Forschungsprojekt zur KI-gestützten Lebensdauer-Verlängerung von Wechselrichtern

Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz mit rund 4,6 Millionen Euro geförderte Forschungsprojekt „PV4Life – Erhöhung der Stromrichter-Lebensdauer durch Komponenten-Optimierung mittels Digitaler KI Zwillinge“ soll, wie der Name schon sagt, die Möglichkeit zur längeren Nutzbarkeit von Photovoltaik-Wechselrichtern erkunden. Beteiligt sind das Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE sowie die Partner Siemens (als Konsortialführer), die Hochschule Bonn-Rhein-Sieg, Infineon Technologies, OPAL-RT Germany und Sumida Components & Moduls; assoziierte Partner sind WIMA el. Bauelemente  und Kaco New Energy. Im Zentrum der gemeinsamen Forschung steht nicht die Entwicklung neuer, belastbarer Bauteile, sondern vielmehr die Suche nach optimierten Betriebsmodi, mit denen sich ohne Minderung der Leistung und damit des Ertrags von Photovoltaik-Anlagen die Lebenserwartung von Wechselrichtern verlängern lässt.

Die Motivation fasst das Fraunhofer IEE in einer am Donnerstag veröffentlichten Mitteilung so zusammen: „Die Lebensdauer der Wechselrichter in Photovoltaik-Anlagen ist heute weit geringer als die der Module.“ Während heutige Solarmodule für 25 oder 30 Betriebsjahre ohne größere Leitungseinbußen nutzbar seien, „müssen Stromrichter oft schon nach der Hälfte dieser Zeit ersetzt werden“.

Daten sammeln für digitale Zwillinge

In dem auf drei Jahre angelegten Projekt mit einer Laufzeit von August 2023 bis Juli 2026 soll den Gründen für die relativ geringe Lebensdauer entgegengewirkt werden. Diese Gründe lägen in der Komplexität der Wechselrichter und dem hochfrequenten Zusammenspiel der in ihnen verbauten Halbleiter, Induktivitäten und Kapazitäten. Überdies seien „die heute gängigen Betriebsstrategien“ stets gleich, ohne Berücksichtigung der unterschiedlichen Bedingungen an verschiedenen Standorten. An feuchten, warmen Orten würden die Geräte aber beispielsweise anders altern als in kühler, trockener Umgebung.

Der Fokus beim „PV4Life“-Projekt liegt darauf, „mit Daten aus Langzeittests und zusätzlicher Sensorik Modelle für repräsentative Photovoltaik-Stromrichter zu entwickeln, die das individuelle Altern der Geräte abbilden.“ Diese Modelle würden sodann mit Daten von beschleunigt gealterten Geräten abgeglichen und dadurch „validiert, verbessert und verallgemeinert“. Die Alterungstests sollen dabei nicht nur auf Ebene einzelner Komponenten erfolgen, sondern das gesamte Gerät betrachten, um auf diese Weise „mögliche gegenseitige Beeinflussungen mit aufzunehmen“.

Damit entstehen „digitale Zwillinge“, die im Projekt genutzt werden sollen, um durch künstliche Intelligenz (KI) gestützte Methoden zur Erkennung von Anomalien sowie optimierte Betriebsstrategien zu entwickeln. Diese sollen die Lebensdauer der Geräte verlängern, „indem sie die zentralen Parameter laufend entsprechend der fortschreitenden Alterung anpassen.“ Untersucht wird auch, wie sich die entsprechenden Algorithmen direkt in die Wechselrichter integrieren lassen. Übergeordnetes Ziel ist es, durch die Verlängerung der Lebenserwartung von Wechselrichtern die Wirtschaftlichkeit von Photovoltaik-Anlagen weiter zu verbessern.