Henne oder Ei

Es ist so etwas wie eine zweite Premiere, wenn Refusol auf der diesjährigen Intersolar seinen neuen Wechselrichter 333K für große Solaranlagen vorstellt. Bereits im vergangenen Jahr hatte das Unternehmen aus dem schwäbischen Metzingen den Verkaufsstart für das Frühjahr 2011 angekündigt, dann aber verschieben müssen. „Unsere Entwicklungsressourcen sind leider begrenzt“, sagt Refusol-Geschäftsführer Michael Seehuber. „Wir konnten nicht genug Ingenieure einstellen, weil es in diesem Bereich einen ausgesprochenen Bewerbermangel gibt.“ Zweieinhalb Jahre hat die Entwicklungszeit nun gedauert, im vierten Quartal soll der Wechselrichter tatsächlich serienmäßig auf den Markt kommen.

Für die meisten Diskussionen dürfte die höhere Eingangsspannung des 333K – bis zu 1.500 Volt – sorgen. Üblicherweise arbeiten Wechselrichter mit bis zu 1.000 Volt. Allerdings hatten schon andere, zum Beispiel Bruno Burger vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg vor rund dreiJahren auf dem Staffelstein-Symposium und der Konferenz in Valencia, dafür argumentiert, die Eingangsspannung zu erhöhen. Wenn man den Hochsetzsteller bei dreiphasigen Wechselrichtern weglasse, was prinzipiell geht bei höheren Spannungen, lasse sich ein höherer Wirkungsgrad erreichen und das Gewicht reduzieren. Außerdem spare man bei der Verkabelung.

Refusol hat jetzt Ähnliches realisiert, wenn auch mit einer anderen Methode und mit anderen Vorteilen. Die maximale Systemspannung liegt bei 1.500 Volt. Die Hochsetzsteller sind dem Gerät allerdings erhalten geblieben. Trotzdem liegt der Wirkungsgrad bei 98,5 Prozent, „0,3 Prozent höher als beim bisherigen Refusol-Spitzenprodukt“, sagt Seehuber, das Eingangsspannungen bis 1.000 Volt zulässt. Um den neuen Wechselrichter fit zu machen für die hohen Spannungen, müssen die Entwickler andere Kondensatoren und IGBTs, also Schaltelemente, verwenden. Mindestens genauso wichtig wie die hohe Eingangsspannung istjedoch die hohe Ausgangsspannung. Der neue Wechselrichter hat am Ausgang 690 Volt statt wie sonstige Refusol-Modelle zwischen 315 und 400 Volt, was auch bei vielen anderen Herstellern üblich ist.

Zwei Prozent billiger

Die hohen Spannungen haben den Vorteil, dass die Leitungsverluste nahezu überall im System reduziert sind. Zum einen im Wechselrichter, das macht einen Teil des Wirkungsgradgewinns aus, aber vor allem auch bei der Verschaltung der Anlage. Am einfachsten ist das auf der Wechselstrom-Ausgangsseite zu erkennen. Im Vergleich zum 400-Volt-System sinkt der Strom bei 690 Volt bei gleichbleibender Leistung auf 58 Prozent des ursprünglichen Wertes. Der Verlust in den Leitungen zwischen Wechselrichter und Mittelspannungstransformator sinkt dadurch auf rund ein Drittel. Um den entsprechenden Faktor kann man den Leitungsquerschnitt reduzieren, wenn die Verluste gleich bleiben sollen. Das spart entsprechend Material.Eine ähnliche Rechnung lässt sich für die Eingangsseite aufmachen. Außer dass man bei den Verbindungen vom Generatorfeld zum Zentralwechselrichter Leitungen mit kleinerem Querschnitt oder weniger Leitungen mit gleichem Querschnitt verwenden kann, spart man unter Umständen noch Kabel bei der Serienschaltung der Module ein, da die Strings länger sind. Allerdings hängt die Ersparnis sehr von der Geometrie des Aufbaus ab. „Insgesamt schätze ich, dass man rund fünf Prozent der BOS-Kosten der Anlage spart“, sagt Seehuber. „Diese machen 35 bis 40 Prozent der Anlagenkosten aus.“ Insgesamt ergäbe das also eine Ersparnis im Systempreis von knapp zwei Prozent.

