Digitale Produktentwicklung und Fabrikplanung

Die Entwicklung neuer PV-Modulkonzepte und dazugehöriger Komponenten beginnen bei uns schon vor dem ersten Prototypenbau am Computer, genauer gesagt auf unserem High-Performance-Computing-Cluster. Wir greifen dabei auf die vielfältigen Möglichkeiten im Bereich der Digitalen Produktentwicklung und der Fabrikplanung des Fraunhofer ISE zurück. 

Mit Hilfe unserer Simulationen können wir Modulkonzepte und Materialien bereits vor der Herstellung eines ersten Prototyps genau bewerten. Dabei berücksichtigen wir Aspekte wie Leistung und Effizienz, mechanische Stabilität, Nachhaltigkeit und Kosten der Module. Die softwaregestützte Entwicklung spart damit Zeit, Kosten und ermöglicht detaillierte Analysen und eine ganzheitliche Optimierung. Unsere Simulationstools werden dabei ständig durch die Erfahrungen im Module-TEC validiert und verbessert.  

Die Fabriksimulationen ergänzen unsere Methoden der Kostenrechnung und tragen so zur Erstellung eines Gesamtbildes bei, aus dem sich die gesamten direkten und indirekten Produktionskosten der Modulkonzepte ableiten lassen.

Unsere FuE-Aktivitäten zum Thema »Digitale Produktentwicklung und Fabrikplanung« umfassen:

• Leistungssimulation und Verlustanalyse
• Multiphysikalische FEM-Simulation von PV Modulen und deren Komponenten
• Fabrik- und Modullinienplanung
• Lebenszyklusanalyse (LCA) und Bewertung des ökologischen Fußabdrucks
• Geschäftspläne und Wirtschaftlichkeitsbewertung
• Ursachenanalyse von Moduldefekten

Durch präzise Computermodelle lässt sich die Leistung von Solarmodulen vorhersagen. Unsere Modelle bilden sowohl neue Modultechnologien als auch bestehende Designs ab und erlauben eine Optimierung des Modulaufbaus. Die Berechnungen können für standardisierte Laborbedingungen (STC) oder beliebige Betriebspunkte abweichend von STC-Bedingungen durchgeführt werden. Auf diese Weise lassen sich Modulkonzepte auch im Hinblick auf ihre Leistungsfähigkeit im realen Betrieb bewerten.

Bei der Integration von Solarzellen in Module entstehen Verluste. Optische, geometrische und elektrische Effekte interagieren und ergeben ein Verhältnis von Zelle-zu-Modul (CTM) in Bezug auf Leistung und Effizienz. In den Verlusten steckt die volle Bandbreite der Auswirkungen verschiedener Einflussfaktoren bis zur Materialebene.

Neben der Optimierung des Modulaufbaus bezüglich der Leistung und der Effizienz lässt sich auch der Energieertrag im Betrieb modellieren, indem eine virtuelle Abbildung des Moduls erfolgt. Damit kann das Modulverhalten für beliebige Betriebsbedingungen digital nachgebildet werden und es wird eine Vergleichbarkeit von Modulen mit Aussage zur Leistungsfähigkeit während des Betriebs ermöglicht. 

Mit Hilfe unserer Simulationen können wir Modulkonzepte oder Materialien bereits vor der Herstellung eines ersten Prototyps genau bewerten. Die softwaregestützte Entwicklung spart damit Zeit, Kosten und ermöglicht detaillierte Analysen und eine ganzheitliche Optimierung.

Durch Finite-Elemente-Methode (FEM) Simulationen des physikalischen Produktverhaltens von PV-Modulen und deren Komponenten können in kurzer Zeit Optimierungspotenziale bezüglich Design und dem Zusammenspiel der Materialien aufgezeigt werden. Der Prototypenbau reduziert sich dadurch stark. Zudem lassen sich Ursachen von im Betrieb entstandenen Schäden analysieren. 

Wir betrachten mit FEM-Simulationen verschiedenste physikalische Einflüsse auf das Modul und dessen Komponenten, wie den Modulrahmen oder die Unterkonstruktion. Beispielsweise simulieren wir die thermomechanischen Spannungen während der Herstellung, in Tests nach der IEC 61215 Norm oder unter realen Belastungen, um potentielle Fehler schon während der Entwicklung zu identifizieren und damit zu vermeiden.

Mit FEM können PV-Module weitgehend computerbasiert entwickelt und optimiert werden. Durch die Schnittstelle mit CAD-Programmen und den Einsatz eines High-Performance-Computing-Clusters (HPC-Cluster) sind wir in der Lage sehr komplexe und damit rechenaufwändige Geometrien und Fragestellungen im Solarbereich abzubilden.

Für die Entwicklung, Auswahl, Installation und Inbetriebnahme von Produktionsanlagen sowie für die Optimierung der Gesamtleistung von Produktionslinien für PV-Module unterstützen wir im Rahmen der Fabrik- und Modullinienplanung, Anlagen- und Modulherstellende.

