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PV-Freiflächen-Anlagen: Gleiche Fläche, mehr Ertrag

16.12.2022 – Das KIT und mehrere Partner entwickeln elektronische Komponenten und Methoden zur KI-gestützten Optimierung, um die Ausbeute und Lebensdauer von großen PV-Freiflächenanlagen zu steigern und die Betriebskosten zu senken.

Das EEG 2023 sieht einen Photovoltaik-Ausbau auf 215 Gigawatt-Peak bis 2030 und auf 400 GigawattPeak bis 2040 vor. Der jährliche Netto-PV-Zubau soll innerhalb weniger Jahre auf einen Höchstwert von 22 Gigawatt-Peak steigen. Eine Analyse von EUPD Research hat das Photovoltaik-Potenzial in Deutschland untersucht und hierzu die Anzahl an geeigneten Dachflächen ermittelt. Während in ländlich geprägten Landkreisen aufgrund größerer Grundstücke und geringerer Verschattungen ein Großteil der Ein- und Zweifamilienhäuser zur Errichtung einer Solaranlage geeignet sei, reduziere sich im urbanen Raum das Potenzial auf die Hälfte dieser Gebäudeklasse. In der Summe stehen EUPD Research zufolge rund 11,7 Millionen Ein- und Zweifamilienhäuser mit Photovoltaik-Eignung zur Verfügung.

Neben PV-Dachanlagen erzeugen auch PV-Freiflächenanlagen den benötigten Solarstrom. Damit Deutschland seine Klimaziele erreicht, müssen die vorhandenen Flächen effizienter genutzt werden. „Große Solarparks sind ein wichtiges Instrument auf dem Weg zur Klimaneutralität“, berichtet Nina Munzke, Forscherin am Elektrotechnischen Institut (ETI) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). „Ungünstige Wetterverhältnisse, vor allem Verschattung, und weitere Einflüsse wie Schmutz oder alternde Komponenten können jedoch den Ertrag von Solarmodulen von Photovoltaik-Freiflächenanlagen erheblich mindern“, führt Munzke aus.

Solaranlagen Energy Lab KIT

Das Solarfeld des Energy Lab 2.0 auf dem Campus Nord des KIT. Foto: Markus Breig

Solarpark 2.0

Im Forschungsprojekt Solarpark 2.0, das von Nina Munzke initiiert wurde, arbeiten Forscher:innen des KIT gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft daran, diese Verluste zu reduzieren. Das vom KIT koordinierte dreijährige Verbundprojekt ist im Juli 2022 gestartet. 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. Das Institut für Photovoltaik der Universität Stuttgart setzt ihr drahtloses Monitoring System (WSN) ein. Das Unternehmen Solarwatt unterstützt bei der Integration von Leistungsoptimierern direkt in die Photovoltaikmodule.

Neue Leistungselektronik für Solarparks

Um ein Photovoltaikmodul maximal effizient einzusetzen, muss es nahe an seinem individuellen Maximum Power Point (MPP) arbeiten, erläutert Lukas Stefanski vom ETI. „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.“

Da sich der MPP aber je nach Temperatur, Sonnenstand und weiteren Faktoren ändere, muss für einen optimalen Betrieb die Spannung kontinuierlich nachgeregelt werden. Dafür gibt es Lukas Stefanski zufolge 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“, klärt Stefanski auf. „Vorteilhafter ist es, einzelne Module zu regeln sowie, je nach spezifischer Verschaltung der Anlage, die Spannung an den Strings zu optimieren.“

Grafik MPP Tracking Grafik KIT

Ebenen des MPP-Tracking in großen PV-Freiflächenanlagen. Foto: Batterietechnikum, Karlsruher Institut für Technologie

Patentierte Schaltung

Um das zu realisieren, kommt bei Solarpark 2.0 die am KIT patentierte HiLEM-Schaltung (High Efficiency Low Effort MPPT) zum Einsatz. Diese Schaltung ersetzt Combiner-Boxen, die herkömmlicherweise zur Parallelschaltung von Strings eingesetzt werden und soll ein effizientes MPPT auf Ebene der Strings ermöglichen. Die Kombination aus HiLEM-Schaltung mit neuartigen Leistungsoptimierern, die die Hochschule Karlsruhe sowie die Unternehmen BRC-Solar und PREMA gemeinsam entwickeln, ermöglicht laut den Projektpartnern ein gleichzeitiges MPPT sowohl auf String- als auch auf Sub-String-Ebene. „Wir erreichen damit nicht nur einen höheren Ertrag der Photovoltaikanlage, sondern verlängern auch ihre Lebensdauer und senken die Betriebskosten“, sagt Stefanski.

Zwei PV-Testanlagen geplant

Evaluiert werden sollen die neuen Komponenten in zwei Photovoltaik-Testanlagen mit jeweils 30 Kilowatt-Peak (kWp). Eine Anlage wird 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 soll ermittelt werden, an welcher Stelle in Solarparks sich eine Nachrüstung mit Leistungsoptimierern rentieren würde. Trainiert wird die KI mit langfristig gesammelten Daten des Solarfeldes des Energy Lab 2.0 sowie mit Daten, welche mittels des selbstentwickelten drahtlosen Monitoring System (WSN) des Instituts für Photovoltaik der Universität Stuttgart erhoben werden. (ds)

www.kit.edu
www.batterietechnikum.kit.edu