Forschung zu Sonnenenergie
Digitaler Zwilling soll Erzeugung günstiger machen
Im Projekt »VR4PV« haben Fraunhofer-Forscher mit Partnern aus der Industrie erforscht, wie sich Betriebskosten von Solarparks senken lassen und damit Sonnenenergie günstiger erzeugt werden kann. Eines der Ergebnisse: Ein digitaler Zwilling bietet hierfür optimale Unterstützung.
Damit Sonnenstrom künftig kostengünstig produziert werden kann, muss die Leistungsfähigkeit der Solarparks dauerhaft gesichert, technische Ausfälle reduziert und das Altern der Anlagen verlangsamt werden. Das Monitoring der Anlagen spielt hierbei eine wichtige Rolle.
Beim Bau von Großanlagen werden als Initialdaten oftmals – nicht zuletzt aus Kostengründen – die Daten der Bauplanung in das System eingepflegt. Bei der Errichtung entstehende Abweichungen und veränderte Informationen werden gar nicht, nur unvollständig oder falsch abgebildet. Die Folge sind mehr oder weniger gravierende Abweichungen zwischen Plan und realisiertem Bauprojekt.
Im laufenden Betrieb führt der ausbleibende Abgleich zwischen Planungs- und Realzustand zu einer verspäteten Identifikation von Schadensfällen und somit zu unnötigen technischen Ausfällen verschiedener Systemkomponenten und schnellerem Altern der Systeme.
Das Projekt »VR4PV«
Hier setzte das Forschungsprojekt »VR4PV« an. Zusammen mit den Industriepartnern Denkweit und Dexor Technology entwickelten das Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik (CSP) und das Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung (IFF) eine virtuelle Umgebung und ein digitales Abbild von Photovoltaik-Systemen zur zukünftigen Analyse, Inspektion und Wartung von Photovoltaik-Parks. Es wurde ein digitales Abbild einer gesamten Solaranlage erstellt, das sowohl den geografischen als auch den elektrischen Kontext der einzelnen Komponenten kombiniert und zudem die Aufzeichnung und Anzeige von Daten und Dateien zu diesen Komponenten ermöglicht.
»Die automatisierte Datenerfassung und -visualisierung von Systemen ermöglicht eine schnellere Erfassung technischer Probleme und Ertragsverluste in Systemen und bildet den Grundstein für die effiziente und zuverlässige Inbetriebnahme, wie auch für die darauf aufbauende Entwicklung von Betriebsführungs- und Wartungsstrategien und den dazugehörenden Servicedienstleistungen«, erklärt Dr. Matthias Ebert, Gruppenleiter »PV-Systeme und -Integration« am Fraunhofer CSP.
Im Rahmen des Projektes haben die Forscher geeignete bildgebende Verfahren eingesetzt, um die PV-Systeme im Gesamten, wie auch auf Komponentenebene, in Kombination mit der notwendigen Geolokalisierung, zu erfassen. Anhand von Deep Learning-Methoden wurden Datenroutinen zur automatisierten Erfassung und Zuordnung anlagenrelevanter Größen entwickelt und angewendet.
Erschaffung des digitalen Zwillings
Außerdem wurde ein Datenmanagementkonzept zur Strukturierung einer Datenbasis der gewonnenen und modellierten Daten (Gesundheitsakte) auf der Basis von AutomationML entwickelt. Mit Hilfe von Drohnen- und Detailaufnahmen und einer KI-basierten Auswertung konnte ein digitales Abbild des untersuchten PV-Systems in Form eines 3D-Modells erstellt werden, als Virtual-Reality-Anwendung im Elbedome des Fraunhofer IFF. Damit haben die Forscher die Voraussetzungen für einen Digitalen Zwilling von PV-Systemen geschaffen.
Aufgrund der digitalen Struktur konnte der Planungszustand mit dem tatsächlich umgesetzten Ist-Zustand des PV-Systems abgeglichen werden. Dabei wurden Informationen durch die detaillierte Aufnahme und Organisation der digitalen Daten gebündelt und bisher nicht digital zugängliche Informationen beim Errichten und Warten dokumentiert.
Dies erlaubt eine kostengünstigere Betriebsführung und senkt die Energieentstehungskosten. Damit sinken die laufenden Kosten für die Stromerzeugung aus Photovoltaik, die Systeme sind weniger störanfällig und damit über längere Zeit effizient.
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