Wer einen Gartenschlauch hat, weiß: Gibt es nur einen einzigen Knick, kommt so gut wie gar kein Wasser mehr durch. So ähnlich verhält es sich auch mit dem Strom in einer Photovoltaikanlage, deren Solarmodule in Reihe geschaltet sind. Wird nur eine einzige Zelle dieses Moduls beispielsweise durch eine Wolke oder angrenzende Bäume verschattet, steigt der innere Widerstand in dieser Zelle an, wodurch alle Zellen in der Reihe ausgebremst werden und die Leistung des gesamten Strangs reduziert wird. „Dadurch fahren Solaranlagen im Tagesdurschnitt oft hohe Verluste ein, an einem bewölkten Tag bis zu 15 Prozent“ erklärt Sergej Koch, der als Wissenschaftler am Elektrotechnischen Institut (ETI) tätig ist.

Bei kleineren Anlagen, etwa auf Haus- oder Industriedächern, werden pro Strang sogenannte Maximum Power Point Tracker (MPPT) angebracht, welche die Leistung der Stränge optimieren und Spannungsunterschiede – die beispielsweise durch Schatten entstehen – untereinander ausgleichen. Für Großanlagen ist dies wirtschaftlich allerdings bislang nicht rentabel, da der erzielte Mehrertrag geringer wäre als die Kosten der Bauteile. Daher wird oft nur ein MPP-Tracker für mehrere Stränge eingesetzt. Dieser Tracker steuert für alle Stränge einheitlich wie viel Energie entnommen wird, was dazu führt, dass einige Stränge überfordert werden, während andere deutlich mehr Leistung erbringen könnten.

Gemeinsam mit Professor Dr. Marc Hiller und Dr.-Ing. Mario Gommeringer hat Sergej Koch erkannt, dass es mithilfe einer verbesserten Schaltung auch bei Großanlagen durchaus wirtschaftlich sein kann, pro Strang einen MPP-Tracker zu installieren. So entstand die Idee der HILEM-Strang-Kombiniervorrichtung – ein Akronym für High Efficiency Low Effort MPP. Diese Schaltung kann bei schwankenden Umweltverhältnissen eine theoretisch unbegrenzte Zahl an Photovoltaik-Strängen in ihrer Leistung untereinander ausbalancieren und maximieren. Anschließend werden die Stränge mit einem eigens dafür entwickelten Regelungskonzept kombiniert und der Strom über einen Wechselrichter an das Stromnetz weitergeleitet. „Somit muss man zukünftig keinen Kompromiss mehr zwischen Ertragsverlust und wirtschaftlicher Topologie machen“, erläutert der Wissenschaftler.

Um die Machbarkeit zu demonstrieren, wurde am Institut eine Versuchsanlage mit drei Strängen und einer Leistung von 3kW pro Modul aufgebaut. Damit ließ sich der Nutzen von HILEM laut Koch klar belegen: „Der Wirkungsgrad der HILEM Schaltung liegt bei 99.8 Prozent und damit im Bereich aktueller Strang-Kombinierer. Wenn wir jetzt noch die Kosten für HILEM senken und den gewonnenen Mehrertrag erhöhen, können wir eine wirtschaftlich äußerst interessante Alternative bieten.“ Neben der Leistungssteigerung bietet HILEM noch einen weiteren Vorteil: Durch die reduzierten eingangsseitigen Leistungsschwankungen sinkt auch die Belastung für den Wechselrichter auf ein Minimum. Folglich kann ein weniger komplexer und somit günstiger Wechselrichter verwendet werden. Außerdem wird der Verschleiß der Anlage gesenkt und der Alterung der Module entgegengewirkt, was durch verringerte Hitzeentwicklung realisiert wird.

Für die Validierung der Schaltung wurde im Sommer 2019 ein Technologietransfer-Vorprojekt ins Leben gerufen. Ziel dieses Projekts ist es, die Funktionstüchtigkeit im Feld mit einem hochskalierten 25kW-HILEM-Modul zu erreichen. „Sobald validiert ist, dass die Schaltung auch in großem Maßstab funktioniert, wollen wir unsere Idee an den Markt bringen. Dazu ist bereits ein Nachfolgeprojekt geplant, bei dem wir mit mehreren Industriepartnern und Hochschulen kooperieren wollen“, so Koch. „Damit hoffen wir, dazu beitragen zu können, dass Deutschland wieder ein wichtiger Teil der Solar-Wertschöpfungskette werden kann.“

„Anstatt immer größere Anlagen zu bauen, besteht mein Ansatz darin, bestehende Anlagen zu optimieren. So will ich einen Beitrag zur Energiewende leisten und dem eher schleppenden Ausbau zu neuem Antrieb verhelfen.“

Bilder: Der Punkt GmbH · Amadeus Bramsiepe / KIT