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Fraunhofer: Bessere Prognose für Photovoltaik und Speicher – Solarserver

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Eine Solardachanlage unter blauem Himmel mit Sonne und Wolken.

Foto: SMA Solar Technology AG

Das Fraunhofer IMWS will die Prognose für Photovoltaik und Batterie-Speicher verbessern. Dazu verfolgt das Institut mit Partnern das Projekt »Reliability Design«. Wie das Fraunhofer IMWS mitteilte, sei im extrem kompetitiven Markt regenerativer Energietechniken entscheidend, wie hoch die Kosten pro erzeugte Kilowattstunde sind. Wenn es bei solchen Anlagen zu Problemen im Einsatz komme, sei das deshalb doppelt ärgerlich. Der Betreiber der Anlage verliere Erträge, für den Hersteller entstünden Kosten. Kommen solche Fälle häufiger als erwartet vor, könne das die Wirtschaftlichkeit erheblich beeinträchtigen.

Hilfreich wären deshalb neue Methoden für nachweisbar zutreffende Lebensdauervorhersagen. Außerdem auch eine Reduzierung des Testaufwands sowie eine zielgerichtete Lebensdauerauslegung zur Reduktion der Gerätekosten. Im Forschungsvorhaben »Reliability Design« wollen SMA Solar Technology AG, ELECTRONICON Kondensatoren GmbH, MERZ Schaltgeräte GmbH, das Institut für Maschinenelemente der Universität Stuttgart und das Fraunhofer IMWS dies am Beispiel von Photovoltaik- und Batterie-Wechselrichtern erreichen. So will Fraunhofer die Prognose verbessern.

Ihr Gemeinschaftsprojekt erhält eine Fördeung aus dem Programm »Innovationen für die Energiewende« vom Bundesministerium für Bildung und Forschung. Die Partner setzen dort auf die Felddatenanalyse von Wechselrichterausfällen. Außerdem stehen die Aufklärung von Alterungsmechanismen auf Bauteilebene sowie die Evaluation und Optimierung von Test- und Messverfahren im Hinblick auf beschleunigte Alterung im Blick. All dies bilde die Basis für die Erarbeitung einer Methodik zur Lebensdauervorhersage. Das Fraunhofer IMWS bringe dabei seine Kompetenzen zur Materialdiagnostik und Schadensanalyse ein. Außerdem greife sie auf eine vertiefte physikalische und chemische Analyse und Modellierung von Defektursachen und Zuverlässigkeitsrisiken zu.

Hohe Zuverlässigekit wichtig

»Bei Photovoltaik-Anwendungen wandeln Wechselrichter die Gleichspannung der angeschlossenen Solarmodule in Wechselspannung um. Sie spielen auch eine zentrale Rolle für die Bereitstellung von Blindleistung oder Regelleistung sowie zum Energiemanagement, beispielsweise bei der Kombination mit einem Batteriespeicher«, erklärt Bianca Böttge, die das Projekt am Fraunhofer IMWS koordiniert. Bei Nennleistungen von einigen hundert Watt bis in den Megawattbereich sei die Zuverlässigkeit von leistungselektronischen Wechselrichtern besonders wichtig. Denn die müssten extrem robust gegen Umwelteinflüsse bei fast kontinuierlichem Betrieb über einen Zeitraum von mehr als 20 Jahren sein. Insbesondere das Zusammenwirken von Spannung, Temperatur und Feuchte könne dabei Alterungs- und Versagensprozesse beschleunigen.

Weil die Solarbranche noch relativ jung ist bestehen zum tatsächlichen Verhalten von Materialien und Bauteilen aber noch Wissenslücken. Um die nötige Performance sicherzustellen, testen Hersteller derzeit die leistungselektronischen Bauteile derzeit intensiv. Im Zweifel übererfüllen sie lieber die Anforderungen. So seien sie für Belastungen und Lebensdauern ausgelegt, die im realen Einsatz gar nicht in diesem Ausmaß gefragt sind. Zugleich gebe es bei Wechselrichtern schnelle Innovationszyklen, die bereits gesammelten Erfahrungen lassen sich auf neue Modelltypen und künftige Produktgenerationen also nicht zwingend übertragen.

“Noch unerforschte Bauteile udn Alterungsvorgänge”

»Anders als beispielsweise in der Mikroelektronik gibt es hier noch kritische und bisher unzureichend erforschte Bauteile und Alterungsvorgänge. Wir wollen deshalb zu einem vertieften Verständnis beitragen und dabei auch neue Methoden entwickeln. Daraus lässt sich ein praktikables Vorgehen für den Entwicklungsprozess neuer leistungselektronischer Komponenten und Systeme ableiten. Das verspricht eine Kostenreduktion für die Hersteller bei einer gleichzeitig über lange Lebensdauerzeiten abgesicherten Zuverlässigkeit für die Anwender«, sagt Böttge. Konkret sollen überprüfbare Lebensdauervorhersagen für Wechselrichter möglich werden, was eine Reduzierung des Testaufwands ermöglicht. Zudem sollen Geräte gezielter für die benötigte Lebensdauer ausgerichtet werden, was die Kosten weiter senkt. Der Fokus liegt im Projekt insbesondere auf Folienkondensatoren und elektromechanischen Schaltern.

Schwerpunkt des Fraunhofer IMWS ist hier zum einen die Aufklärung von Fehler- und Alterungsmechanismen, einschließlich der Wechselwirkungen dieser Mechanismen untereinander und einer forensischen Fehleranalyse geschädigter leistungselektronischer Bauteile und Wechselrichter sowie der Untersuchung und Modellierung der Temperatur- und Feuchteverhältnisse im Gerät. Zum anderen widmen sich die Fachleute in Halle der Evaluation und Optimierung von Testverfahren für Bauteile und Geräte hinsichtlich Zuverlässigkeit, Robustheit, Alterung und beschleunigter Alterung.

»Gemeinsam mit den Projektpartnern wollen wir eine neue Entwicklungs-Methodik etablieren, die erhebliche Effekte für eine Kostenreduktion haben kann. Die Qualitätssicherung wird dadurch für die Hersteller günstiger, ebenso die regenerative Energieerzeugung insgesamt. Damit werden erneuerbare Energien noch konkurrenzfähiger gegenüber konventioneller Stromerzeugung – bei gleichzeitiger Steigerung der Zuverlässigkeit«, fasst Böttge die Ziele zusammen.

17.11.2020 | Quelle: Fraunhofer IMWS | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH