Effizientere PV-Anlagen mithilfe neuer Technologie in Wechselrichter?

Für unser zweites Projekt als Studierende im Studiengang Energie- und Umwelttechnik der Fachhochschule Nordwestschweiz befassen wir uns mit der Effizienz von Wechselrichtern in PV-Anlagen. Im vom Bundesamt für Energie finanzierten Projekt «SUNSHINE» analysieren wir, inwiefern eine neuere Technologie von Halbleitern in Wechselrichtern die Effizienz steigert und den CO2-Fussabdruck minimiert.

Was ist ein Wechselrichter?

Ein Wechselrichter wandelt Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) um. Die PV-Anlage wandelt Strahlungsenergie in elektrische Energie in Form von Gleichstrom um. Im Netz befindet sich jedoch Wechselstrom. Um die von der PV-Anlage umgewandelte Energie ins Netz einzuspeisen, muss diese entsprechend umgewandelt werden – da kommt der Wechselrichter zum Einsatz. Bei Umwandlungen entstehen jedoch Verluste (meist in Form von Abwärme), deshalb ist es wichtig die Umwandlung so effizient wie möglich zu gestalten. Hier setzt das Projekt an!

Silizium (Si) oder Siliziumkarbid (SiC)?

Der Hauptunterschied der beiden Wechselrichter liegt im Material der verbauten Halbleiter. Diese bestehen entweder aus Silizium (Si) oder Siliziumkarbid (SiC). Die aktuell gängigere Variante ist der Si-Halbleiter. Unser Auftrag liegt darin herauszufinden, ob und unter welchen Bedingungen der SiC-Wechselrichter weniger Verluste in der Umwandlung generiert.

Herangehensweise:

Für die Analyse der Effizienz der Wechselrichter haben wir zusammen mit unserem Projektcoach folgende unterschiedliche Gegebenheiten zusammengestellt:

• Ausrichtung der PV-Anlage
• Spitzenleistung der PV-Anlage
• Geografischer Standort der PV-Anlage

Exkurs PV-Anlagen

Eine PV-Anlage wandelt etwa 25% (Wirkungsgrad) der Strahlungsenergie in elektrische Energie um. Die Spitzenleistung eines PV-Moduls liegt etwa bei 250 Watt pro m2. Dies ist jedoch nur unter idealen Bedingungen möglich: klarer Himmel, 90° Winkel Einstrahlung. Der Schweizer Durchschnitt (inkl. Nacht) liegt etwa bei 30 W pro m2. Die meiste elektrische Energie mit PV-Anlagen kann mit einer Südausrichtung um die Mittagszeit umgewandelt werden. Aber wird dann auch der meiste Strom benötigt? Nein, schon nur beleuchtet wird vor allem morgens und abends. Je nach Bedarf macht es mehr Sinn die PV-Module nach Bedarf auszurichten (z.B. Ost- West-Ausrichtung für Morgen- und Abendstrom). Somit verhindert man einen Stromüberschuss zur Spitzenleistung und einen Strommangel bei Bedarf.

Welche Schritte haben wir unternommen?

1. Wir wählen 20 verschiedene Städte aus, welche entsprechend verschiedene klimatische Unterschiede aufweisen und in verschiedenen Breitengraden liegen.
2. Wir vergleichen an den definierten Ortschaften die Leistungen derselben PV-Anlagen mit jeweils Nord-/Süd- sowie Ost-/Westausrichtung. Ausserdem verwenden wir zwei verschiedene Spitzenleistungen: 3kWp und 10kWp.
3. Wir analysieren die Wirkungsgraddifferenz und berechnen die entsprechenden CO2eq-Einsparungen.

Die 20 Städte waren rasch definiert. Für die Datenerhebung sowie Auswertung haben wir von der Hochschule Zugang zu einem Simulationstool sowie einem Programmiercode erhalten. Von den jeweiligen Städten konnten wir nun die Effizienz je nach Spitzenleistung, Ausrichtung und Wechselrichter vergleichen und die entsprechenden Unterschiede in der CO2-Belastung berechnen.

Welche Kriterien haben wir für die Auswertung beachtet?

