Bisher speisten Solarkraftwerke bei Niederspannung ein, nur Megawattanlagen nutzten Einspeisepunkte im Mittelspannungsnetz. Einzige Ausnahme: Der Solarpark in Rapshagen, gelegen an der Bundesautobahn 24, auf halber Strecke zwischen Hamburg und Berlin. Er speist mit Hochspannung ins 110-Kilovolt-Netz ein. Allerdings war dazu ein eigenes Umspannwerk notwendig. Das Kraftwerk hat eine Leistung von rund 9,5 Megawatt. Insgesamt wurden auf dem 24 Hektar großen Gelände rund 41.200 Solarmodule von Canadian Solar und 430 Wechselrichter von Advanced Energy verbaut. Von den ersten Vorbereitungen bis hin zur Fertigstellung vergingen nur elf Wochen.
Innovationen im Wechselrichter
Um hohe Leistungen möglichst verlustarm ins Netz zu bringen, werden in der Photovoltaikbranche seit Jahren verschiedene Ansätze diskutiert. Ein Weg ist die Senkung der Verlustleistung im Generator, die sich als Abwärme bemerkbar macht, als Erwärmung in der Verkabelung und in den Wechselrichtern.
LTI Reenergy hatte schon 2012 einen Inverter mit einem Wirkungsgrad von 99,2 Prozent vorgestellt. Seit Ende 2013 wird er ausgeliefert. Um die Ströme im Gerät zu begrenzen, wurde die Gleichspannung am Generatoreingang auf 1.200 Volt angehoben.
Die Leistung eines elektrischen Generators ergibt sich aus dem Produkt aus Spannung und Stromstärke. Höhere Ströme belasten die metallischen Leiter stärker durch Hitze, denn der innere Widerstand des Materials erzeugt Verluste, die in Form von Wärme abgestrahlt werden.
LTI erreicht durch die hohen DC-Spannungen auf der Netzseite eine Ausgangsspannung von 690 Volt. Aufgrund der höheren Spannung konnte der Ausgangsstrom auf ein Drittel abgesenkt werden, auf rund 540 Ampere. Dadurch sinken die thermischen Verluste, der Wirkungsgrad steigt.
Elektrische Ströme halbiert
Auch Advanced Energy bietet einen Zentralwechselrichter an, der 1.500 Volt Generatorspannung annimmt und auf 690 Volt Netzspannung umsetzt. Kürzlich fusionierten die Amerikaner mit Refusol in Metzingen. Die schwäbischen Ingenieure haben Erfahrungen aus der Windkraft für die Photovoltaik adaptiert, denn in der Windbranche sind solche Spannungen gang und gäbe – weil die Einzelleistung der Windturbinen in der Regel deutlich höher als ein Megawatt liegt.
Der Refusol 333k erreicht einen Wirkungsgrad von 98,5 Prozent. Würde dieses Gerät mit 950 Volt aus dem Generator betrieben, würden sich die Ströme von 610 Ampere auf 1.300 Ampere mehr als verdoppeln. Höhere Ströme kosten Geld, höhere Spannungen bekommt man nahezu umsonst. Wenn die Ströme steigen, steigen der Kupferbedarf und die Verluste, der Wirkungsgrad rutscht um ungefähr ein Prozent ab.
Der 333k ist so kompakt, dass er nur ein kleines Betongehäuse benötigt. Dadurch wird der Transport billiger als bei einer großen Betonstation, denn der Solarpark braucht keine Zufahrtsstraßen für die schweren Sattelschlepper. Man kann die Wechselrichter direkt ins Feld stellen, ohne Zentralstation. Vier Wechselrichter lassen sich als Cluster an einen kleinen Trafo zur Einspeisung in die Mittelspannungsebene anschließen. Refusol verwendet dafür Alukabel statt Kupfer, um noch mehr Geld zu sparen. Die höheren Systemspannungen sparen mehr als 20 Prozent bei der Einhausung des Wechselrichters.
Der Trend zu höheren Systemspannungen im Modulfeld wird verstärkt, weil mittlerweile in China, den USA und in Südamerika gigantische Solarparks mit mehr als 500 Megawatt Solarleistung warten. Wer solche Kraftwerke baut, dreht das ganz große Rad in der Kraftwerkstechnik. Das ist eine Domäne von First Solar, dem US-amerikanischen Hersteller von Dünnschichtmodulen aus Cadmiumtellurid. „Bisher sind wir vor allem gewachsen“, sagt Raffi Garabedian, Chefingenieur von First Solar. „Nun werden wir die Effizienz unserer Kraftwerke verbessern.“
First Solar und GE gehen zusammen
First Solar liefert derzeit Module mit 13,4 bis 13,9 Prozent Wirkungsgrad aus. Bis Ende 2015 werden es 15,6 bis 15,8 Prozent sein. Bis 2017 wollen die Amerikaner zwischen 17,7 und 18,4 Prozent schaffen. Dazu wird First Solar auch die Spannungen seiner Module weiter erhöhen. Mittelfristig sollen die Module bis zu 950 Volt abgeben, in naher Zukunft 875 Volt.
