Wer eine PV-Anlage auf seinem Dach montiert, möchte möglichst viel Strom produzieren. Ein Kamin, der regelmässig Schatten wirft, mindert den Ertrag. Sogenannte Optimizer versprechen da Abhilfe. Was taugen Sie? Wo sind sie sinnvoll? Wo eher weniger? Forscher der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften ZHAW in Winterthur haben bei ihrer Untersuchung, die vom Bundesamt für Energie unterstützt wurde, festgestellt: Optimizer können den Ertrag verbessern, aber auch verschlechtern. Es hängt vom jeweiligen Fall ab.

Wie viel Strom eine PV-Anlage tatsächlich produziert, hängt von verschiedenen Faktoren ab: Ein Kamin, der Schatten wirft, ein kaputtes Modul oder Schnee auf der Anlage können den Ertrag mindern. Da die einzelnen Zellen eines Moduls und sogar mehrere Solarmodule miteinander verschaltet sind, ist ein separates Ansteuern beschatteter und unbeschatteter Zellen nicht ohne weiteres möglich.

Hier kommt der Optimizer ins Spiel. Mit diesem elektrischen Gerät ist es prinzipiell möglich, die Leistung des schwächsten Glieds in der Kette zu nutzen, ohne dieses teilweise oder ganz zu überbrücken. Sprich: Das Modul, das weniger produziert, weil Schatten darauf fällt, wird mit dem Optimizer unabhängig geregelt und beeinträchtigt den Ertrag der anderen nicht mehr.

Die Rolle des MPP:

Der Maximum Power Point (MPP) bezeichnet den Betriebspunkt eines Moduls oder einer Solaranlage, bei welchem die optimale Leistung zu einem Zeitpunkt und den entsprechenden Verhältnissen (Einstrahlung, Temperatur usw.) bezogen wird. Elektrische Spannung und Stromstärke definieren diesen MPP. Bei Solaranlagen mit Verschattung, kann der optimale Stromertrag jedes Moduls teilweise nicht erreicht werden, wenn der MPP für beschattete und unbeschattete Module zusammen eingestellt wird, da sie die gleiche Stromstärke führen. Dann kann es sein, dass Module mit geringerer Sonneneinstrahlung solche mit hoher Einstrahlung beeinflussen, so dass entweder letztere nicht die volle Leistung bringen oder das betroffene Modul teilweise überbrückt wird. Eine Anlage mit Optimizer ermöglicht hingegen die unabhängige Regelung der damit ausgestatteten Module, wodurch diese in Theorie immer optimal betrieben werden, sofern sie selbst effizient genug arbeiten.

Bis zu 25 Prozent mehr Ertrag! Solche Versprechen machen Anbieter, wenn man diese elektrischen Geräte zum Optimieren der Solarstromanlage anbringt. Sind solche Mehrerträge realistisch? Energeiaplus hat bei Franz Baumgartner nachgefragt. Er hat die Untersuchung an der ZHAW im Auftrag des BFE durchgeführt.

Energeiaplus: 25 Prozent mehr Leistung mit einem Optimizer. Können die Geräte dieses Versprechen erfüllen? Was sagt Ihre Studie?

Franz Baumgartner leitet an der ZHAW den Studiengang Energie und Umwelttechnik und ist Dozent für Photovoltaik Systeme und Erneuerbare Energie; Bild: ZHAW

Franz Baumgartner: Die Power Optimizer sind in der Lage die Erträge von PV-Anlagen mit Verschattung zu erhöhen. Dies ist jedoch nur in besonderen Szenarien möglich. In allen untersuchten Fällen haben wir aktuell einen maximalen, zusätzlichen, jährlichen Energieertrag von bis zu 5% feststellen können, was in starkem Kontrast zu den Herstellerangaben steht.

Wann macht ein Optimizer Sinn? Respektive wann lohnt er sich?