Die Konkurrenz zeigt sich interessiert, aber noch skeptisch. Siemens, selbst Hersteller von Wechselrichtern für größere Solaranlagen, wollte keinen Kommentar abgeben. Auch nicht zur Frage, ob man selbst einen ähnlichen Wechselrichter plant. Fronius beobachtet aufmerksam den Markt, hält es aber nicht für ausgemacht, dass tatsächlich alle Systemkosten sinken. Thomas Mühlberger von Fronius Systemtechnik argumentiert am Beispiel Strangsicherungen: „Für Spannungen bis 600 oder 900 Volt gibt es da eine typische Bauform. Wenn man Strangsicherungen für höhere Spannungen auslegen möchte, ist es nicht unbedingt gewährleistet, dass sie in derselben Bauform zu entwickeln sind. Das heißt, sie brauchen größere Sicherungen, und die werden dann mit Sicherheit teurer werden. Gleiches gilt dann etwa für den Sicherungshalter.“ Wenn es sie denn überhaupt schon gäbe. Für Mario Müller vom Wechselrichterproduzenten Control Techniques im nordrhein-westfälischen Hennef liegt das Problem vor allem darin, dass diese Komponenten noch weitgehend fehlen. Dies gilt selbst für Module. Nanosolar etwa hat nach eigenen Angaben auf der Internetseite inzwischen zwar ein Dünnschichtmodul mit einer Spannung bis 1.500 Volt entwickelt, aber besonders viele Nanosolar-Module sind noch nicht gesichtet worden. Weitere Modulhersteller sind laut Fraunhofer ISE allerdings in der Entwicklungsphase. Noch sind die meisten Module aber für den 1.000-Volt-Bereich ausgelegt. Was nützt also ein Wechselrichter, der höhere Spannungen als das Modul aushält? Müller, der für das Engineering der Wechselrichter bei Control Techniques zuständig ist, überlegt zwar, einen Wechselrichter für höhere Spannungen zu bauen, wartet aber die Entwicklungen auf dem Modulmarkt ab. Auch er ist überzeugt, dass die generelle Tendenz dahin geht, mit höheren Spannungen zu arbeiten.

Refusol 333K
Maximale PV-Leistung365 Kilowatt
MPPT-Bereich575 – 1.150 Volt
Maximale DC-Spannung1.500 Volt
AC-Bemessungsleistung333 Kilowatt
AC-Ausgangsspannung3AC690 Volt
cos phi± 0,9
Maximaler Wirkungsgrad98,5 %
Europäischer Wirkungsgrad> 98 %
Kühlungluftgekühlt
SchutzartIP 65 (outdoorgeeignet)
Sonstiges– Vorderseite DC-Anschlüsse/Rückseite AC-Anschlüsse- Erfüllt die Anforderungen der Mittelspannungsrichtlinie

Refusol-Geschäftsführer Michael Seehuber sieht jedoch selbst für den Fall Vorteile mit dem neuen Wechselrichter, wenn die passenden Module noch fehlen. Zum einen ist die Ausgangsspannung auch dann hoch, wenn der Wechselrichter mit niedrigeren Eingangsspannungen betrieben wird. Dieser Teil der Ersparnis bleibt also erhalten. Zum anderen sei der Wirkungsgrad auch bei niedrigeren Eingangsspannungen sehr gut. „Die maximale Effizienz von 98,5 Prozent hat er bei 900 Volt“, sagt er. Wenn man den Generator auf die 1.000 Volt Maximalspannung auslege – die Betriebspannung liegt dann meist deutlich darunter – erreiche man in der Regel Wirkungsgrade wie bei den kleineren Refusol-Geräten, die auch bei 98,2 Prozent liegen. Das sei auch noch sehr gut. Man habe auch kein Problem mit dem MPP-Tracking-Bereich, der bei dem neuen Gerät zwischen 575 Voltund 1.150 Volt liegt, im Vergleich zu 480 Volt bis 850 Volt bei den kleineren Geräten. „Wenn Sie ein Modul haben, das zu 1.000 Volt fähig ist, dann erreichen Sie ohne Probleme einen MPP-Bereich, der selbst bei schlechter Auslegung um die 600 Volt liegt“, sagt Seehuber.

Außerdem muss man nach Ansicht von Seehuber bei der Auslegung der Anlage auf einen Punkt weniger aufpassen, wenn man das Gerät mit den 1.500 Volt Eingangsspannung nutzt. Die Spannung eines Modulfeldes ist dann besonders hoch, wenn es kalt ist und gleichzeitig die Sonne stark scheint. Wie kalt es an einigen wenigen Tagen im Jahr werden kann, kann man zwar abschätzen, aber nicht genau wissen. „Sollte die Spannung einmal über 1.000 Volt steigen, wird der Wechselrichter trotzdem nicht zerstört“, sagt Seehuber (siehe Tabelle).

c-Simc-Sia-SiCISCdTe
Module in Reihe22378713
UMPP in V @ 25°C880895864840828
UMPP in V @ 70°C722704740707735
UOCin V @ 25°C1.0491.1251.1281.1201.131
UOCin V @ -10°C1.1511.2611.2581.2391.230
UMPPSpannung im MPP
UOCLeerlaufspannung
Quelle: Fraunhofer ISE (Burger et al., Higher sytem efficiency in three phase plants through system voltages above 1000 V, 23rd EUPVSEC)