Das Ziel ist es, die Herstellungskosten für die Module bis 2017 auf 0,27 Euro je Watt zu senken. Dann liegen die Systemkosten der Solarparks bei 0,72 Euro je Watt, ein Drittel niedriger als heute.
Große Wechselrichter aus Berlin
Für die Anschlusstechnik in den Solarkraftwerken haben sich zwei mächtige Partner gefunden: General Electric (GE) hatte eigene Dünnschichtpläne beerdigt, um bei First Solar groß einzusteigen. Nun bieten die beiden Unternehmen ein Wechselrichtersystem an, das vier Megawatt aus 1.500 Volt DC erzeugt. Der Zentralwechselrichter Prosolar von GE ist genau auf die Cadmiumtelluridmodule von First Solar angepasst, ebenso der Transformator für die Einspeisung ins Netz. Auf diese Weise braucht ein Solarpark deutlich weniger Wechselrichter als mit DC-Niederspannung. Also sinken die Kosten für die Installation und die Wartung im Feld.
Bevor General Electric mit First Solar ins Geschäft kam, hatte GE die Berliner Wechselrichterschmiede Converteam übernommen, die seitdem als GE Power Conversion firmiert. Converteam baut große Wechselrichter für die Windbranche und die Photovoltaik, darunter den neuen Prosolar. Er verfügt über eine spezielle Drei-Level-Topologie und ist für Eingangsspannungen bis 1.500 Volt ausgelegt. Denn die technische Entwicklung spielte den Ingenieuren in die Hände: Seit zwei oder drei Jahren gibt es am Markt auch die erforderlichen Sicherungen und Lasttrennschalter für DC-Spannungen jenseits von 1.000 Volt.
Der Prosolar ist als Indoor- und als Outdoorgerät erhältlich, ebenso als komplette Power-Station. Jede Station ist mit bis zu drei Wechselrichtern ausgerüstet. Werden die Wechselrichter mit 1.000 Volt DC betrieben, sind ein bis zwei Megawatt Netzleistung möglich. Mit Eingangsspannungen von 1.500 Volt sind bis zu drei Megawatt AC drin, in der neuesten Version bis vier Megawatt. Der Prosolar ist voll gekapselt und wird flüssigkeitsgekühlt.
GE entwickelt die Elektronik und das Layout der Platinen und der Phasenmodule selbst, das Unternehmen passt auch die DC-Schränke und die Netzanschlusstechnik an die Wünsche der Kunden an. Die IGBT-Leistungshalbleiter werden zugekauft, die Platinen nach den Spezifikationen der Ingenieure im Auftrag gefertigt. Auch die Kühltechnik und die anderen elektrischen Komponenten spezifizieren die Ingenieure selbst.
Bis 1.500 Volt gilt die Gleichspannung als Niederspannung. In der Wechselspannung ist bei 1.000 Volt Schluss. Wer höhere Spannungen anschließen will, braucht eine besondere Ausbildung und Zertifikate. Das kann nicht jeder Elektriker. Deshalb wollen die Anlagenprojektierer die Spielräume in der Niederspannungstechnik besser ausnutzen.
Höhere Spannung, geringere Ströme
Mit 1.500 Volt aus dem Generator könnte man die Ströme sowohl in den Strings als auch auf der Netzseite weiter absenken. Man könnte geringere Kabelquerschnitte verbauen, was vor allem bei großflächigen Anlagen ein wichtiger Kostenvorteil wäre. Torsten Schlaaff leitet die Entwicklung neuer Hardware bei Skytron Energy in Berlin.
Seit dem Frühsommer gehört Skytron zu First Solar. Auch diese Übernahme zeigt, wohin die Reise bei den großen Solarparks geht. Denn Skytron fertigt Kraftwerkssteuerungen – und einen Generatoranschlusskasten für 1.500 Volt. „Bei höheren Gleichspannungen bis 1.500 Volt in der Strangverkabelung kann man bei gleicher Stromstärke höhere Leistungen zum Wechselrichter übertragen“, meint Torsten Schlaaff. „Andererseits kann man bei gleicher Generatorleistung rund die Hälfte der Verkabelung einsparen, im Vergleich zu 1.000 Volt DC. Auch bei der Generatorhauptleitung zwischen dem Anschlusskasten und dem Wechselrichter kann man dadurch Kosten sparen.“
Auf große Solarparks haben sich nur wenige Projektentwickler spezialisiert, darunter Belectric aus Kolitzheim oder Juwi aus Wörrstadt. Ingo Klute verantwortet bei Juwi den Geschäftsbereich Betrieb und Technologie. „Ein Viertel der Systemkosten steckt in den Anschlussboxen, in der Verkabelung und im Wechselrichter“, rechnet er vor. „Die Systemtechnik hat große Potenziale, um die Kosten zu senken.“
Einsparungen bei der Verkabelung
Klute hat einen Solarpark mit 1,8 Megawatt Leistung durchgerechnet. Für 1.000 Volt im Generator lassen sich 22 Module in einem String vereinen. Insgesamt 24.780 Meter DC-Verkabelung sind notwendig, dazu 15 DC-Anschlussboxen, um die Strings aufzuschalten. Die Hauptleitungen des Generators bestehen aus 282 Metern Kupferkabel mit einem Querschnitt von 95 Quadratmillimetern und 2.516 Meter mit 120 Quadratmillimetern.