Bezogen auf die jährlichen Energieerträge  zeigen unsere Ergebnisse, dass der Einsatz von Optimizern bei PV-Anlagen in Wohngebieten mit mittlerer bis starker Verschattung, oder bei kleinen Anlagen mit mehreren Ausrichtungen sinnvoll ist. Es sollte also ein Nischenmarkt sein, wird aber heute trotzdem sehr oft verkauft. Mittlere Verschattungen können z.B. Verschattungen von zwei Kaminen auf einer Anlage oder ein Lüftungsrohr plus einem naheliegenden Baum sein. Starke Verschattungen sind zum Beispiel Nachbarsgebäude, die einen grossen Schatten auf die Anlage werfen.

Wann würden Sie von Optimizern eher abraten?

Man muss bedenken, dass der Optimizer selber auch elektrische Energie benötigt. Oder anders gesagt: Je nach Situation kompensiert das Gerät den zusätzlichen Ertrag wieder. Das ist insbesondere der Fall, wenn es keine oder nur wenig Verschattung gibt und nur bis zu zwei verschiedene Ausrichtungen bestehen. Dann wird gleich viel oder eher weniger Leistung durch die Anlage erzielt als dies bei einem System ohne Optimizer der Fall wäre und zwei getrennten Stromkreisen mit konventioneller Leistungselektronik.

Optimizer sind auch ein Kostenpunkt. Die Preise variieren stark. Was empfehlen Sie den Endkundinnen und -kunden?

Tendenziell sind die Anschaffungskosten einige Prozent höher für ein Power Optimizer System. Wichtiger ist aber die Zuverlässigkeit der Elektronik über die vielen Jahre, denen sie Wind, Regen aber vor allem hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Die Temperaturen können hinter dem Modul im Sommer auf bis über 70 Grad steigen, was Ausfälle der Elektronik verursachen kann.

Zu beachten ist auch: Bei Störungen sind die Kosten für einen einzelnen Optimizer über die Garantie des Herstellers gedeckt. Die Kosten für die Arbeit des Solarmonteurs, der die Reparatur vornimmt und ein Vielfaches betragen, aber nicht. Das kann ins Geld gehen (mehrere hundert oder eher einige tausend Franken, wenn der Austausch auf dem Dach kompliziert wird).

Aber der Marktführer erzielt einen Milliardenumsatz, wie Sie in einem Fachartikel (Link einfügen) geschrieben haben. Sehen Sie Ihre Studie demnach auch als Aufklärung, damit Endkundinnen und -kunden nicht enttäuscht werden?

Wir haben als unabhängige Forschungsstelle den Auftrag, objektive Forschungsergebnisse zu erarbeiten auf Basis von Messungen und Fakten. Da noch keine Regulierung für die elektrischen Ertragsangaben für Power Optimizer existieren, möchten wir Endkunden mit Ergebnissen bezüglich der Thematik informieren, so dass sie wiederum bei ihren Fachfirmen die entsprechenden Fragen stellen können. Gleichzeitig leite ich eine internationale Arbeitsgruppe der IEA und des Normenausschusses IEC, um dies transparent und fair für alle elektronischen Komponenten bewerten zu können.

Ihr Fazit? Sind Optimizer nur ein Hype oder Zukunft?

Die Erforschung und Entwicklung von neuen effizienten Technologien im Bereich der erneuerbaren Energien ist wichtig. Besonders eine Lösungsfindung für die Einflüsse von Verschattung auf den Stromertrag von Solaranlagen ist für den zukünftigen Ausbau in städtischen Gebieten essenziell. Die jeweiligen Fachfirmen müssen diesen Spezialfragen mehr Gewicht in der Planung beimessen als heute. Wir helfen da gerne, damit nicht komplexe Nischenanwendungen den Markt mit allen Risiken, die dann beim Endkunden liegen, dominieren.

Für wen sind die Ergebnisse relevant?

Mit unserer Forschung möchten wir PV-Installateure, Planer aber auch Endkunden über die schwierige Thematik aufklären. Wir erhoffen uns, dass es für PV-Planungsfirmen in Zukunft möglich ist, sich bei der Planung auf die korrekten Ertragswerte und nicht mehr auf Marketingangaben stützen zu müssen. Schlussendlich profitiert dadurch auch die Kundschaft.

