Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Photovoltaik- und Batterie-Wechselrichtern verlässlich vorhersagen

17. November 2020

Eine effiziente und verlässliche Methodik für die Zuverlässigkeits- und Lebensdauer-Vorhersage von Wechselrichtern für Photovoltaik und Batteriespeicher-Anwendungen will das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS gemeinsam mit Partnern im Projekt »Reliability Design« entwickeln. Das könnte erheblich zur Kostenreduktion der Energieerzeugung beitragen.

PV Wechselrichter Lebensdauer
© SMA Solar Technology AG
Die Stromerzeugung mit Photovoltaik (hier eine Freifeldanlage mit Batterieanbindung in Templin) könnte durch neue Methoden zur Lebensdauervorhersage günstiger werden.
Zuverlässigkeit Vorhersage PV
© SMA Solar Technology AG
Im Projekt steht die Zuverlässigkeit von Wechselrichtern im Mittelpunkt. Sie wandeln die Gleichspannung der angeschlossenen Solarmodule in Wechselspannung um.

Im extrem kompetitiven Markt regenerativer Energietechniken ist entscheidend, wie hoch die Kosten pro erzeugte Kilowattstunde sind. Wenn es bei solchen Anlagen zu Problemen im Einsatz kommt, ist das deshalb doppelt ärgerlich: Der Betreiber der Anlage verliert Erträge, für den Hersteller entstehen Kosten beispielsweise durch Garantieansprüche oder das Entsenden eines Monteurs zur Reparatur. Kommen solche Fälle häufiger als erwartet vor, kann die Wirtschaftlichkeit – egal ob bei einer privaten Solaranlage auf dem Dach oder einer großen Freifeldanlage – erheblich beeinträchtigt werden.

Hilfreich wären deshalb neue Methoden für nachweisbar zutreffende Lebensdauervorhersagen, 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.

Ihr Gemeinschaftsprojekt, das im Programm »Innovationen für die Energiewende« vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird, setzen sie auf die Felddatenanalyse von Wechselrichterausfällen, die Aufklärung von Alterungsmechanismen auf Bauteilebene sowie die Evaluation und Optimierung von Test- und Messverfahren im Hinblick auf beschleunigte Alterung. All dies bildet die Basis für die Erarbeitung einer Methodik zur Lebensdauervorhersage. Das Fraunhofer IMWS bringt dabei vor allem seine Kompetenzen zur Materialdiagnostik und Schadensanalyse sowie zur vertieften physikalischen und chemischen Analyse und Modellierung von Defektursachen und Zuverlässigkeitsrisiken ein.

»Bei Photovoltaik-Anwendungen wandeln Wechselrichter die Gleichspannung der angeschlossenen Solarmodule in Wechselspannung um, die dann ins Netz eingespeist werden kann. 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 werden an die Zuverlässigkeit von leistungselektronischen Wechselrichtern besondere Anforderungen gestellt: Sie müssen 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 kann dabei Alterungs- und Versagensprozesse beschleunigen.

Weil die Solarbranche noch relativ jung ist – die ersten Module, die für den Massenmarkt produziert wurden, haben gerade erst das Ende ihrer Lebenszeit erreicht –, bestehen zum tatsächlichen Verhalten von Materialien und Bauteilen noch Wissenslücken. Um die nötige Performance sicherzustellen, werden die leistungselektronischen Bauteile derzeit intensiv getestet und teilweise so hergestellt, dass sie die Anforderungen im Zweifel übererfüllen. Sie sind also für Belastungen und Lebensdauern ausgelegt, die im realen Einsatz gar nicht in diesem Ausmaß gefragt sind. Zugleich gibt es bei Wechselrichtern schnelle Innovationszyklen, die bereits gesammelten Erfahrungen lassen sich auf neue Modelltypen und künftige Produktgenerationen also nicht zwingend übertragen.

»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.