Stetige Entwicklung

Siliziumkarbid ist in Aufbau und Eigenschaften einem Diamanten sehr ähnlich. Als Schmuck für den Finger oder das Handgelenk einer Frau taugt das Material allerdings kaum. Dafür verziert es seit einiger Zeit das Innenleben von Wechselrichtern. Auch in unserer Tabelle zur Marktübersicht ab Seite 58 sind bereits Siliziumkarbid-Wechselrichter zu finden. Transistoren aus Siliziumkarbid sollen besonders effizient und leise sein, außerdem hielten sie auch höheren Umgebungstemperaturen stand, heißt es beim Hersteller von Wechselrichtern Refusol. Mit der Einführung des 020K-SCI wagt sich das baden-württembergische Unternehmen auf neues Terrain. Durch „geringe Schaltverluste und einen herausragenden Wirkungsgrad über den gesamten Ausgangsleistungs- und Eingangsspannungsbereich“ soll sich die Pionierarbeit allerdings auch auszahlen.

In Dioden für Solarwechselrichter kommt Siliziumkarbid schon länger zum Einsatz. Für Transistoren in Solarwechselrichtern Siliziumkarbid zu verwenden ist hingegen relativ neu. Seit ungefähr drei bis vier Jahren wird die Technik entwickelt. Erste Geräte mit Siliziumkarbid-Transistoren sind seit kurzem am Markt. Gegenüber den heute üblichen IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) sieht Refusol die Vorteile einerseits in einem geringeren Innenwiderstand, andererseits in der Möglichkeit, die Schaltgeschwindigkeit des Geräts zu erhöhen. Im Wechselrichter wird der Gleichstrom aus den Solarmodulen zu Wechselstrom umgewandelt. Dies geschieht durch das schnelle Hin- und Herschalten zwischen verschiedenen Spannungspotenzialen. Wechselrichter mit Siliziumkarbid schalten den Strom schneller als die heute meistens verwendeten Transistoren auf Siliziumbasis und reduzieren die Verluste zusätzlich dadurch, dass ihr Durchlasswiderstand relativ klein ist.

Das erhöht erst mal die Effizienz des Geräts. Inverter mit Transistoren aus Siliziumkarbid erreichen derzeit Wirkungsgrade von bis zu 99 Prozent. Mit herkömmlichen Schalttransistoren erreicht man einen Spitzenwirkungsgrad von etwa 98 Prozent. „Die Ertragssteigerung von einem Prozent ist hierbei gar nicht das Ausschlaggebende“, sagt Heribert Schmidt, Senior Scientist für elektrische Energiesysteme am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE. „Es geht eher darum, den Aufbau des Geräts zu vereinfachen.“ Eine Wirkungsgradsteigerung von 98 auf 99 Prozent bedeutet eine Halbierung der Verluste. Das führt zu weniger Wärmeentwicklung, weshalb wiederum kleinere Kühlkörper benötigt werden, um die entstehende Wärme abzuführen, erklärt Schmidt. „Außerdem bedeutet eine geringere Temperatur eine höhere Lebensdauer.“

Bidirektionale Kommunikation

Ein weiterer Aspekt, den Hersteller von Wechselrichtern stetig weiterentwickeln, ist die Kommunikation. Dabei geht es einerseits um Informationen, die vom Gerät ausgehen, andererseits um Informationen, die der Wechselrichter von außen verarbeiten muss. Monitoringsysteme sind mittlerweile in praktisch jedem Wechselrichter serienmäßig integriert. Auch Softwareanwendungen, mit denen Betreiber oder Installateure ihre Anlagen aus der Ferne überwachen können, sind nicht mehr wirklich neu. Dennoch werben manche Hersteller noch damit, dass sie neue Monitoring-Apps anbieten, um sich von Wettbewerbern abzuheben. Sinnvoll kann dies zum Beispiel sein, wenn der Betreiber bei Störungen eine automatische Alarmmeldung erhält, um direkt darauf reagieren zu können.

Deutlich mehr Innovationen gibt es für eingehende Signale, die Wechselrichter neuerdings verarbeiten müssen. Dabei geht es weniger darum, neue Trends zu setzen, als vielmehr darum, stets den aktuellen normativen Anforderungen zu entsprechen. Bei Spannungseinbrüchen im Netz müssen Wechselrichter ab einer gewissen Größe zum Beispiel Blindleistung einspeisen. Im Rahmen des Einspeisemanagements müssen Photovoltaikanlagen unter bestimmten Bedingungen durch den Netzbetreiber heruntergeregelt werden können.