Die Ergebnisse Ihrer Untersuchung resultieren aus Labor-Messungen. Wie sind sie vorgegangen?

Da die Ertragsunterschiede in den überwiegenden Fällen von Verschattungen bei um die ein bis zwei Prozent liegen, kann dies bei Outdoormessungen schwer genau gemessen werden. Dies wegen der Fluktuation der Solareinstrahlung und der Tatsache, dass in der Praxis kaum zwei gleiche Dächer nebeneinander mit zwei unterschiedlichen Systemen, also das eine mit, das andere ohne Optimizer ausgestattet sind.  Unsere ZHAW Forschungsresultate basieren daher auf präzisen Indoor-Labormessungen an kommerziellen Optimizern und konventionellen Invertern und einer eigens entwickelten Simulationssoftware, um die Auswirkungen auf den Jahresertrag zu bestimmen.

Nun wollen Sie das Forschungsprojekt noch ausweiten und auch Messungen im Feld durchführen. Was versprechen Sie sich davon?

Mit thermischen Messungen im Feld untersuchen wir eine andere Auswirkung der Nutzung von Optimizern, nämlich die potenzielle Reduktion der Hotspot-Temperatur von beschatteten Solarzellen. In anderen Worten, wenn Solarzellen beschattet sind, ist es möglich, dass das Solarmodul durch das Einstellen des MPP teilweise überbrückt wird. In diesem Fall erhitzen sich die teilverschatteten Solarzellen. Theoretisch stellen sich durch die Regelung der Optimizer diese Zustände weniger häufig ein, wodurch die Erhitzung der verschatteten Solarzelle und somit die Belastung des Solarmoduls reduziert wird.

So lief die Studie:

Im Labor des Instituts für Energiesysteme und Fluid-Engineering an der ZHAW School of Engineering in Winterthur wurde der Wirkungsgrad (bzw. die Verluste) von vier geläufigen Power Optimizer Modellen, sowie von vier Solarwechselrichtern vermessen. Verwendet wurden dafür hochpräzise Messgeräte und elektrische Geräte (Stromquellen), welche das Verhalten (also Strom und Spannung) einer Vielzahl von verschiedenen Solarmodulen nachstellen können. Im Speziellen wurde dadurch die Effizienz der Optimizer und Wechselrichter für ein grosse Anzahl von Anwendungsfällen bestimmt. Basierend auf diesen Messwerten wurde ein mathematisch-physikalisches Modell entwickelt, welches die Verluste für alle möglichen Betriebspunkte berechnen kann.

Zusätzlich zu den Messungen wurde während den letzten drei Jahren innerhalb der Forschungsgruppe ein PV-Simulationstool entwickelt, welches Sonnenstand, Einstrahlung, Temperatur, Verschattung und elektrische Eigenschaften von PV-Modulen präzise abbildet. In der Simulationsapplikation ist ausserdem die idealisierte Regelung durch die Geräte (Wechselrichter bzw. Power Optimizer), sowie das zuvor genannte physikalische Modell der Verluste implementiert. Folglich können verschiedenste Solaranlagen mit zahlreichen Verschattungsfällen simuliert und die jährlichen Stromerträge ermittelt werden. Entsprechend können wir dadurch eine Solaranlage mit Power Optimizer und eine Anlage ohne diese Geräte bei den exakt gleichen Bedingungen berechnen. Wir können so also präzise Vergleiche durchführen.

Mehr Informationen zur Studie der ZHAW gibt’s hier:

Masterarbeit von Cyril Allenspach, ZHAW https://digitalcollection.zhaw.ch/bitstream/11475/27358/3/2023_Allenspach_Cyril_MSc_SoE.pdf

Details zur Studie der ZHAW: https://www.zhaw.ch/de/forschung/forschungsdatenbank/projektdetail/projektid/4870/

Interview: Brigitte Mader, Kommunikation, Bundesamt für Energie
Photo: shutterstock; ID: 2122613513; iyks