Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und KI-gestützte Betriebsstrategien sollen die Lebensdauer von Photovoltaik-Stromrichtern verlängern
Die Lebensdauer der Wechselrichter in Photovoltaikanlagen ist heute weit geringer als die der Module. Das Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE entwickelt nun im Rahmen des Forschungsprojektes PV4Life zusammen mit Partnern Modelle, die das individuelle Altern von Stromrichtern abbilden. Daraus lassen sich maßgeschneiderte, KI-gestützte Betriebsstrategien ableiten, die eine längere Lebensdauer versprechen, ohne dass die Leistung der Geräte leidet.
Stromrichter sind komplexe technologische Geräte: Das Zusammenspiel von Halbleitern, Induktivitäten und Kapazitäten, gesteuert von einer ausgefeilten Lastregelung, sorgt dafür, dass Gleichstrom sehr effizient und damit verlustarm in Wechselstrom umgewandelt wird.
Damit sind sie eine unverzichtbare Komponente in jeden Photovoltaik-Anlagen. Verglichen mit den Solarmodulen ist ihre Lebensdauer allerdings recht gering. Wechselrichter sind einer Untersuchung zur Folge für mindestens 40 % der Ausfälle in PV-Kraftwerken verantwortlich1. „Während bei den heute gefertigten Modulen auch nach 25 oder 30 Jahren in der Regel keine größeren Einbußen bei ihrer Leistung zu erwarten sind, müssen Stromrichter oft schon nach der Hälfte dieser Zeit ersetzt werden“, sagt Dr. Ron Brandl, Gruppenleiter beim Fraunhofer IEE. Das mindert die Wirtschaftlichkeit der Anlage spürbar – schließlich kosten Stromrichter für Hausdach-Anlagen inklusive Installation häufig einen niedrigen vierstelligen Betrag.
Strategien für eine schonende Betriebsweise
Gründe für die geringe Lebensdauer: die Komplexität der Wechselrichter und das hochfrequente Zusammenspiel der einzelnen Komponenten wie Halbleiter, Induktivitäten und Kapazitäten. Außerdem sind die heute gängigen Betriebsstrategien der Stromrichter sind nicht an die Bedingungen des Standorts der Anlage angepasst. So altern Geräte beispielsweise an feuchten, warmen Orten anders als solche an kühleren, trockeneren. Betrieben werden die Stromrichter aber stets auf die gleiche Weise.
Im Forschungsprojekt PV4Life entwickeln Experten aus Forschungseinrichtungen und Unternehmen in Deutschland nun Instrumente, mit denen sich KI-gestützt individuelle Strategien für einen möglichst schonenden Betrieb der Stromrichter aufsetzen lassen. „Damit wollen wir die Lebensdauer der Geräte signifikant verlängern, ohne Abstriche bei der Leistung machen zu müssen“, sagt Brandl.
Neben dem Fraunhofer IEE sind Siemens als Konsortialführer, die Hochschule-Bonn-Rhein-Sieg, Infineon Technologies, OPAL-RT Germany und Sumida Components & Moduls an dem Projekt beteiligt. Dazu kommen WIMA el. Bauelemente und KACO new energy als assoziierte Partner. Das Bundesforschungsministerium unterstützt das sich über drei Jahre erstreckende Vorhaben mit rund 4,63 Millionen Euro.
Das Fraunhofer IEE übernimmt bei PV4Life das Teilvorhaben der labortechnischen Untersuchung und Digitalisierung der Stromrichter-Lebensdauer zur Anwendung einer robusten KI-Regelung.
Modelle bilden das Altern ab
Zentraler Ansatzpunkt von PV4Life ist, mit Daten aus Langzeittests und zusätzlicher Sensorik Modelle für repräsentative Photovoltaik-Stromrichter zu entwickeln, die das individuelle Altern der Geräte abbilden. Diese Modelle werden durch den Abgleich mit einem zweiten Satz beschleunigt gealterter Stromrichter validiert, verbessert und verallgemeinert. Dabei sollen die Alterungstests nicht nur auf Komponentenebene erfolgen, sondern den ganzen Wechselrichter in Betracht nehmen, um hier mögliche gegenseitige Beeinflussungen mit aufzunehmen.
Die so erstellten digitalen Zwillinge der Stromrichter werden dann genutzt, um maßgeschneiderte, KI-gestützte Anomalie-Erkennungs-Methoden oder Betriebsstrategien zu entwickeln. Sie verlängern die Lebensdauer der Stromrichter, indem sie die zentralen Parameter laufend entsprechend der fortschreitenden Alterung anpassen. Zugleich stellen sie sicher, dass damit keine Leistungsverluste verbunden sind.
In diesem Zuge untersuchen die Forschenden auch, wie sich die KI-Algorithmen direkt in die Stromrichter integrieren lassen. Damit wollen sie sicherstellen, dass diese innovative Form der Betriebsoptimierung robust und zuverlässig ist.
„Nachdem die Forschung bereits beeindruckende Erfolge bei der Lebensdauer von Photovoltaik-Modulen erzielt hat, wollen wir mit PV4Life hier nun auch bei den Wechselrichtern einen großen Sprung nach vorn machen“, sagt Unruh. „So tragen wir dazu bei, die Systemkosten der Photovoltaik signifikant zu senken – und damit die Energiewende günstiger zu machen.“
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