Eine der großen Herausforderungen für Photovoltaik-Heimspeichersysteme besteht darin, dass die Batterien bei intensiver Sonneneinstrahlung innerhalb weniger Stunden aufgeladen und dann abends und nachts über einen längeren Zeitraum bei sehr geringer Leistung entladen werden. Daher sollten Batteriewechselrichter einen hohen Umwandlungswirkungsgrad über einen möglichst breiten Leistungsbereich haben. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat in dem 2017 gestarteten Projekt HyBaG in Zusammenarbeit mit Kaco New Energy und STS – Spezial-Transformatoren Stockach einen auch im Teillastbereich verlustarmen Hybrid-Wechselrichter entwickelt.

Die Partner im Projekt HyBaG haben einen Demonstrator für ein Photovoltaik-Heimspeichersystem entwickelt. Das Fraunhofer ISE entwickelte dabei in seinem Teilvorhaben kompakte hocheffiziente Batterieladegeräte einschließlich der entscheidenden innovativen Regelungstechnik. Zentraler Bestandteil des Teilprojektes war die Entwicklung von kompakten und modularen Batteriestellern, welche durch den Einsatz von neuartigen Galliumnitrid- und Siliziumkarbid-Bauelementen erreicht werden konnte. Die Transistoren-Brückenschaltungen bilden den Kern der Batterieladegeräte und ermöglichen es, immer schneller bei geringeren Verlusten zu schalten.

Optimierung des Teillastwirkungsgrades

Zur Optimierung des Teillastwirkungsgrades haben die Forscher verschiedene Ansätze simulativ untersucht und die besten Konzepte prototypisch umgesetzt. Die Optimierungen bezogen sich sowohl auf die Hardware als auch auf Weiterentwicklungen der Software zur Ansteuerung der Leistungselektronik. Schaltungstechnisch haben sie zunächst verschiedene Topologien untersucht und hinsichtlich des Teillastwirkungsgrades bei geringen Leistungen bewertet. Unter Berücksichtigung verschiedener Bewertungsparameter haben die Experten dann einen 3-phasigen Synchronwandler für den Hochvolt-Batteriesteller ausgewählt und aufgebaut. Dieser ermöglicht es, durch die Aktivierung bzw. Deaktivierung einzelner Wandlerbrücken den Leistungsbereich gezielt anzupassen (1/3, 2/3, Volllast).

Für sehr geringe Leistungen wird zusätzlich ein entsprechender Betriebsmodus mit variabler Schaltfrequenz zur Ansteuerung mit möglichst geringen Schaltverlusten (Lückgrenzbetrieb) und ein pulsierender Betrieb (Burst-Modus) mit nur einer Phase aktiviert, bei dem der Wandler nur 10 Prozent der Zeit aktiv ist. „Dadurch kann der Teillastwirkungsgrad erheblich gesteigert werden, da damit die Ansteuer- und Leerlaufverluste reduziert werden können, die den Wirkungsgrad im Teillastbereich stark beeinflussen“, erklärt Cornelius Armbruster, Projektleiter am Fraunhofer ISE. Falls nicht alle Phasen gleichzeitig betrieben werden, empfiehlt es sich, zur gleichmäßigen thermischen Belastung die einzelnen Phasen alternierend zu betreiben. Je nach Leistungsbereich zeigt ein unterschiedliches Modulationsverfahren den besten Wirkungsgrad. Die Mitarbeitenden im Projekt haben daher eine wirkungsgradoptimierte und an den Leistungsbereich angepasste Betriebsführung entwickelt und umgesetzt.

Großes Einsparpotenzial

In der Serienproduktion können auf Siliziumkarbid-Komponenten basierende Photovoltaik-Heimspeichersysteme bereits nahezu kostenneutral sein. Die Optimierung hinsichtlich des Teillastwirkungsgrades erfolgt bis heute noch kaum. Ein grober Vergleich der verfügbaren Heimspeichersysteme am Markt zeigt, dass es immer noch erhebliche Unterschiede zwischen den verfügbaren Systemen gibt. „Ein wesentlicher Einflussfaktor für die Unterschiede der am Markt verfügbaren Systeme sind die Verluste im Teillastbereich“, erklärt Leonhard Probst, der im Projekt die Optimierungen des Batterieladegerätes verantwortet. Sehr gute Heimspeichersysteme verursachen weniger Verluste: Simulationen im Rahmen des Projekts HyBag haben gezeigt, dass jährliche Einsparungen von 150 bis 250 Euro beim Strombezug möglich sind. Das Entwicklerteam des Fraunhofer ISE ist in engem Austausch mit Herstellern der Photovoltaik-Heimspeichersysteme, um die Optimierungspotenziale aufzuzeigen und neue Technologieentwicklungen zu begleiten.

24.7.2020 | Quelle: Fraunhofer ISE | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH