5 Mythen über DC-Leistungsoptimierer

Beim Thema Leistungselektronik auf Modulebene sind die Solarmärkte der Welt zwiegespalten. Während amerikanische Solarteure sogenannte Optimierer (MLPE) in PV-Anlagen sehr häufig verbauen, um damit die dortigen Installationsvorschriften zu erfüllen, diskutiert der Rest der Welt das Thema sehr kontrovers. In Schweden sind Verkauf und Installation der Optimierer eines großen Herstellers inzwischen zum Teil sogar verboten, weil sie die geltenden Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) nicht erfüllen*. Was also ist dran am Thema MLPE? Was ist technisch wirklich relevant und was ist cleveres Marketing? Wir klären auf über fünf weitverbreitete Mythen zum Thema Leistungsoptimierer.

Um herauszufinden, ob eine Photovoltaikanlage sogenannte Leistungsoptimierer (kurz MLPE, Module Level Power Electronics, oder „Optimizer“) wirklich braucht, hier zunächst eine kurze Erklärung, was das eigentlich ist. Im Wesentlichen ist ein MLPE-Gerät ein Spannungswandler mit eingebauter Kommunikationsfähigkeit. Genaugenommen handelt es sich um einen DC-DC-Wandler, dessen ausgangsseitige Gleichspannung entweder größer oder kleiner als die eingangsseitige Gleichspannung eingestellt werden kann.

Gut zu wissen: In modernen String-Wechselrichtern ist diese Funktion, bezeichnet als Maximum-Power-Point-Tracking (MPPT)-Eingang, oft direkt integriert.

Anlagendesign String-Wechselrichter vs. MLPE

Ob mit MLPE oder String-Wechselrichter: In PV-Anlagen werden die PV-Module in Reihe zu Strings zusammengeschaltet. Der wesentliche Unterschied im Anlagendesign besteht darin, dass in den Anlagen mit MLPE die DC-DC-Wandlungsstufe des Wechselrichters nicht in den Wechselrichter eingebaut ist, sondern in Form vieler kleiner Einzelgeräte über den gesamten PV-Generator (Gesamtheit aller PV-Module der Anlage) verteilt werden muss. Diese Zusatzgeräte „optimieren“ die String-Spannung so, dass sie der Nenn-Eingangsspannung des Wechselrichters entspricht (z. B. 380 V_DC in einphasigen Systemen).

Mythos Nr. 1: Leistungsoptimierer erzeugen in verschatteten PV-Generatoren mehr Energie

Dieser Mythos beruht auf der Behauptung, dass Leistungsoptimierer mehr Leistung liefern, wenn ein oder mehrere Module verschattet sind. Zwar ist der Kern dieser Aussage nicht grundsätzlich falsch. Aber es gilt zu bedenken, dass zeitweise etwas mehr Leistung nicht unbedingt zu einem größeren Jahresenergieertrag der Anlage führt. Die Erklärung: Wie der Maximum-Power-Point-Tracker eines modernen String-Wechselrichters passt der Leistungsoptimierer die Betriebsspannung der PV-Module so an, dass sie in Summe der für den Betrieb des Wechselrichters erforderlichen String-Gleichspannung entspricht. Sind nun ein oder mehrere PV-Module im Verhältnis zu den anderen Modulen im String stark verschattet, verhält sich der Leistungsoptimierer ähnlich wie ein MPP-Tracker. Der Strompfad durch die verschatteten Abschnitte der PV-Module wird überbrückt – allerdings nicht durch den Leistungsoptimierer, sondern durch die Bypass-Dioden der PV-Module. Der Leistungsoptimierer betreibt dann 1/3 oder 2/3 des PV-Moduls bei einem Maximum Power Point, mit einer entsprechend reduzierten Ausgangsspannung des verschatteten Moduls.

Leistungsoptimierer nur bei starker Verschattung im Vorteil

Die längsten Schatten treten am frühen Morgen und am späten Nachmittag auf. Während dieser Tageszeiten ist aber die Sonneneinstrahlung am geringsten. Eine Leistungszunahme von beispielsweise vier bis fünf Prozent in den frühen Morgenstunden liefert hier also keinen nennenswerten zusätzlichen Energieertrag.

Tatsächlich weist unter anderem diese Studie darauf hin, dass der interne Stromverbrauch der Leistungsoptimierer, der durch das permanente Hoch- und Tiefsetzen der Spannung entsteht, den zusätzlichen Energieertrag aus den Morgen- und Abendstunden aufhebt.

Leistungsoptimierer bewirken also nur dann eine feststellbare Steigerung des Energieertrags, wenn Teile der PV-Anlage zur Tagesmitte stark verschattet sind. Aber ganz ehrlich: Wer baut eine PV-Anlage in den Schatten?

Übrigens: Ist die gesamte Anlage gleichmäßig verschattet (z. B. durch eine Wolke), liefern Leistungsoptimierer im Vergleich zur Anlage mit String-Wechselrichter keine Mehrerträge.

Intelligente Ertragsoptimierung: Die patentierte und in der Wechselrichter-Software von SMA integrierte Funktion ShadeFix optimiert den Ertrag von Photovoltaikanlagen in jeder Situation. Auch bei Teilverschattung.

Mythos Nr. 2: Leistungsoptimierer erzeugen mehr zusätzliche Energie, als sie verbrauchen

Leistungsoptimierer weisen einen Standby-Verbrauch auf, der auf die Versorgung der eingebauten Leistungselektronik und Kommunikation zurückzuführen ist. Diese Geräte benötigen Strom, den sie aus den PV-Modulen beziehen, wenn diese in Betrieb sind. Darüber hinaus setzen Leistungsoptimierer beinahe ununterbrochen die Spannung herauf oder herunter. Denn ihre Aufgabe besteht schließlich darin, das Modul bei einer Spannung zu betreiben, mit der die gesamte Gruppe in einem String auf die Nenn-Eingangsspannung des Wechselrichters (z. B. 380 V_DC) abgestimmt werden kann. Unter ungünstigen Betriebsbedingungen wie Modul-Mismatching (Kombination von PV-Modulen unterschiedlicher Leistung), unterschiedlichen Anstellwinkeln der PV‑Module oder bei einer Verschattung der PV‑Module müssen die Leistungsoptimierer ihre Betriebsspannung anpassen. Das verringert ihren Wirkungsgrad. Es gilt: Je ungünstiger die Betriebsbedingungen, desto geringer der Wirkungsgrad, da die Geräte mehr Arbeit aufbringen müssen, um die Spannung anzupassen.

Leistungsverlust durch zusätzliche Verkabelung

Dann wäre da noch eine Tatsache, die in den meisten Datenblättern der Leistungsoptimierer nicht angegeben wird: Der zusätzliche Spannungsfall. Ein Leistungsoptimierer benötigt für jedes PV-Modul, an das er angeschlossen wird, etwa 2,7 Meter zusätzliche Anschlusskabel (Ein- und Ausgangskabel). Allein dieses zusätzliche Kabel erzeugt bei voller Sonneneinstrahlung einen Spannungsfall von etwa 0,27 V pro Leistungsoptimierer. In einem 12-kWp-System entspricht das einem Leistungsverlust von mehr als 145 Watt. Auf das Gesamtjahr betrachtet, kann sich der Leistungsverlust allein aufgrund des zusätzlichen Kabelbedarfs und durch die zusätzlichen ohmschen Verluste der vier zusätzlichen Steckverbinder pro Leistungsoptimierer schnell summieren.

Das konterkariert die Wirtschaftlichkeit der PV-Anlage: Schließlich wollen Anlagenbetreiber Stromkosten sparen und weniger Strom aus dem öffentlichen Stromnetz beziehen – dafür benötigen sie einen möglichst hohen Energieertrag.

Mythos Nr. 3: Leistungsoptimierer haben einen Wirkungsgrad von 99 %

Während Wechselrichter einen „Europäisch gewichteten Wirkungsgrad“ von bis zu 99 Prozent aufweisen, gibt es kein normiertes Verfahren für die Ermittlung oder Überprüfung des „Europäisch gewichteten Wirkungsgrades“ eines Leistungsoptimierers auf Modulebene. Zwar ist auf den Datenblättern unter Umständen sogar ein „gewichteter Wirkungsgrad“ für den Leistungsoptimierer aufgeführt dabei handelt es sich jedoch einen Marketingbegriff, dem weder eine feste Bedeutung noch eine normierte Prüfung wie bei dem CEC- oder EU-Wirkungsgrad zugrunde liegt. Es mag einen Arbeitspunkt des Leistungsoptimierers geben, bei dem dieser mit einem Wirkungsgrad von 99 Prozent arbeitet.

Wissenschaftliche Analyse der Effizienz von MLPE

In einem Labor der ZHAW in Winterthur wurden PV-Systeme mit und ohne MLPE ausgemessen und analysiert, die Ergebnisse sind seit 2021 öffentlich. Die Studien ergaben, dass die tatsächlichen Wirkungsgrade von MLPE sehr stark von ihrem Betriebspunkt (Eingangs-Ausgangsspannungs-Verhältnis und Leistung) abhängen und realistisch zwischen 96 % und 97,5 % liegen würden. Damit sind sie um Faktoren kleiner als es die zu zweistelligen Prozentgewinnen aufgeblähten Marketingaussagen der Leistungsoptimierer-Hersteller suggerieren. Dies deckt sich auch mit den Ergebnissen einer 2019 veröffentlichten Feldstudie der University of Southern Denmark (SDU).

Die Forschungen werden fortgesetzt und könnten einen systematischen Leistungsvergleich von MLPE und String-Wechselrichtern ermöglichen. Ziel der Forschung ist es, sicherzustellen, dass die Datenblätter der Hersteller zuverlässige und vergleichbare Leistungsdaten enthalten. Nur dann wird es den Anlagenplanern möglich sein, einen realistischen und wirtschaftlichen Vergleich der zu erwartenden PV-Erträge, insbesondere bei Teilverschattung, durchzuführen.

Mythos Nr. 4: Leistungsoptimierer machen die PV-Anlage sicherer

Hersteller von Leistungsoptimierern bewerben ihre zusätzliche Hardware damit, dass sie die Sicherheit von PV-Anlagen erhöhen. Sie behaupten, dass MLPE-Technologien mit Rapid Shutdown-Funktionalität scheinbar einen Feuerwehreinsatz erleichtern und sogar dazu beitragen könnten, Brände zu verhindern.

Dazu soll das MLPE-Gerät die Ausgangsspannung der PV-Anlage auf einen sicheren Spannungspegel begrenzen. Das funktioniert jedoch nur, wenn das Gerät im Brandfall das Ende seiner Lebensdauer noch nicht erreicht hat, und es vor oder während des Brands nicht beschädigt wurde. Feuerwehrleute werden im Einsatz keine Möglichkeiten haben, die Funktionalität der Dachelektronik zu prüfen, sondern sie müssen die gesamte PV-Anlage bei der Brandbekämpfung wie jedes andere elektrische System mit den erforderlichen Sicherheitsmaßnahmen und Abständen behandeln. Auch ist zu beachten, dass der Schutz vor elektrischem Strom für die persönliche Sicherheit von Ersthelfern viel relevanter ist als der beworbene Schutz gegen Spannung.

Wichtig zu wissen: PV-Systemen, die mit MLPE-Geräten ausgestattet sind, weisen eine erhöhte Anzahl potenzieller Fehlerpunkte innerhalb des DC-Stromkreises auf – seien es Steckverbinder, Transistoren, Kondensatoren oder sonstige elektronische Bauteile. Das erhöht die Ausfallwahrscheinlichkeit des PV‑Systems. Der Betrieb von MLPE-Geräten auf dem Dach kann also das Risiko von Unfällen erhöhen.

