Photovoltaikanlagen liefern sauberen Strom. Doch ist eure PV-Anlage sauber? Mit digitalen Nachahmungen realer PV-Anlagen haben wir Störfaktoren wie Verschmutzungen identifiziert und ihre finanziellen Auswirkungen sichtbar gemacht.

Worum geht es?

Ein zentraler Bestandteil der Energiewende ist der Ausbau Erneuerbaren Energie. Das vom Bundesamt für Energie unterstützte Projekt PV-GOAL untersucht, wie das Wachstum der Solarenergie in der Schweiz nachhaltig und effizient gestaltet werden kann. Im Fokus steht nicht die optimale Ausrichtung oder Anzahl der Module, sondern eine einzige Frage: Wie stellen wir sicher, dass bestehende Anlagen das Maximum aus ihren Standortbedingungen herausholen?

Dazu nutzen wir digitale Simulation mittels Digital-Twin-Technologie. Zusätzlich vergleichen wir, welche finanziellen Auswirkungen das Beheben oder Belassen von Fehlfunktionen hat.

Wer sind wir?

Wir sind drei Studierende des Studiengangs Energie- und Umwelttechnik der FHNW (3. und 5 Semester). Da sich unser Studium intensiv mit nachhaltigen Technologien befasst, sind wir motiviert, in dieses Thema einzutauchen, reale Daten auszuwerten und unsere Fachkenntnisse zu vertiefen.

Was ist Digital Twin Technologie?

Ein Digital Twin ist eine digitale Nachahmung einer realen PV-Anlage. Die Gegebenheiten wie Standort, Leistung, Ausrichtung sind identisch. Der Digital Twin verarbeitet lokale Wetterdaten und berechnet die maximal mögliche Energieproduktion. Diese Werte werden anschliessend mit der realen Produktion verglichen. Stimmen beide überein, läuft die Anlage wie erwartet. Entstehen Abweichungen, weist das auf mögliche Fehlfunktionen hin.

Was machen wir konkret?

Um die tatsächliche Stromerzeugung von PV-Anlagen zu analysieren, untersuchen wir zahlreiche bestehende Anlagen in Brasilien. Zugriff auf die Anlagen- und Produktionsdaten erhalten wir über das Projekt PV-Goal.

Warum Brasilien?

• Es existieren dort deutlich mehr PV-Anlagen als in der Schweiz.
• Das Net-Metering-System sorgt dafür, dass Fehlfunktionen schnell auffallen: Eingespeister Strom wird direkt von der Stromrechnung abgezogen. Sinkt der Betrag, merkt der Betreiber sofort, dass etwas nicht stimmt. Das motiviert der Ursache rasch auf den Grund zu gehen.

Wie analysieren wir Fehlfunktionen?

Wir vergleichen die reale Produktion mit dem Digital Twin und suchen nach Mustern in der Abweichung.

Die Ursachen der Fehlfunktionen können aus technischen oder Umwelteinflüsse stammen, welche sich in den Abweichungen unterschiedlich zeigen.

Beispiel:

In der folgenden Grafik (Abbildung 2) sinkt die reale Produktion (orange) im Vergleich zur Soll-Produktion (blau) kontinuierlich, was eine Verschmutzung vermuten lässt. Nach einer Abschaltung zur Reinigung (violett) funktioniert die Anlage wieder optimal.

Auch ein technischer Defekt wäre grundsätzlich denkbar. Solch ein Defekt zeigt einen Energieverlust in der Graphik jedoch abrupter und nicht wie oben kontinuierlich. Für eine noch genauere Untersuchung betrachten wir die Stundenansicht (Abbildung 3). Hier zeigt sich: Die Anlage produziert eine ähnliche Kurve wie der Digital Twin, einfach auf tieferem Niveau. Das bestätigt die Vermutung einer Verschmutzung statt eines technischen Fehlers. 

Im Anschluss führen wir eine finanzielle Grobabschätzung durch und vergleichen vier verschiedenen Szenarien: Kosten und Nutzen von drei verschiedenen Unterhaltsintervallen und die Verluste unbehobener Fehlfunktion.

In Abbildung 4 ist ersichtlich welche finanziellen Einbussen gerechnet werden kann, wenn die PV-Anlagen nicht unterhalten werden.

Wieso ist die Überwachung wichtig?

Nur mit einer kontinuierlichen Datenerfassung lassen sich Muster frühzeitig erkennen und Fehler rasch beheben. Schnellere Analysen bedeuten weniger Produktionsverluste und folglich mehr Effizienz.

Wieso braucht es dieses Projekt?

Viele Faktoren beeinflussen die Leistung einer PV-Anlage nach der Montage: Verschmutzung, Schattenwurf, Klimaeinflüsse, technische Probleme. Unser Projekt hilft, diese Einflüsse zu verstehen und die Energieproduktion langfristig zu optimieren.

Was erhoffen wir uns?

Durch die Analyse von rund 100 PV-Anlagen haben wir ein tiefes Verständnis für typische Abweichungen und deren Ursachen gewonnen. Effiziente Energieproduktion beginnt nicht nur bei Ausrichtung und Winkel – sie setzt auch regelmässigen Unterhalt und Monitoring voraus. Gerade in der Schweiz, wo die Einstrahlung begrenzt und die Installationskosten hoch sind, lohnt es sich, das Maximum aus jeder Anlage herauszuholen.

Dies kann mit dem gezielten Monitoring und demzufolge zeitgerechte Durchführung von Unterhaltsarbeiten erreicht werden. Somit kann das Monitoring-Tool künftig vielen Betreiber*innen dabei unterstützt, ihre Anlagen effizienter zu betreiben und damit einen wichtigen Beitrag zur Energiewende zu leisten.

Verfasst von Kimberley Galliker, David Reber und Louis Forner