Ob Schatten, Schmutz oder Alterung – ungünstige Bedingungen für Solarmodule können den Ertrag von großen Photovoltaik-Freiflächenanlagen erheblich mindern. Im Forschungsprojekt Solarpark 2.0 arbeitet das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft daran, diese Verluste zu reduzieren. Innovative Schaltungen, neuartige Leistungselektronik und KI-gestützte Optimierung sollen Ausbeute und Lebensdauer von Anlagen steigern und die Betriebskosten senken. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) fördert das kürzlich gestartete Projekt mit rund 2,5 Millionen Euro.
Auf dem Weg zur Klimaneutralität müssen die erneuerbaren Energien massiv ausgebaut werden. „Große Solarparks sind dabei ein wichtiges Instrument“, sagt Nina Munzke, Forscherin am Elektrotechnischen Institut (ETI) des KIT und Initiatorin von Solarpark 2.0 am Batterietechnikum des KIT. „Neue und immer größere Flächen für solche Anlagen zu finden, ist aber insbesondere in stark besiedelten Regionen der Welt ein Problem. Damit wir unsere Klimaziele trotzdem erreichen, müssen wir die vorhandenen Flächen viel effizienter nutzen.“ Im Verbundprojekt Solarpark 2.0 entwickeln die Forschenden dafür elektronische Komponenten und Methoden für große Freiflächenanlagen. „Wir wollen die Leistungsabgabe von Photovoltaikanlagen unter ungünstigen Bedingungen wie Verschattung, Verschmutzung oder Alterung verbessern und dadurch die Wirtschaftlichkeit und den Ertrag der Stromerzeugung durch Photovoltaik optimieren“, so Munzke.
Ertragssteigerung durch neue Leistungselektronik
Um ein Photovoltaikmodul maximal effizient einzusetzen, muss es nahe an seinem individuellen Maximum Power Point (MPP) arbeiten. „Die Ausgangsleistung des Moduls ergibt sich aus dem Produkt von Stromstärke und Spannungshöhe. Beim MPP ist diese Leistung am höchsten, es wird also die größte mögliche Ausbeute erreicht“, sagt Lukas Stefanski vom ETI. Da sich der MPP aber je nach Temperatur, Sonnenstand und weiteren Faktoren ändert, muss für einen optimalen Betrieb die Spannung kontinuierlich nachgeregelt werden. Dafür gibt es zwar bereits spezialisierte Leistungsoptimierer, das Maximum Power Point Tracking (MPPT) wird in konventionellen Schaltungen allerdings vor allem im zentralen Wechselrichter angewendet. „Wenn dann mehrere Photovoltaikmodule in Reihe zu Strings geschaltet sind und zusätzlich mehrere dieser Strings parallelgeschaltet werden, dann können Verschattung und Defekte einzelner Module die erzeugte Leistung ganzer Anlagen einschränken“, sagt Stefanski. „Vorteilhafter ist es, einzelne Module zu regeln sowie, je nach spezifischer Verschaltung der Anlage, die Spannung an den Strings zu optimieren.“
Um das zu realisieren, kommt bei Solarpark 2.0 die am KIT patentierte HiLEM-Schaltung (steht für: High Efficiency Low Effort MPPT) zum Einsatz. Diese Schaltung ersetzt Combiner-Boxen, die herkömmlicherweise zur Parallelschaltung von Strings eingesetzt werden und ermöglicht ein effizientes MPPT auf Ebene der Strings. Die Kombination aus HiLEM-Schaltung mit neuartigen Leistungsoptimierern, die von der Hochschule Karlsruhe sowie den Unternehmen BRC und PREMA gemeinsam entwickelten werden, ermöglicht dann ein gleichzeitiges MPPT sowohl auf String- als auch auf Modulebene. „Wir erreichen damit nicht nur einen höheren Ertrag der Photovoltaikanlage, sondern verlängern auch ihre Lebensdauer und senken die Betriebskosten“, so Stefanski.
Testanlage am Campus Nord geplant
Evaluiert werden sollen die neuen Optimierungskomponenten in zwei Photovoltaik-Testanlagen mit jeweils 30 Kilowatt-Peak (kWp). Eine Anlage wird dabei unterschiedliche Testszenarien für die neuen Leistungsoptimierer abbilden, die zweite Anlage dient als Referenz ohne diese. Beide Anlagen sollen nebeneinander auf einer Freifläche innerhalb des bestehenden Solarfeldes des Energy Lab 2.0 am KIT realisiert werden. Ein weiteres Ziel der Arbeiten am KIT besteht darin, eine durch Künstliche Intelligenz (KI) gestützte Leistungsprognose für Photovoltaikanlagen zu entwickeln, mit der sich anhand von Betriebsdaten möglicherweise verschattete, defekte oder verschmutzte Module identifizieren lassen. „Damit können wir ermitteln, an welcher Stelle in Solarparks sich eine Nachrüstung mit Leistungsoptimierern lohnen würde“, sagt Marcus Becker vom ETI. Trainiert wird die KI dabei mit langfristig gesammelten Daten des Solarfeldes des Energy Lab 2.0, und Daten, welche mittels des selbstentwickelten drahtlosen Monitoring System (WSN) des Instituts für Photovoltaik (ipv) der Universität Stuttgart erhoben werden.
Über Solarpark 2.0
Das durch das KIT koordinierte Verbundprojekt Solarpark 2.0 ist im Juli 2022 gestartet und hat eine geplante Laufzeit von drei Jahren. Beteiligt sind die Hochschule Karlsruhe sowie die Unternehmen BRC-Solar und PREMA Semiconductor, die gemeinsam Leistungselektronik für das MPPT mittels anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen (application-specific integrated circuit, ASIC) entwickeln. Außerdem das ipv der Universität Stuttgart, das ihr WSN einsetzt und weiterentwickelt sowie das Unternehmen Solarwatt, das bei der Integration von Leistungsoptimierern direkt in Photovoltaikmodule unterstützt. Solarpark 2.0 hat ein Projektvolumen von etwa 3,4 Millionen Euro, das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz fördert mit rund 2,5 Millionen Euro.
Weitere Informationen: https://www.batterietechnikum.kit.edu/170_1227.php
Details zum KIT-Zentrum Energie: https://www.energie.kit.edu
Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 10 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 22 800 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversitäten.