Intelligenter, kühler und mit mehr Spannung

Wenn es nach dem Internet-Riesen Google geht, sollen Wechselrichter in Zukunft vor allem kleiner werden (siehe Seite 31). Aber auch was die technischen Fähigkeiten angeht, haben sich die Anforderungen an Wechselrichter in den vergangenen Jahren stark erweitert. Immer mehr Zusatzfunktionen sind gefragt, so zum Beispiel die Netzstabilisierung, die Einbindung von Speichersystemen oder die reibungslose Kommunikation mit Monitoringsystemen und intelligenten Energiemanagern. Wir haben zwei Wissenschaftler gefragt, welche Trends sie derzeit sehen und wie sie diese bewerten: Sönke Rogalla und Bruno Burger, beide Gruppenleiter in der Abteilung Leistungselektronik am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE.

Grenzen der Effizienz

Lange Zeit haben Hersteller vor allem versucht, die Wirkungsgrade ihrer Wechselrichter zu verbessern. Diese Entwicklung scheint sich aber ihrem natürlichen Ende zu nähern. Nachdem SMA schon auf der PVSEC 2011 in Hamburg den Sunny Tripower 20000TL High Efficiency mit 99 Prozent Wirkungsgrad vorgestellt hat, bietet nun auch der chinesische Hersteller Sungrow seit Juni einen Strangwechselrichter mit einem Spitzenwirkungsgrad von 99,03 Prozent an. Für den Anlagenbetreiber stellt sich dabei die Frage, ob eine Wirkungsgradsteigerung zum Beispiel von 98 auf 99 Prozent noch einen höheren Preis für das Gerät rechtfertigt.

„Früher war der Wirkungsgrad das wichtigste Entscheidungskriterium für den Kunden. Ich glaube, das ist heute nicht mehr so“, sagt Sönke Rogalla. „Der Wertverlust durch geringere Wirkungsgrade ist heute nicht mehr so gravierend wie noch vor zehn Jahren, als die EEG-Vergütung noch bei 50 Cent pro Kilowattstunde lag.“ Trotzdem hält er eine weitere Steigerung der Wirkungsgrade grundsätzlich für sinnvoll. Je geringer die Verluste in den Geräten seien, desto weniger Aufwand müsse man für Kühlung betreiben. Das mache die Wechselrichter auch leichter. Die reduzierte Verlustwärme in den Geräten verringert zudem den thermischen Stress, dem die Bauteile eines Wechselrichters ausgesetzt sind. Somit steigt auch die Lebensdauer der Geräte mit dem Wirkungsgrad. Wenn man die Folgekosten für Austausch oder Reparatur eines Wechselrichters berücksichtigt, kann es sich eventuell rechnen, etwas mehr Geld für höhere Wirkungsgrade auszugeben.

Zuverklässigkeit und neue Halbleiter

Nach Rogallas Ansicht wird das Thema Zuverlässigkeit in der Solarbranche bisher häufig eher stiefmütterlich behandelt. Bei Investitionsentscheidungen stünden oft die Investitionskosten im Vordergrund und die Betriebsdauer von 20 Jahren oder mehr werde kaum berücksichtigt. „Wir sehen die Folgen gehäuft in großen Photovoltaik-Kraftwerken. Dort kommt es oft bereits in frühen Jahren zu Ausfällen der Wechselrichter.“ Grund sei oft eine ungenügende Auslegung der Bauteile.

Ein weiterer Trend, der sich abzeichnet, sind neue Halbleitermaterialien für Transistoren. Hier hat sich Siliziumkarbid bereits einen Namen gemacht, aber auch Galliumnitrid ist im Kommen. Beide Materialien ermöglichen im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumtransistoren höhere Schaltfrequenzen. „Ich denke, diese neuen Halbleitermaterialien werden sich in Zukunft durchsetzen“, sagt Bruno Burger. „Bei heutigen Schaltfrequenzen von zwei Kilohertz bei Zentralwechselrichtern und bis zu 20 Kilohertz bei Strangwechselrichtern sind die Filterbauelemente, insbesondere die Drosselspulen, die größten und teuersten Einzelkomponenten. Mit höheren Schaltfrequenzen lässt sich deren Größe deutlich reduzieren. Der Trend heißt daher: bessere Halbleiter und dafür kleinere passive Bauteile.“ Wenn Hersteller die Taktfrequenz also verdoppeln oder verdreifachen, können sie die Drosselspule um den Faktor zwei bis drei verkleinern. So müssen sie zwar ein bisschen mehr Geld für die Halbleiter ausgeben, können dafür aber bei den passiven Bauteilen Geld sparen. „Im ersten Schritt auf dem Weg zur Marktintegration sollen sich die Mehrkosten für die Halbleiter mit der Ersparnis bei den passiven Bauteilen aufheben. Auf lange Sicht soll es dann aber insgesamt günstiger werden“, sagt Bruno Burger.

