Steigerung der Ressourceneffizienz in PV-Kraftwerken

Im Forschungsprojekt »SeVen« entwickeln wir ein zukunftsfähiges Konzept für große PV-Kraftwerke, das durch die Anhebung der Systemspannungen in die niedrige Mittelspannung sowohl die Stromgestehungskosten optimiert als auch die Ressourceneffizienz im Kraftwerk als Ziel hat. Im Blickpunkt stehen dabei die Wechselrichter und die entsprechenden Komponenten, Integrationsmöglichkeiten von weiteren regenerativen Erzeugern sowie andere Komponenten im Kraftwerk wie Kabel und Transformatoren.

Ausgangslage

Für eine erfolgreiche Energiewende müssen bis 2045 allein in Deutschland signifikante Leistungen an erneuerbaren Energien zugebaut werden. Allein im Bereich der Photovoltaikanlagen geht mit den geplanten Zubauzahlen nicht nur in Deutschland ein enormer Ressourcenbedarf einher. Um diese Ziele zu erreichen, werden sehr große Mengen an wertvollen Ressourcen wie Aluminium, Kupfer und Stahl benötigt. Die daraus folgende Nachfrage wird zu einer Verknappung und somit Kostensteigerung führen, so dass sich der relative Kostenanteil der materialintensiven Komponenten erheblich erhöhen und folglich zu einer Veränderung der Kostenstruktur in PV-Kraftwerken und den dazugehörigen Wechselrichtern führen wird. Das Projekt »SeVen« des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme will diese Komponenten durch innovative Mittelspannungstechnik effizienter und günstiger machen.

Ziel

In diesem Vorhaben wird mit aktiven Combinern und Stringwechselrichtern für große PV-Kraftwerke (>5 MW) ein ganzheitliches Konzept im Detail entwickelt und im Labormaßstab verifiziert, das im Vergleich zum Stand der Technik deutliche Ressourcen- und Kostenersparnisse aufweist. Der Fokus wird auf die Wechselrichter und weitere Balance-of-System (BOS)-Komponenten gelegt. Dafür werden verschiedenste Systemtopologien und Spannungslevel im Kraftwerk variiert und verglichen. Nach Auswahl des geeignetsten Konzeptes soll ein Demonstrator eines Wechselrichters und eines aktiven Combiners entsprechend den Spezifikationen entwickelt und aufgebaut werden, der anschließend im Labormaßstab evaluiert wird. Der Konzeptansatz beinhaltet die folgenden Projektziele zur Reduzierung des Ressourceneinsatzes in PV-Kraftwerken.

• Einsparungen im Kühlkörper von 20 %
• Einsparungen von Kabeln um 75 %
• Kosteneffiziente Integrationsmöglichkeit in PV+X-Kraftwerken
• Reduzierung der Stromgestehungskosten (LCOE)
• Einsparungen von Kupfer und Ferrit in Wickelgütern um 30 %
• Integration von zusätzlichen Analysefunktionen in Combiner
• Einsparungen von Schutzelementen im Kraftwerk

Lösung

Aktuelle PV-Großkraftwerke nutzen AC-Systemspannungen zwischen 400 VAC und 880 VAC. Das obere Ende dieses Bereiches kann allerdings nur von Geräten mit DCDC-Steller erreicht werden, da ohne Steller die AC-Ausgangsspannung eine starke Abhängigkeit von der aktuellen MPP-Spannung der PV-Strings aufweist. Durch eine Anhebung der Systemspannung können die Ströme herabgesetzt werden. Dies kann an zwei Punkten genutzt werden. Zum einen können die Leitungsquerschnitte stark reduziert werden. Daraus resultieren erhebliche Einsparungen sowohl beim Material als auch in den Installationskosten für die Verkabelung. Gleichzeitig kann die Leistung der Subsysteme erhöht werden. Bei gleicher Kraftwerksgröße resultiert daraus eine geringere Anzahl an Transformatoren und Schaltanlagen.

Das geplante Vorhaben setzt genau hier an. Ziel ist eine Optimierung des Gesamtsystems von Solarstrings bis zum Netzanschluss inkl. einer Betrachtung aller wichtigen Komponenten. Diese gesamtheitliche Betrachtung erfordert ein sehr gutes Detailwissen über alle Komponenten.

Das Projekt »SeVen«  wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.