Neuheiten bei Wechselrichtern 2020: Mehr Leistung, weniger Kosten

Normalerweise gehört der Gang durch die Messehallen der Anbieter von Solarwechselrichtern und Hybridgeräten zu den Höhepunkten einer jeden Intersolar, neudeutsch: The smarter E Europe.

Leider musste die Innovationsschau in diesem Jahr ausfallen. Doch der Findigkeit und dem Ideenreichtum der Ingenieure tat dies keinen Abbruch: Alle Anbieter brachten 2020 interessante Neuheiten auf den Markt.

Kosten runter, Leistungsdichte rauf

Ganz oben auf der Agenda steht die weitere Kostensenkung der Komponenten. Die Modulpreise sinken, also geraten auch die Anbieter von Leistungselektronik unter Druck aus dem Markt. Generell ist zu beobachten, dass die neuen Solarwechselrichter kompakter sind als ihre Vorgänger­modelle. Auf diese Weise kann man sie leichter installieren. Zudem sind sie fast ausnahmslos für IP65 zugelassen, eignen sich also auch für die ­Außenmontage. Bei manchen Geräten sind die Preise um bis zu 30 Prozent gefallen.

Kein Wunder: Weil die Nachfrage nach Photovoltaiksystemen weltweit wächst, kommen die Gesetze der Menge zum Tragen: Höhere Stückzahlen erlauben sparsamere Fertigung und sinkende Preise. Willkommen im Zeitalter der Massenproduktion. Photovoltaik hat die Nische der neuen, jungen Technologie verlassen. Ist den Kinderschuhen entwachsen, wie man so schön sagt.

Neben der steigenden Leistungsdichte der Wechselrichter sind es vor allem die Leistungstransistoren aus Siliziumkarbid, die Sprünge bei der Effizienz und den Kosten erlauben. Hier gehen SMA und Kaco voran.

SiC verdrängt Silizium

Schalter aus Siliziumkarbid (SiC) erlauben höhere Temperaturen in den Leistungsteilen. Der Übergangswiderstand in den Schaltern hängt stark von der Temperatur ab, da gehen die Siliziumschalter schnell in die Knie.

SiC-Transistoren brauchen weniger Kühlfläche und weniger aktive Kühlung (Ventilatoren), um durchzuhalten. Auch kann man beispielsweise die Drosseln kleiner bauen. Das zahlt sich besonders in warmen Regionen aus, die hohe Leistungen über viele Sonnenstunden hinweg abfordern. Leistungsumsetzer mit SiC-Chips sind zudem fester gegen zeitweilige Überlast, ein wichtiger Vorteil bei der Anlagenauslegung.

Höhere Spannungen bis 1.500 Volt DC

Zudem erlaubt Siliziumkarbid höhere DC-Spannungen. Ein Beispiel: Der Sunny Highpower Peak3 von SMA ist auf 1.500 Volt DC ausgelegt. Der kompakte Wechselrichter für Solarparks besteht aus mehreren Einheiten, von denen jede eine Leistung von 150 Kilowatt liefert.

Die SiC-Technologie stammt von Infineon: Sechs Leistungsmodule vom Typ Cool-SiC Easypack 2B und 36 Gatetreiber der Eice-Driver-Familie 1ED20 wandeln den Gleichstrom in netztauglichen Wechselstrom um – mit einer Effizienz von über 99 Prozent.

Das wäre mit Siliziumkomponenten schlichtweg nicht möglich. „Siliziumkarbid ermöglicht es uns, die Wechselrichter kompakt, leistungsstark und zuverlässig zu bauen“, sagt Sven Bremicker, Chef des Zentrums für Technologieentwicklung von SMA. „Die Cool-SiC-Module verdoppeln im Sunny Highpower Peak3 nahezu die spezifische Leistung von 0,97 auf 1,76 Kilowatt pro Kilogramm.“

Höhere Spannungen im Modulfeld erlauben DC-Kabel mit geringeren Querschnitten, weil sie geringere Ströme transportieren als bei 1.000 Volt Systemspannung. Wer nun denkt, 1.500 Volt seien das Ende der Fahnenstange, könnte sich täuschen. Es ist überhaupt nicht ausgeschlossen, dass wir demnächst über 1.800 Volt oder gar 2.000 Volt aus den Solarstrings reden. Erste Versuche laufen bereits in den Forschungslaboren der Hersteller.