Schnittstellenprobleme

Hersteller sind nun damit beschäftigt, die Vorgaben umzusetzen. In manchen Fällen reicht dafür ein simples Software-Update oder eine Umstellung der Regelungstechnik. Ist die Hardware eines Wechselrichters aber nicht für die Anforderung geeignet, müssen neue Modelle zum Beispiel mit neuen Schnittstellen her. Relativ neu ist unter anderem die Abregelung von Solarwechselrichtern durch Rundsteuersignale im Rahmen des Einspeisemanagements. Dafür ist eine bestimmte Schnittstelle nötig, die noch längst nicht alle Geräte haben. Als vorläufige Lösungen bieten die meisten Hersteller kleine Zusatzgeräte an, die zwischen den Wechselrichter und den Rundsteuerempfänger geschaltet werden und die Informationen in Datenpaketen weitergeben, die der Wechselrichter versteht.

Mittlerweile gibt es aber auch Hersteller, die dieses Zusatzgerät direkt in das Gehäuse des Wechselrichters integrieren. Das erspart Kosten, Platz und Arbeitszeit bei der Installation. Viele Experten sind allerdings der Meinung, dass Rundsteuertechnik aus mehreren Gründen nicht mehr zeitgemäß ist. Daher wird das Einspeisemanagement in Zukunft möglicherweise über andere Kommunikationswege realisiert. Auch dafür müssten wieder neue Schnittstellen entwickelt und integriert werden.

Ein anderes Feld, über das sich Hersteller Gedanken machen, ist die Kühlung von Wechselrichtern. Bisher wurde dieses Problem oft mit einem Lüfter oder über den passiven Luftaustausch mittels Konvektionskühlung gelöst. Insbesondere die Lösung mit Lüfter birgt dabei einige Nachteile. Der Lüfter ist ein bewegliches Bauteil, das erstens fehleranfällig ist und zweitens Schmutz und Staub in den Wechselrichter zieht. Ist der Lüfter defekt, steigt die Temperatur im Gerät, was zu Sicherheitsproblemen führen kann. Ein Austausch kostet Zeit und Geld. Ein verstaubter Innenraum kann ebenfalls Probleme verursachen.

Der US-amerikanische Wechselrichterhersteller Power-One hat letztes Jahr mit dem Aurora Ultra einen Zentralwechselrichter präsentiert, der eine integrierte passive Flüssigkeitskühlung besitzt. Dank dieser Methode lassen sich die aktiven Teile des Geräts laut Hersteller in einer wasserdichten und von der Umgebung luftdicht abgeschirmten Kammer unterbringen. Dies schütze den Wechselrichter auch in rauen Umweltbedingungen langfristig vor aggressiven Einflüssen, wie zum Beispiel vor der Verschmutzung des Innenraums durch Staub. Durch die Flüssigkeitskühlung müsse das System zudem nur alle fünf Jahre gewartet werden. Auch andere Hersteller bieten mittlerweile große Wechselrichter mit einer solchen Kühlung an. So zum Beispiel das Unternehmen Woodward IDS, dessen Wechselrichter der Serie SOLO ebenfalls mit einem flüssigkeitsbasierten Kühlsystem ausgestattet sind.

Spannung erhöhen

Eine weitere Entwicklung, bei der noch nicht ganz klar ist, ob daraus zukünftig ein Trend werden kann, sind Wechselrichter, die mit einer Spannung von 1.500 Volt arbeiten können. Wenn eine Photovoltaikanlage mit 1.500 Volt funktionieren soll, müssen aber alle Komponenten für die höhere Spannung geeignet und zertifiziert sein, also nicht nur der Wechselrichter, sondern auch die Module, die Stecker, die Kabel, die Anschlussdosen und so weiter. „Erste Hersteller machen das jetzt, weil es von der technischen Seite her günstig ist, mit einer höheren Spannung zu arbeiten“, sagt Schmidt. „Wenn man die Spannung erhöht, hat man bei gleicher Leistung einen niedrigeren Strom. Das heißt, der Installateur kann an Kabelquerschnitt und damit an Kosten einsparen.“ Daher könne man bei großen Freiflächenanlagen durchrechnen, dass es günstiger ist, auf eine höhere Spannung zu setzen. Für kleinere Hausdachanlagen sieht Schmidt hingegen keinen großen Vorteil.

Einige Hersteller experimentieren momentan damit, Lichtbogendetektoren in ihre Wechselrichter zu integrieren. Die Entwicklung steht hier allerdings erst am Anfang. „Es gibt bereits erste Geräte am Markt, die einen Lichtbogendetektor haben“, sagt Schmidt vom Fraunhofer ISE. „Bisher weiß aber noch niemand, wie gut das funktioniert.“ Aktuell würde Schmidt diese Entwicklung noch nicht als Trend bezeichnen, sondern eher als Option auf die Zukunft. „Es könnte aber durchaus zu einem Trend werden, wenn sich herausstellt, dass das eine sinnvolle Ergänzung ist.“