KI-gestützte Betriebsstrategien
Photovoltaik-Stromrichtern ein längeres Leben schenken
Die Lebensdauer von PV-Wechselrichtern ist weit geringer als die der Module. Das Projekt PV4Life will nun Modelle entwerfen, die deren Altern abbilden. Daraus sollen KI-gestützte Betriebsstrategien resultieren, die eine längere Lebensdauer versprechen, ohne dass die Leistung der Geräte leidet.
Stromrichter sind komplexe technische Geräte: Das Zusammenspiel von Halbleitern, Induktivitäten und Kapazitäten, gesteuert von einer ausgefeilten Lastregelung, sorgt dafür, dass Gleichstrom sehr effizient und damit verlustarm in Wechselstrom umgewandelt wird.
Damit sind sie eine unverzichtbare Komponente in jeden Photovoltaik-Anlagen. Verglichen mit den Solarmodulen ist ihre Lebensdauer allerdings recht gering. Wechselrichter sind einer Untersuchung zur Folge für mindestens 40 Prozent der Ausfälle in PV-Kraftwerken verantwortlich.
»Während bei den heute gefertigten Modulen auch nach 25 oder 30 Jahren in der Regel keine größeren Einbußen bei ihrer Leistung zu erwarten sind, müssen Stromrichter oft schon nach der Hälfte dieser Zeit ersetzt werden«, erklärt Dr. Ron Brandl, Gruppenleiter beim Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE), das beim Forschungsprojekt PV4Life mit anderen Partnern zusammenarbeitet. Das mindere die Wirtschaftlichkeit der Anlage spürbar – schließlich kosten Stromrichter für Hausdach-Anlagen inklusive Installation häufig einen niedrigen vierstelligen Betrag.
Strategien für eine schonende Betriebsweise
Gründe für die geringe Lebensdauer: die Komplexität der Wechselrichter und das hochfrequente Zusammenspiel der einzelnen Komponenten wie Halbleiter, Induktivitäten und Kapazitäten. Außerdem sind die heute gängigen Betriebsstrategien der Stromrichter sind nicht an die Bedingungen des Standorts der Anlage angepasst. So altern Geräte beispielsweise an feuchten, warmen Orten anders als solche an kühleren, trockeneren. Betrieben werden die Stromrichter aber stets auf die gleiche Weise.
Im Projekt PV4Life entwickeln Experten aus Forschungseinrichtungen und Unternehmen in Deutschland nun Instrumente, mit denen sich KI-gestützt individuelle Strategien für einen möglichst schonenden Betrieb der Stromrichter aufsetzen lassen. Damit soll die Lebensdauer der Geräte signifikant verlängert werden, ohne Abstriche bei der Leistung machen zu müssen.
Neben dem Fraunhofer IEE sind Siemens als Konsortialführer, die Hochschule-Bonn-Rhein-Sieg, Infineon Technologies, OPAL-RT Germany und Sumida Components & Modules an dem Projekt beteiligt. Dazu kommen WIMA el. Bauelemente und Kaco New Energy als assoziierte Partner. Das Bundesforschungsministerium unterstützt das sich über drei Jahre erstreckende Vorhaben mit rund 4,63 Millionen Euro.
Das Fraunhofer IEE übernimmt bei PV4Life das Teilvorhaben der labortechnischen Untersuchung und Digitalisierung der Stromrichter-Lebensdauer zur Anwendung einer robusten KI-Regelung.
Modelle bilden das Altern ab
Zentraler Ansatzpunkt von PV4Life ist, mit Daten aus Langzeittests und zusätzlicher Sensorik Modelle für repräsentative Photovoltaik-Stromrichter zu entwickeln, die das individuelle Altern der Geräte abbilden. Diese Modelle werden durch den Abgleich mit einem zweiten Satz beschleunigt gealterter Stromrichter validiert, verbessert und verallgemeinert. Dabei sollen die Alterungstests nicht nur auf Komponentenebene erfolgen, sondern den ganzen Wechselrichter in Betracht nehmen, um hier mögliche gegenseitige Beeinflussungen mit aufzunehmen.
Die so erstellten digitalen Zwillinge der Stromrichter werden dann genutzt, um maßgeschneiderte, KI-gestützte Anomalie-Erkennungs-Methoden oder Betriebsstrategien zu entwickeln. Sie verlängern die Lebensdauer der Stromrichter, indem sie die zentralen Parameter laufend entsprechend der fortschreitenden Alterung anpassen. Zugleich stellen sie sicher, dass damit keine Leistungsverluste verbunden sind.
In diesem Zuge untersuchen die Forschenden auch, wie sich die KI-Algorithmen direkt in die Stromrichter integrieren lassen. Damit wollen sie sicherstellen, dass diese innovative Form der Betriebsoptimierung robust und zuverlässig ist.
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