Genaue Voraussage der Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Batterie- und Photovoltaik-Wechselrichtern

Um die Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Wechselrichtern für Batteriespeicher- und Photovoltaik-Anwendungen verlässlich und effizient vorauszusagen, steht momentan keine Methodik zur Verfügung. Deswegen hat sich das IMWS (das Fraunhofer Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen) mit diversen Partner in einem Projekt namens “Reliability Design” zusammengeschlossen, um eine solche zu entwickeln. Das Ziel liegt darin, die Kosten bei der Energieerzeugung zu reduzieren.

Die Stromerzeugung mit Photovoltaik (hier eine Freifeldanlage mit Batterieanbindung in Templin) könnte durch neue Methoden zur Lebensdauervorhersage günstiger werden (© SMA Solar Technology AG)

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.

Weitere Informationen: https://www.imws.fraunhofer.de