Lichtbögen effektiv verhindern

Sind elektrische Geräte und Komponenten wie beispielsweise Steckverbinder in der PV-Anlage fehlerhaft, kann dies zu einem anhaltenden und extrem heißen Lichtbogen an der schadhaften Stelle führen. AFCI-Schaltungen sind dafür ausgelegt, einen solchen Lichtbogen möglichst zu verhindern. Produkte, die nicht nach den aktuellsten internationalen Standards zertifiziert wurden (UL 1699B Ed.1, latest revision und Final Draft Standard IEC 63027 – für weitere Informationen siehe SMA Dokument [EN: https://files.sma.de/downloads/AFCI-TI-en-10.pdf] ), verhalten sich allerdings nicht immer so, wie sie sollten – das zeigt der Fall des Einzelhandelsriesen Walmart in den USA.

Um unseren Kunden weltweit die neuesten Sicherheitsstandards bieten zu können, wird in alle SMA String-Wechselrichter künftig die moderne AFCI-Lösung SMA ArcFix integriert. Die AFCI-Schaltung sollte allerdings immer nur als Backup- oder sekundärer Sicherheitsmechanismus angesehen werden.

Um die Entstehung von Lichtbögen zu verhindern, muss der Fokus daher weiterhin auf einer sauber ausgeführten Leitungsführung liegen, anstatt durch den Einsatz zusätzlicher leistungselektronischer Komponenten (MLPE-Geräte) das Risiko eines Brandes zu erhöhen. Es gilt: Je weniger Steckverbindungen, desto sicherer das System.

Vorteil SMA SafeSolar: Im Vergleich zur SMA String-Technologie erhöht sich in PV-Anlagen mit MLPE-Geräten die Anzahl der DC-Stecker um den Faktor 3. Damit steigt das Risiko für gefährliche Lichtbögen und Brände.

Mythos Nr. 5: Leistungsoptimierer sind gut für die Umwelt

Der Hersteller von Leistungsoptimierern, SolarEdge, gibt an, mit Stand Ende 2020 weltweit über 65 Millionen dieser Geräte verkauft zu haben. Diese Geräte sind vollständig vergossen, enthalten jedoch wertvolle Materialien wie Aluminium und Kupfer. Hier stellt sich die Frage des Recyclings: Können diese wertvollen Materialen am Ende der Lebensdauer der Geräte wiederverwendet werden oder landen sie im Müll? Ist letzteres der Fall, kämen allein für den genannten Zeitraum rund 68.000 Tonnen nicht recyclingfähiges Material zusammen, Verpackungsmaterial nicht mitgerechnet. Zur Veranschaulichung: Diese Menge entspricht in etwa der Ladung von über 600 vollbeladenen Jumbo-Jet Großraum-Frachtflugzeugen vom Typ Boing 747-400F.

Wer ökologisch denkt, sollte beim Bau einer PV-Anlage möglichst wenig Material verwenden und auf überflüssige Komponenten verzichten. Der Einsatz von MLPE-Geräten widerspricht in dieser Hinsicht dem Grundsatz der Photovoltaikbranche nach einer nachhaltigen Stromerzeugung.

*Beschluss der Schwedischen Behörde für elektrische Sicherheit vom 2. Dezember 2021: „Verkaufsverbot. SolarEdge sieht sich gezwungen, den Verkauf einer Reihe von Modellen seiner Optimierer einzustellen. Die Behörde für elektrische Sicherheit hat außerdem entschieden, dass SolarEdge die fraglichen Modelle bei seinen Händlern zurückrufen muss. Die Untersuchung der Behörde für elektrische Sicherheit hat ergeben, dass das Gerät unannehmbare Störungen erzeugt. Die Entscheidung ist in diesem Fall zwei Monate ab dem Datum des Eingangs gültig.“