das oft als Randerscheinung behandelte Thema Monitoring wird so zu einem zentralen und wichtigen Betriebsbestandteil für Photovoltaikanlagen. Es ist die Grundlage für die optimale Nutzung der Investition und den sicheren und netzkonformen Betrieb.
Monitoring, das ungeliebte Kind
Die Ursprünge der Photovoltaik liegen weit zurück. Es dauerte aber im Prinzip bis in die 90er Jahre, bis die ersten größeren Photovoltaikanlagen nennenswerte Strommengen in das öffentliche Netz einspeisten. Genau in diese Zeit fallen auch die Anfänge des Monitorings im Sinne der Visualisierung. Es waren zumeist Projekte mit Öffentlichkeitswirkung, die dazu führten, dass erste Anzeigen und Bildschirme anfingen, der ansonsten unsichtbaren Form der Energieerzeugung Gestalt zu verleihen.
Auch die damaligen Investoren wollten mehr über die praktische Leistungsfähigkeit der Anlagen wissen. So entstanden vielfältige, stets proprietäre Kommunikationssysteme, die mittels Sensoren und Gebern sowohl energetische als auch meteorologische Daten zusammenstellten und an einen Server übertrugen. Dann kam das EEG. Made in Germany wächst die Solarbranche seither in rasanten Schritten heran. Aber wie es so ist, entwickeln sich insbesondere die Teile einer Technologie am schnellsten, die die höchsten Renditen versprechen, sprich Module, Wechselrichter, Gestelltechnik – das Monitoring bleibt von der Bedeutung her eine Randerscheinung, denn es ist nicht relevant für die Inbetriebnahme.
In der Entwicklung des Monitorings kann man zwei Strömungen ausmachen: erstens Monitoringlösungen in den Zubehörsortimenten der jeweiligen Wechselrichterhersteller und zweitens Lösungen, die unabhängig vom Wechselrichterhersteller sind. Im Allgemeinen schreibt man den unabhängigen Lösungen einen höheren Stellenwert zu, da sie vermeintlich stärker kundenorientiert sind. Das Dilemma liegt in der schwer definierbaren Werthaltigkeit des Monitorings. Es ist ähnlich wie mit Versicherungen, man hat immer die falschen.
In den letzten Jahren entstanden viele Betreibergesellschaften, Photovoltaik wurde zum Großinvestement. Diese Anlagen bekamen Wartungsverträge und wurden in die Hände von Betriebsgesellschaften gelegt, die sich wiederum mit den unterschiedlichsten Monitoringlösungen konfrontiert sahen. Im Ergebnis haben viele ihre eigenen Lösungen entwickelt und über ihre Anlagen gestülpt. Ein Sammelsurium von Lösungen entstand. Auf der anderen Seite kamen mehr und mehr Forderungen nach der Regelbarkeit für Photovoltaikanlagen. Aber auch hier entstand ein weites Betätigungsfeld für Individualisten. Jedes Stadtwerk hat seine eigenen, wenn auch ähnlichen Lösungen. Leider ist es im Bereich der Photovoltaik bis heute nicht gelungen, Kommunikationsstandards zu übernehmen oder konsequent einzuführen. Vielleicht ist das der Hauptgrund dafür, dass das Monitoring-Kind über lange Zeit so ungeliebt geblieben ist.
Anforderungen an das Monitoring
Im Prinzip verfolgt man mit dem Monitoring von Photovoltaikanlagen zwei Nutzen: die kaufmännische und die technische Betriebsführung. Es stellt sich also zum einen die Frage, wie sich das Investment entwickelt und ob die Zahlen mit den Abrechnungen übereinstimmen. Zweitens will man überprüfen, ob technisch alles so läuft, wie es laufen könnte, und ob außerhalb der routinemäßigen Prüfung weitere Aktivitäten erforderlich sind. Es geht daher beim Monitoring im Grunde um die Frage, ob die Photovoltaikanlage unter den gegebenen Verhältnissen das leistet, was sie leisten soll und kann. Gibt es hier Abweichungen, versucht man als Nächstes, die Ursachen für verminderte oder fehlende Energieerträge der Photovoltaikanlage oder von Anlagenteilen zu ergründen. Auf dem Wegder Umwandlung vom Sonnenlicht bis zum elektrischen Strom im Versorgungsnetz gibt es mehrere Etappen, die es zu überwachen gilt.
Man kann wie folgt unterscheiden:

• optische und meteorologische Störgrößen
• Verhalten der DC-Stromkreise (PV-Strings)
• Verhalten der Wechselrichter bei der Umwandlung
• tatsächliche Einspeisung ins Versorgungsnetz

Aus dieser Klassifizierung leiten sich unterschiedliche Fehlerursachen ab:

• Verschattung oder Verschmutzung
• Moduldefekte oder Fehler in der Verkabelung
• Defekte der Wechselrichter
• Störungen bei der Netzeinspeisung
• Abschaltung oder Drosselung der Produktion aufgrund der Einhaltung von regulatorischen oder netzbetrieblichen Rahmenparametern

Zwar ist es möglich, mit geeigneten Monitoringwerkzeugen darauf zu schließen, was an einer Anlage verändert werden muss, um die Erträge zu erhöhen. Oft kann dies aber nicht umgesetzt werden, da die zu erwartenden Ertragssteigerungen nicht im Verhältnis zu den Kosten eines Umbaus stehen würden.
Minimum ist es, überhaupt ein Monitoring zu haben, da sonst sehr große Ertragsausfälle zu befürchten sind, die erst über die Zeiträume der einzelnen Abrechnungen durch den Energieversorger auffallen würden. Das Monitoring hat die Aufgabe, zeitnah die Erträge der Anlage zu melden, so dass Gewissheit besteht, dass die Anlage kontinuierlich Strom erzeugt und keine Ausfälle eingetreten sind. Das schlimmste Ereignis ist ein Totalausfall der Einspeisung über längere Zeiträume, wenn nicht gerade tiefer Winter herrscht. Daher ist die minimale Anforderung an ein Monitoring die automatische Auslesung des Einspeisezählers (mindestens ein Mal pro Stunde) und die geeignete Weiterleitung der Ertragsinformationen an einen Beobachter. Neben der zeitnahen Information ist die Kontinuität der Datenaufzeichnung von Bedeutung. Auf Basis historischer Datenaufzeichnungen können Anlagenprobleme auch im Nachhinein identifiziert werden, zum Beispiel durch Vergleiche der Produktion am Vor- und Nachmittag oder auch über längere Zeiträume wie zwischen Jahreszeiten oder ganzen Jahren. So erkennt man nicht nur Ausfälle von einzelnen Komponenten, sondern kommt auch schleichenden Prozessen wie Verschmutzung oder Degradation auf die Spur. Einen 100-prozentig idealen Datenteppich zu definieren ist allerdings sehr schwer, da es zum Teil große Unterschiede im Aufbau einzelner Photovoltaikanlagen gibt. Man kann aber ein sinnvolles Minimum bezüglich des zu treibenden Aufwands definieren.
Ertragsprognosen und Netzsicherheit
Obgleich Photovoltaik die wohl einfachste Art der erneuerbaren Stromerzeugung ist, unterliegt sie doch sehr vielen unterschiedlichen Einflussfaktoren, insbesondere den lokalen Witterungsbedingungen. Ertragsprognosen stützen sich oft auf Wetterdaten vergangener Jahre, aus denen auf die real produzierbare Solarenergie der jeweiligen Technologie geschlossen wird. Sie sind aber fehleranfällig, unter anderem aufgrund sich ändernder mikroklimatischer Einstrahlungsverhältnisse, der Art der Anlageninstallation, des Verhaltens der verbauten Technologien sowie der Qualität und der Alterung der einzelnen Komponenten.
Es führt daher kein Weg daran vorbei, die Ertragsprognose mit den realen Anlagedaten und der tatsächlichen standortabhängigen Einstrahlungssituation zu vergleichen. Weiterhin geht man bei der Planung in der Regel davon aus, dass die zu erreichenden Erträge auch sicher eingespeist werden können. Das kann bei zunehmender Belastung der Versorgungsnetze aber nicht immer garantiert werden. Die Netzeinspeisung xAnzeigeunterliegt gesetzlichen und technischen Rahmenparametern und Grenzwerten. Durch die Einspeisung von dezentral erzeugter Energie können verschiedene Netzparameter überschritten werden, was die Drosselung der Einspeiseleistung zur Folge hat. Das Monitoring hat daher unter anderem die Aufgabe, genau diese Grenzwertverletzungen, Zwangsdrosselungen oder Abschaltungen zu detektieren und zu dokumentieren.