Die Auswertung gestaltete sich nicht so einfach wie wir zunächst annahmen. Die Effizienz der Wechselrichter hängt von verschiedenen Faktoren ab:

• Last (Voll-, Teillast)
• Ausrichtung der PV-Anlage (1x Nord/Süd, 1x Ost/West)
• Sonneneinstrahlung
• Breitengrad der Ortschaft

Wie finden wir nun heraus, welcher Wechselrichter insgesamt effizienter ist? Dafür haben wir zwei Städte, welche in ähnlichen Breitengraden mit jedoch anderen klimatischen Bedingungen (1x sonnig, 1x bewölkt), sowie zwei Städte mit ähnlichen klimatischen Bedingungen, jedoch anderen Breitengraden miteinander verglichen – jeweils mit den beiden verschiedenen Ausrichtungen.

Wie viel CO₂ kann ein effizienterer Wechselrichter wirklich sparen?

Wie gross ist der Umwelteffekt eines effizienteren Wechselrichters? Unsere Analyse vergleicht die CO₂-Einsparungen eines Siliziumkarbid-(SiC)-Wechselrichters im Vergleich zum herkömmlichen Silizium-Modell und macht die Zahlen greifbar.

Für eine Photovoltaikanlage mit 10 kW Leistung wurden zwei Standorte betrachtet: Kapstadt (mit CO₂-intensivem Strommix) und Stockholm (mit grünem Strommix).

Das Ergebnis:

• Kapstadt spart 3667,7 kg CO₂, was etwa der CO₂-Bindung von 149 Bäumen über ein Jahr entspricht.
• Stockholm spart 50,2 kg CO₂, also rund 2 Bäume.

Auch bei der Energie zeigt sich der Unterschied:

• In Kapstadt lassen sich 123 E-Auto-Ladungen einsparen (VW e-Golf mit 36 kWh).
• In Stockholm immerhin noch 103 Ladevorgänge.

Selbst kleine Effizienzgewinne haben messbare Auswirkungen besonders in Regionen mit

hohem CO₂-Ausstoss. Der Umstieg auf SiC-Technologie zahlt sich also nicht nur technisch,

sondern auch ökologisch aus.

Unsere Empfehlung

Der SiC-Wechselrichter produziert vor allem unter Teillast weniger Verluste als der Si-Wechselrichter. Optimal für bewölke Gebiete. Der häufig verbreitetet Si-Wechselrichter hingegen leistet bei hoher Last fast gleich effiziente Arbeit. Weshalb wir empfehlen, nur an den Standorten auf SiC-Wechselrichter umzusteigen, wo sich die Effizienz um ein Vielfaches erhöhen lässt.

Persönliche Reflexion

Nach Erhalt des Projektauftrags empfanden wir im Projektteam zunächst eine kollektive Überforderung. Die Aufgabenstellung erschien uns komplex und schwer greifbar. Als wir uns jedoch mit unserem Projektcoach trafen, um das Projekt im Detail zu besprechen, konnten wir die Anforderungen besser einordnen und uns allmählich vorstellen, welchen konkreten Beitrag wir dazu leisten können.

Durch intensive Recherchen, die Aneignung des notwendigen Know-hows sowie ein hilfreiches Tutorial unseres Projektcoachs, konnten wir uns schliesslich an die ersten Simulationen wagen. Schritt für Schritt wuchs unser Verständnis für das Thema, und damit auch das Vertrauen in unsere Fähigkeiten.

Das Projekt hat uns einen tiefen Einblick in moderne Energiesysteme gegeben – ein Thema, das nicht nur für unsere Zukunft als Studierende, sondern auch für unseren späteren Berufsalltag von grosser Relevanz ist.

Rückblickend empfanden wir die Projektstruktur des Semesters insgesamt hilfreich. Besonders wertvoll war für uns das selbstorganisierte Arbeiten im Team, das gemeinsame Lösen von Herausforderungen und der praxisnahe Umgang mit einem komplexen Thema. Neben fachlichen Learnings haben wir auch viel über Projektmanagement, Teamarbeit und den Umgang mit Unsicherheiten gelernt oder gefestigt. Trotz der anfänglichen Überforderung hat uns das Projekt rückblickend viel Freude bereitet.

Es hat uns gezeigt, dass aus Unsicherheit echte Begeisterung entstehen kann, wenn man sich

gemeinsam Schritt für Schritt voran arbeitet.

Verfasst von: Luca Bronner, Jannes Bockstaller, Pascal Welt, Mirco Silvestri, Kimberley Galliker