Leichtere Montage möglich

Aufgrund des kompakten Designs sind die neuen Wechselrichter deutlich einfacher zu transportieren und wesentlich schneller zu installieren. Auch das spart Zeit und Geld, nämlich Arbeitskosten bei der Montage. Aufgrund der sinkenden Preise für die Komponenten steigt der Anteil der Montagekosten im System, gerät also ebenfalls unter Druck.

Ein weiterer Vorteil der SiC-Geräte: Die Vorteile eines dezentralen Anlagenlayouts lassen sich mit denen für Zentralwechselrichter verbinden. Immer mehr Solarparks auf dem Freiland werden mit Stringgeräten gebaut, nicht mehr mit den klobigen Zentralstationen.

Auf diese Weise sind Erweiterungen der Anlagen auch nach der Inbetriebnahme des Solarkraftwerks leicht möglich. Und: Die Wartung wird deutlich einfacher. Zentralstationen brauchen erfahrene Wartungsinge­nieure. Einen Stringwechselrichter kann jeder Installateur tauschen.

Preise für SiC dürften sinken

Mit SiC wird ein neues Tor der Leistungselektronik aufgestoßen: „SiC-basierte Leistungshalbleiter sind zwar teurer als Siliziumlösungen“, betätigt Peter Wawer, Elektronikexperte von Infineon. „Dank der elektrischen Eigenschaften des Materials gleicht sich das auf Systemebene aber mehr als aus. Denn durch höhere Schaltgeschwindigkeiten und Effizienz lassen sich Transformatoren, Kapazitäten, Kühlkörper und letztlich auch Gehäuse kleiner dimensionieren – und damit Systemkosten sparen.“

Solche SiC-Bauteile kommen zunehmend auch in der E-Mobilität zum Einsatz, wo relativ kurze und sehr hohe Ladeströme abgefragt werden. Auf diese Weise sinken die Stückkosten, denn nur ein Massenmarkt lässt die Preise purzeln – wie einst bei den Siliziumchips.

E-Ladetechnik braucht hohe Leistungen

Apropos E-Mobilität: Die Leistungsanforderungen durch die E-Ladetechnik treiben die Innovationen bei den Wechselrichtern zunehmend voran. Der Wechselrichter ist das Herz einer Eigenverbrauchsanlage, also muss er auch die Ladesäule steuern – in der Regel der stärkste elektrische Verbraucher im oder am Gebäude.

Das Energiemanagement stützt sich meist auf die Elektronik und Intelligenz des Wechselrichters, er muss schnell reagieren – ohne das Stromnetz und damit die Brieftasche des Solarkunden über Gebühr zu belasten.

Zudem steigen die Anforderungen an die Hybridwechselrichter. Denn die Speicherbatterien stoßen langsam in gewerbliche Anwendungen vor, sprich: Der Eigenverbrauch wird auch im Gewerbe und – zeitverzögert – in der Industrie zum wichtigsten Markttreiber.

Der neue Hybridwechselrichter Plenticore plus von Kostal beispielsweise kann bis zu 22 Kilowattstunden Speicherkapazität aus der BYD-Batterie mit zehn Kilowatt Leistungsabgabe verwalten. Dazu werden mehrere Batterieschränke parallel an den Speichereingang des Hybridwechselrichters geschaltet. Zwei Eingänge sind den Solarstrings vorbehalten. Als reiner Batteriewechselrichter zur AC-Einbindung kann der Plenticore BA bis zu 66 Kilowattstunden Batterie steuern.

Batterien kommen auch im Gewerbe

Noch dominieren bei den Wechselrichtern für kommerzielle Anwendungen die reinen Stringwechselrichter ohne Einbindung einer Batterie. Man muss kein Prophet sein, um zu sagen: Auch im Gewerbe werden die Hybridwechselrichter an Bedeutung gewinnen. Und neue Standards setzen, wie es bereits bei Solarsystemen für private Kunden der Fall ist.

Denn die Gewerbekunden sichern sich damit nicht nur gegen den Blackout im Netz, sondern auch gegen Schwankungen von Spannung und Frequenz. Diese stören die Betriebsprozesse und verursachen mitunter erhebliche Schäden.

Dieser Beitrag ist zuerst erschienen in photovoltaik 6/2020.