In diesem Zusammenhang muss man zusätzlich die Kommunikationsverfügbarkeit betrachten. Da nicht immer sichergestellt werden kann, dass die Datenverbindung zur Photovoltaikanlage stabil funktioniert, ist natürlich nicht immer sicher zu sagen, ob die Anlage komplett ausgefallen oder nur zeitweise verstummt ist. Bei ständigen Kommunikationsstörungen muss im Sinne des Risikomanagements entschieden werden, ob ein höherer Aufwand für eine stabilere Kommunikation nötig ist oder nicht.
Einstrahlung und Modultemperatur messen
Referenzsensoren, insbesondere für die direkte Einstrahlung auf die Photovoltaikmodule und für deren Temperatur, sind weitere oft unterschätzte Kenngrößen der Anlagenüberwachung. Im Prinzip ist die Einspeiseleistung proportional zum Photonenstrom. Das heißt, das auf den Generator eingestrahlte Sonnenlicht wird idealerweise mit dem entsprechenden Anlagen-Wirkungsgrad in elektrische Energie umgewandelt, wenn das Wörtchen „wenn“ nicht wäre. Denn jedes Element der Photovoltaikanlage unterliegt leistungsmindernden Einflüssen. Daher sollte der Einstrahlungssensor in seinem Verhalten und Aufbau dem Solargenerator entsprechen. Ausrichtung und Neigung stehen praktisch unveränderbar fest, und genau so sollte dann auch die auf die Module wirkende Bestrahlungsstärke gemessen werden.
Gerade die kristallinen Modultechnologien sind in ihrer Leistung sehr temperaturabhängig. Halbleiter mögen zwar die Wärme und lassen den Strom ungehinderter fließen. Was nützt es aber, wenn die Spannung im gleichen Atemzug deutlich sinkt? Immerhin sinkt die Leistung bei gleichbleibender Einstrahlung pro zugenommenem Grad Kelvin um ungefähr 0,42 Prozent gegenüber dem Laborwert, den man bei 25 Grad Celsius misst. Die Modultemperatur wird damit zu einer weiteren entscheidenden Größe für das Monitoring. Weitere Sensoren und Geber erlauben die Verbesserung der Aussagen des Monitorings bezüglich Sicherheit und Präzision. Auch eine gewisse Redundanz an Sensoren ist empfehlenswert. Ziel ist es, ein gesundes Maß an Aufwand nicht zu überschreiten. Denn auch hier ist es wie mit einer Versicherung, 100 Prozent Sicherheit hat man nie.
Anlagenteile vergleichen
Das Monitoring muss nicht unbedingt nur auf Anlagenebene erfolgen. Auch ein Vergleich von Anlagenteilen, also beispielsweise einzelnen Strings oder Wechselrichtern, kann sinnvoll sein. Dazu werden im Monitoring Anlagenteile in Gruppen zusammengefasst und abgebildet, so dass man sinnvolle Vergleiche ziehen kann. Insbesondere bei größeren Anlagen (zum Beispiel auf verschiedenen Dächern) ist nicht immer Homogenität gegeben. Daher muss man genau überlegen, was man miteinander vergleichen kann und was besser nicht. Ein übliches Verfahren zur vergleichenden Überwachung ist die normierte Darstellung. Dabei bezieht man den Stromertrag der unterschiedlichen Anlagen oder der Anlagenteile auf einen Kilowattpeak Nennleistung.
Die Performance Ratio ist eine der wichtigsten Größen zur Definition der Qualität einer Photovoltaikanlage. Eine Veränderung dieser Messgröße bedeutet im Regelfall auch eine Veränderung der Anlagenqualität. Im Prinzip definiert sich diese Größe als das Verhältnis von nutzbarer Sonneneinstrahlung und genutztem beziehungsweise eingespeistem Strom. Dafür werden zunächst die aktuellen Witterungsbedingungen erfasst und dann auf einen bestimmten Einstrahlungswert normiert.