Ob sich Hersteller zukünftig für Transistoren aus Siliziumkarbid oder aus Galliumnitrid entscheiden, hängt zum einen von der Technik selbst ab. „Wir sehen Galliumnitrid eher bei kleineren Spannungen bis 600 Volt und Siliziumkarbid bei Spannungen darüber“, so Burger. Mit Galliumnitrid seien aus physikalischen Gründen noch heute nicht so hohe Spannungen möglich. Es ist aber zurzeit auch noch eine Frage der Verfügbarkeit. Siliziumkarbid-Transistoren gibt es mittlerweile aus der Serienproduktion. „Das hat sich verbessert. Am Anfang waren solche Bauteile noch mehr oder weniger handgemacht“, sagt Burger. Galliumnitrid ist im Vergleich zu Siliziumkarbid noch ein paar Jahre hinterher. „In der Forschung setzen wir Galliumnitrid schon seit einiger Zeit ein und haben auch spezielle Designs für solche Bauteile entwickelt. Für die Markteinführung müssen die Kosten aber noch weiter runter“, so Burger. Außerdem müssten die Hersteller auch noch Aussagen bezüglich der Zuverlässigkeit und der Garantien treffen.

Wärme gezielter abführen

Eine Technologie, die in Zukunft ebenfalls interessant werden könnte, sind sogenannte Heat Pipes. Diese kann man einsetzen, um Wärme von den Halbleiterelementen, in denen die Wärme konzentriert anfällt, wegzutransportieren und an anderer Stelle an die Umgebung abzugeben. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um ein Rohr, das mit einem flüssigen Arbeitsmedium gefüllt ist. Wird dieses am einen Ende erhitzt, verdampft ein Teil des Arbeitsmediums, wodurch der Umgebung Wärme entzogen wird und im Rohr ein gewisses Druckgefälle entsteht. Der Dampf strömt dann in Richtung des kühleren Endes, wo die Flüssigkeit kondensiert und die Wärme abgibt. Das nun wieder flüssige und kühlere Medium wird danach durch Kapillarkräfte an der Innenseite des Rohres wieder zum Ausgangsort zurückgeführt.

„So etwas findet man heute zum Teil schon bei der Entwärmung von Notebook-Prozessoren. Es gibt aber auch Ansätze, diese Technologie im größeren Stil in der Leistungselektronik einzusetzen“, erklärt Rogalla. Der japanische Hersteller Tmeic zum Beispiel hat im Zentralwechselrichter Solar Ware Samurai bereits eine Wasserkühlung mit Heat Pipes integriert. Dafür gab es bei den Intersolar Awards 2014 eine Auszeichnung in der Kategorie Photovoltaik. Die Jury honorierte, dass durch die Heat Pipes eine geringere Ventilatorleistung nötig und selbst bei einem Ausfall der Ventilatoren ein Betrieb mit bis zu 50 Prozent der Leistung gewährleistet sei. Ob es sich dabei um einen Trend handelt, der sich durchsetzt, vermögen derzeit weder Rogalla noch Burger vorherzusagen. Dazu müsse man einen genauen Kostenvergleich zwischen den Kühlsystemen vornehmen, meint Rogalla. Aus technischer Sicht sei das Konzept aber sehr interessant.

Intelligenzquotient steigt

Ein genereller Trend, dem sich auch Wechselrichter in Zukunft nicht werden entziehen können, ist die Integration von mehr Intelligenz und Kommunikationsfähigkeit, zum Beispiel zur Einbindung von Monitoringsystemen oder Stromspeichern mit entsprechendem Energiemanagementsystem. „Das ist ein logischer Schritt für Hersteller“, sagt Rogalla. „In einem Wechselrichter sind ohnehin schon viele Komponenten vorhanden, die Energiemanagementfunktionen übernehmen können. Die Aufgabe eines Wechselrichters ist es ja, elektrische Energieflüsse zu steuern, klassischerweise zwischen Photovoltaikgenerator und dem Stromnetz.“ Weitere Eingänge für Batterien oder um andere Lasten anzuschließen, seien aus leistungselektronischer Sicht nur ein kleiner Schritt. Daher finde man heute auch schon viele Geräte am Markt, die zusätzliche Batterieeingänge bis hin zum Anschluss von Sensoren haben, um Energieflüsse im Haushaltsnetz zu erfassen und einzelne Geräte anzusteuern. „Der Wechselrichter wird dadurch zur zentralen Steuereinheit im Haus, die die Energieflüsse regelt und optimiert.“

Der Schweizer Hersteller Solarmax bietet für Wechselrichter der P-Serie zum Beispiel ein Upgrade Kit an, das die Speicherung von Solarstrom in einer Batterie und eine Optimierung des Eigenverbrauchs ermöglicht. Der deutsche Hersteller Fronius hat mit den sogenannten Snap Invertern Geräte im Programm, die über offene Schnittstellen zum Beispiel für die Anbindung von Energiezählern oder von Monitoringsystemen von Drittanbietern verfügen. Auch die Einbindung in Home-Automation-Systeme ist damit laut Fronius möglich.