Das Argument ist allerdings nur bedingt stichhaltig, denn auch wenn der Wechselrichter nicht zerstört wird, sind die Module zurzeit einfach nicht für Spannungen über 1.000 Volt zertifiziert. Zwar sind die Bauteile der Module mit einem Sicherheitsfaktor von 1,25 für Belastungen ausgelegt. Eine Zertifizierung ginge zurzeit aber nicht einmal, wenn ein Hersteller das wollte. „In der IEC 61730 ist nur eine Spannung von 1.000 Volt vorgesehen, und darauf sind die notwendigen Prüfungen abgestimmt“, sagt Lukas Jakisch von der Zertifizierungsstelle des TÜV Rheinland. Ob die erhältlichen Module die Tests für höhere Systemspannungen ertragen würden, lässt sich auch nicht so einfach sagen. Der Teufel steckt im Detail. Es hängt zum Beispiel maßgeblich von den Kriechstrecken in der Anschlussdose ab. „Entscheidend ist zum Beispiel auch, ob ein taunasses Modul sicher ist, und dafür kommt es auf die Kriechstrecken zwischen den spannungsführenden Bauteilen zum Modulrahmen an“, sagt Jakisch. Allerdings könnte sich die Situation bei der Zertifizierung schnell ändern. Zurzeit diskutieren die Experten die nächste Edition der IEC 61730. „Es ist beabsichtigt, die zulässige Systemspannung auf 1.500 Volt anzuheben“, sagt Jakisch. Mit der neuen Edition ist Ende des Jahres oder Anfang nächsten Jahres zu rechnen.

Skepsis verbreitet

Dennoch ist die Frage, welche Eingangsspannung man wählen sollte, noch umstritten. Seehuber argumentiert, diese sollte möglichst hoch liegen: „Die Grenze ist, was das Modul beziehungsweise der Wechselrichter maximal zulassen.“ Auch Ingo Klute, Abteilungsleiter System Design & Technology beim Projektierer Juwi, befürwortet generell das Arbeiten mit höheren Eingangsspannungen wegen Kabeleinsparungen und sieht als einzigen Nachteil noch das weitgehende Fehlen passender Module.

Jan Roggensack, Installateur der Firma Engesaar in Saarbrücken, ist dagegen skeptisch. „Eigentlich ist es sinnvoll, eine niedrige Eingangsspannung zu wählen“, sagt er. Bei größeren Strängen sei auch die Möglichkeit größer, dass es zu einem bekannten Problem im Stromkreis komme, zu einem Phänomen, das zurzeit unter dem Stichwort „spannungsinduzierte Degradation“, auf englisch „Potential Induced Degradation“ (PID), diskutiert wird. Je höher das Potenzial zwischen Glasoberfläche und dem Minuspol der Module ist, der direkt unter der Glasoberfläche liegt, umso größer ist die Gefahr, dass es zu Ionenströmen kommt, die das Modul schädigen können. Meist wird es im Zusammenhang mit Dünnschichtmodulen oder Sunpower-Modulen diskutiert. Aber die jüngsten Erkenntnisse zeigen, dass es im Prinzip für alle Module gilt, wenn der PID-Effekt vielleicht auch weniger stark ist. Selbst eine Erdung der Module, die sowieso nur mit trafolosen Wechselrichtern möglich ist, löst das Problem nur zum Teil. Denn erden kann man nur an einer Stelle in der Stringleitung. Es gibt also immer Module im String, an denen mindestens die halbe Systemspannung anliegt. Allerdings scheint Abhilfe in Sicht. Solon etwa bietet nach eigenen Angaben seit Anfang des Jahres „PID-safe“-Module an. Auch Q-Cells hat solche Module für die Intersolar angekündigt.

Bei Refusol hüllt man sich derweil bezüglich der Komponenten in Schweigen, weil man eine Vertraulichkeitsvereinbarung mit Herstellern unterschrieben hat. Natürlich, so heißt es aus Metzingen, stehe man aber miteinander in Kontakt. Noch ist daher offen, ob es zum Wechselrichter auch alle passenden Teile geben wird. Seehuber ist aber der Auffassung, dass zumindest „viele Module im Prinzip in der Lage sind, notwendige Prüfungen für Systemspannungen von 1.500 Volt zu bestehen“.

Wenn es so viel vorteilhafter ist, mit höheren Spannungen zu arbeiten, bleibt nur die Frage, warum bislang auf niedrigere Spannungen gesetzt wird. Seehuber und Burger verwenden übereinstimmend denselben Ausdruck als Erklärung: Dies sei ein „Henne-und-Ei“-Problem. „Lange gab es für die Modulhersteller keinen Grund, etwas in Richtung höherer Spannungen zu unternehmen, weil die Wechselrichter das nicht konnten. Jetzt sind die Hersteller gefragt, etwas zu tun“, sagt Seehuber. Die bisherigen Vorschriften waren ebenfalls hinderlich. Die VDE 0100, „die Mutter aller Vorschriften“ für Starkstromanlagen, wie Burger sie bezeichnet, war bis vor kurzem nur für 1.000-Volt-Module ausgelegt. Auf seine Anregung hin wird diese Vorschrift, die von der Erdung bis zur Verkabelung von Starkstromanlagen alles regelt, jetzt überarbeitet.