Eines muss man bei der Anlagenüberwachung aber immer berücksichtigen: Die Daten und Geräte des Monitorings sind fehleranfällig. Daher kann man nur den Auswertungen trauen, die man verifiziert. Der berühmte Vogel, der gern auf dem Einstrahlungssensor sitzt, um genau dort sein Geschäft zu verrichten, führt jegliche qualitative Aussage über die Anlagenleistung ad absurdum, was nur dem Vogel Erleichterung verschafft.

Marktübersicht Monitoringsysteme auf den Seiten 124 bis 127
Für unsere Marktübersicht Monitoringsysteme haben wir 54 Hersteller kontaktiert. 33 davon haben unsere Fragen beantwortet. Sie sind mit insgesamt 78 Systemen in der Tabelle vertreten. In diesem Heft haben wir uns aus Platzgründen auf die wichtigsten Angaben beschränkt. Dazu zählen unter anderem der ungefähre Preis, die überwachten beziehungsweise dargestellten Anlagenparameter, die möglichen Anzeigearten sowie die wichtigsten Funktionen der einzelnen Geräte. In unserer Datenbank im Internet sind alle Detailinformationen zu finden, darunter zum Beispiel auch die Kompatibilität mit verschiedenen Wechselrichtermarken, weitere Informationen zum Aufbau der Geräte, die vorhandenen Schnittstellen und Kommunikationsmöglichkeiten sowie die Anmerkungen der Hersteller: Vollversion unter:www.pv-magazine.de/marktubersichten Es hat sich gezeigt, dass viele Hersteller angeben, ihre Systeme seien für alle Anlagengrößen geeignet. Peter Papendorf, Geschäftsführer von Papendorf Software Engineering, erklärt, dass die Abstufung zwischen „klein“ und „groß“ in der Praxis schwer zu definieren sei. Es handele sich dabei vor allem um ökonomische Überlegungen, wie viel Aufwand man zu treiben bereit ist. Bei großen Anlagen seien Ertragseinbußen durch Schäden absolut gesehen signifikanter. Daher sei hier zum Beispiel insbesondere die zeitnahe Informationsübertragung sehr wichtig. Bei kleinen Anlagen kann man laut Papendorf zudem in der Regel davon ausgehen, dass der Betreiber kein Spezialist ist, der Fehlerursachen selbst identifizieren und beheben kann. Daher sollte ein Monitoringsystem in diesem Fall abstraktere und lösungsorientierte Informationen geben. Detaildaten helfen hier unter Umständen nicht viel. Der Betreiber einer Kleinanlage müsse oft nur wissen, ob alles im grünen Bereich ist, was mit der Photovoltaikanlage verdient beziehungsweise gespart wurde und ob eventuell ein Fachmann gerufen werden muss. Was die technischen Funktionen des Monitorings angeht, könne man bei Kleinanlagen aber im Grunde keine Abstriche machen, da diese alle wesentlichen Komponenten umfassen, die auch bei großen Anlagen vorhanden sind.
Ob ein Monitoringsystem direkt in den Wechselrichter integriert ist oder ob es sich um ein externes Gerät handelt, ist ein weiteres Unterscheidungsmerkmal. Integrierte Lösungen werden vor allem von Wechselrichterherstellern angeboten. Externe Geräte werden sowohl von Wechselrichterherstellern als auch von unabhängigen Herstellern angeboten. Zum Teil zeigt sich, dass bei externen Geräten mehr Funktionen zur Verfügung stehen als bei den integrierten Varianten. Verallgemeinern lässt sich dies allerdings nicht.
Einige Monitoringsysteme können nicht nur die Stromerzeugung, sondern auch den Stromverbrauch im Gebäude überwachen und gegebenenfalls in ein eigenes Energiemanagement einfließen lassen. Dazu sind oft zusätzliche Sensoreinheiten oder Kommunikationsschnittstellen nötig. Informationen der Hersteller dazu finden Sie auch in der Online-Vollversion.
Dank an Peter Papendorf für die Beratung zur Erstellung der Marktübersicht.