Fragen nach der Flexibilität in den Produkten, aber auch nach der Anzahl der benötigten Anlagen zur Erreichung eines bestimmten Gesamtdurchsatzes oder diversen anderen Faktoren lassen sich insbesondere in frühen Phasen der Fabrikplanung exzellent mit Simulationen beantworten. Mit Hilfe eigener Simulationsmethoden oder kommerzieller Werkzeuge werden wichtige Aspekte wie Anlagen- und Maschinenauslastung, Durchsatz, etc. abgebildet und Verbesserungspotenziale abgeleitet.

Die Simulationsergebnisse sind eine wichtige Grundlage und Planungshilfe für die eigentliche Fabrikplanungsphase. Die Modelle ermöglichen eine vollständige Materialflussanalyse der innerbetrieblichen Stoffströme (Produktionseinheiten, Prozessmedien, Ver- und Entsorgungsströme, Logistik, etc.). Mit Hilfe dieser ingenieurtechnischen Analyse werden dynamische Produktionsprozesse im Vorfeld der tatsächlichen Realisierung simuliert und damit die Betriebskosten der Anlage unter verschiedenen Betriebsszenarien abgeschätzt.

Als Ergebnis erstellen wir einen Anforderungskatalog an die einzelnen Produktionsanlagen und die technische Gebäudeinfrastruktur, in deren Rahmen eine weiteren Standortdetaillierung mit einem Modullinien und Fabrikplaner ermittelt werden kann. 

Herstellung und Betrieb von Solarmodulen hinterlassen wie jede wirtschaftliche Aktivität einen ökologischen Fußabdruck und haben einen Einfluss auf Umwelt und Ressourcenverbrauch. Wir bewerten die Umweltwirkungen von Solarmodulen über den gesamten Lebenszyklus von der Herstellung bis zum Recycling in verschiedenen Kategorien (Klima, Ressourcenverbrauch, Mensch & Gesundheit, Umweltverschmutzung).

Dazu bilden wir aktuelle Fertigungsumgebungen vom Roh-Silizium bis zum PV-Kraftwerk virtuell ab und analysieren CO₂-Emission, Abfälle, Energieverbrauch und andere Faktoren. Unsere Modelle erlauben Szenarioanalysen und die Variation von Technologien, wobei die verschiedensten umweltrelevanten Fragestellungen betrachtet werden. Dabei betrachten wir nicht nur die Materialien oder Herstellungs- und Verwertungsprozesse, sondern vergleichen auch bspw. eine Modulproduktion an unterschiedlichen Standorten in Asien, Europa und Amerika mit einer Produktion in Deutschland.

Unsere Lebenszyklusanalysen ermöglichen es, den spezifischen ökologischen Fußabdruck von individuellen Modulfertigungen oder Produkten zu berechnen. Hieraus können bspw. Vorteile beim Marktzugang, im Marketing oder in der Kostenstruktur der Produktion (CO₂-Bepreisung) abgeleitet werden.

Wir verwenden detaillierte Modelle der PV-Modulproduktion und umfangreiche Datenbanken und können so einen virtuellen Zwilling von Produktionsumgebungen und Produkten erstellen.

Bei neuen Anwendungen für Solarmodule steht die Frage nach einem robusten Geschäftsmodell im Vordergrund, in dem Themen wie Produktdesign, Modulproduktion, Zielmarkt und Vertrieb eine zentrale Rolle einnehmen.

Mit detaillierten Kostenmodellen bewerten wir Modultechnologien, Verfahren zur Modulherstellung, Anlagentechnik und Produktionsabläufe und können so belastbare Aussagen zur Erstellung von Geschäftsplänen und Amortisationsrechnungen liefern.

Mit Hilfe einer ganzheitlichen techno-ökonomischen Analyse ermitteln wir Optimierungspotenziale und helfen spezifische Kosten (€/Wp; bzw. €/kWh) zu senken. Dazu ermitteln wir mittels SmartCalc.Module die Leistung und mittels einem eigens entwickelten Kalkulationstool SCost.Module die Herstellungskosten eines neuen Produktes. Dabei bilden wir nicht nur die technischen Details der Solarmodule in unseren Modellen ab, sondern auch die wirtschaftlichen Aspekte einer Produktionsumgebung wie Taktzeiten, Personaleinsatz, Bruchraten, Materialverbräuche, Anlagenauslastung oder weitere wichtige Kenngrößen.

Der Kostendruck in der gesamten Photovoltaikbranche führt vermehrt zu Ausfällen von PV-Modulen oder Komponenten im Feld. Die Prüfnormen versuchen dies schon bei Entwicklung und Zulassung abzufangen, berücksichtigen aber oft nur einzelne Komponenten und nicht das Gesamtsystem. Zudem werden nur einzelne Belastungen abgeprüft. Genau diese Lücke schließen wir mit unseren multiphysikalischen numerischen Simulationen. Zum Beispiel kann ein an sich sehr stabiles PV-Modul bei schlecht gewählter Aufständerung in Kombination mit ungewöhnlich hohen Windgeschwindigkeiten oder Schneelasten leicht zu Bruch gehen. Dabei verwenden wir unsere FEM-Modelle, um reale Einsatzbedingungen in die Entwicklung einfließen zu lassen sowie zur Ursachenanalyse bei bereits entstandenen Schäden. Im Rahmen unserer Forschung arbeiten wir eng mit unseren Kollegen des TestLab PV Modules zusammen.