Mehr Spannung

Wechselrichter, die auf eine Systemspannung von 1.500 Volt DC ausgelegt sind, können aus Sicht der beiden ISE-Wissenschaftler zukünftig ebenfalls zum Trend werden. Bruno Burger hatte diese Entwicklung im Jahr 2008 selbst mit einer wissenschaftlichen Publikation angestoßen und darauf hingewiesen, dass eine höhere Systemspannung bei großen Photovoltaikanlagen Vorteile bieten kann. „Der Vorteil ist, dass sich die Module zu längeren Strings verschalten lassen. Dadurch reduziert sich zum Beispiel der Aufwand für die Verkabelung.“ Außerdem lasse sich durch eine Spannungserhöhung die Leistung von Wechselrichterstationen (heute typischerweise ein Megawatt) erhöhen. Dadurch würden insgesamt weniger Stationen nötig, was die Grundkosten zum Beispiel für Gebäude, Transformatoren, Mittelspannungsschaltanlage und -anschluss reduziere. Dadurch sinken dann auch die spezifischen BOS-Kosten von großen Photovoltaikanlagen.

Die Entwicklung entsprechender Wechselrichter ging anfangs eher schleppend voran. Zunächst musste eine normative Grundlage für höhere Systemspannungen entwickelt werden. Diese ist mittlerweile vorhanden. Schon im Jahr 2011 gab es dann den ersten Wechselrichter für 1.500 Volt am Markt, weitere folgten. Es fehlten aber noch passende Module sowie Stecker und Kabel. Auch dies scheint sich nun zu ändern. Einige Hersteller, zum Beispiel Hanwha Solar One und BYD bieten mittlerweile Module an, die nach Herstellerangaben für eine Systemspannung von 1.500 Volt geeignet sind. First Solar entwickelt derzeit zusammen mit General Electric ein 1.500-Volt-Dünnschichtmodul. Laut Burger kann man mittlerweile auch entsprechende Kabel und Stecker bekommen. Was den Trend zu höheren Systemspannungen angeht, sind sich daher beide Wissenschaftler einig, dass er sich mittel- bis langfristig bei größeren Kraftwerken im Megawattbereich etablieren wird.

Netzbildung mit Leistungselektronik

Eine für die Zukunft notwendige Entwicklung sieht Rogalla darin, dass Wechselrichter auch selbst dazu in der Lage sein müssen, Stromnetze zu bilden und stabil zu halten. „Wir sehen zunehmend, dass unsere Netze durch Leistungselektronik dominiert werden, zumindest zeitweise. In Zukunft müssen wir uns auf ein Energieversorgungsnetz einstellen, was letztlich auf 100 Prozent Leistungselektronik basiert, also auf Umrichtern von Photovoltaik- oder Windkraftanlagen. Momentan haben wir ein Stromnetz, das in seinen Eigenschaften und der Regelung auf großen Synchronmaschinen basiert. Diese geben Spannung und Frequenz im Netz vor und bilden daher auch das Netz.“ Nach Ansicht von Rogalla müssen diese Funktionen zukünftig primär von großen dezentralen Erneuerbare-Energien-Anlagen übernommen werden, zumindest in Zeiten, in denen nur wenige Synchrongeneratoren am Netz sind.

Wechselrichter, die solche Aufgaben übernehmen, müssen die Eigenschaften von netzgekoppelten und Offgrid-Wechselrichtern vereinen. Sie müssen sich also nicht nur wie bisher auf eine gemessene Netzspannung synchronisieren können, sondern diese gleichzeitig auch beeinflussen beziehungsweise bilden können. Außerdem müssen Wechselrichter in Inselsystemen nur mit relativ wenigen Komponenten zurechtkommen. Das europäische Verbundnetz besteht hingegen aus Millionen von Erzeugern, die sozusagen per Plug-and-play hinzufügbar sein und stabil funktionieren müssen, ohne sich gegenseitig zu stören. „Der stabile Betrieb von leistungselektronikbasierten Netzen ist eine regelungstechnische und normative Herausforderung. Diese Fähigkeiten werden für Wechselrichter in Zukunft sicherlich wichtig“, meint Rogalla. Der Innovationsprozess stehe hier aber noch am Anfang.