Mit 1.500 Volt aus dem Generator ließe sich die Anlagenleistung auf 2,5 Megawatt steigern. Dann passen 34 Module in einen String, es reichen 13 Anschlussboxen aus. Nur 18.273 Kilometer Kabel wären für die Stringverkabelung notwendig. Die Generatorhauptleitung besteht aus 214 Metern mit 95 Quadratmillimetern und 2.584 Metern mit 120 Quadratmillimetern Querschnitt.
Der Inverter entscheidet
Umgerechnet auf das Megawatt Solarleistung braucht ein 1.500-Volt-Generator nur fünf Anschlussboxen statt acht mit 1.000 Volt. Die Stringverkabelung halbiert sich beinahe von 13.770 Metern (1.000 Volt) auf 7.470 Meter (1.500 Volt). Bei den dicken Kupferkabeln für die Hauptleitung wird rund ein Drittel der Verkabelung eingespart. Allerdings müssen die Solarmodule für die höheren Spannungen geeignet sein, denn sie müssen höhere Isolationsspannungen verkraften.
Dafür könnte man bei höheren Systemspannungen und geringeren Strömen die Wechselrichter kompakter bauen, siehe LTI. Die Sicherungen und Schalter sind in Systemen mit 1.500 Volt teurer als bei geringeren Gleichspannungen. Die Einsparung bei den Anschlussboxen und den Kabeln wiederum verringert die Montagekosten und die Möglichkeit, Fehler zu machen.
Klute beziffert die Kosteneinsparung durch höhere Systemspannungen bei den Wechselrichtern gegenüber Geräten mit 1.000 Volt auf rund 20 Prozent, bei den DC-Anschlussboxen auf rund 15 Prozent, bei der Stringverkabelung auf mehr als 40 Prozent und bei der DC-Hauptleitung auf 20 Prozent. Die Verteuerung bei den Modulen schätzt er auf unter zehn Prozent. Rechnet man diese Vorteile auf die Gesamtkosten einer Anlage um, macht sich vor allem der kleinere Wechselrichter kostensenkend bemerkbar.
Denn der Wechselrichter schlägt mit 15 bis 20 Prozent der Systemkosten zu Buche, die Module mit rund 50 bis 60 Prozent. Klute schätzt ein: „Wenn die Einsparungen beim Wechselrichter die Mehrausgaben für Schalter, Sicherungen und andere Solarmodule einspielen, sind höhere Systemspannungen sinnvoll.“
Andere Berechnungen führen zu ähnlichen Ergebnissen: Über den Daumen gepeilt sinken die Systemkosten durch höhere Spannungen um fünf Prozent. Allein bei den Anschlussboxen und der DC-Verkabelung sind zwei Prozent Einsparung möglich. Die größten Effekte ergeben sich jedoch durch die kleineren Wechselrichter und die sinkenden Verluste in der Energieumsetzung.
Leistung rauf, Kosten runter
Kosten runter, Leistung rauf: Das ist das Mantra im Kraftwerksbau, das gilt auch in der Photovoltaik. Höhere Systemspannungen haben weitere Vorteile: „Mit 1.500 Volt auf der Gleichspannungsseite braucht man weniger Generatoranschlusskästen als bei einer Anlage mit gleicher Leistung, aber nur 1.000 Volt DC“, erläutert Schlaaff. „Denn auch die Größe der Anschlusskästen hängt unter anderem von den Stromstärken ab, die darin übertragen werden. Hohe Ströme bedeuten hohe Verlustwärme. Auch sinken die elektrischen Verluste in der DC-Verkabelung, bezogen auf die Leistung der Anlage.“
Höhere Gleichspannungen aus den Generatoren erlauben zudem höhere Spannungen am AC-Ausgang der Wechselrichter. Mit 1.500 Volt DC kann man 690 Volt AC erreichen. „Das ist ein Quasistandard für die Transformatoren und die Schaltanlagen, die Windstrombranche nutzt solche Systeme seit Langem“, sagt Torsten Schlaaff. Allerdings: SMA erreicht 690 Volt AC in seinem Sunny Central 900 CP auch mit 1.000 oder 1.100 Volt am DC-Eingang. Und ABB nutzt im Ultra 1.400.0-TL einen Eingangsspannungsbereich von 470 bis 900 Volt, um 690 Volt AC zu erzeugen.
Erheblicher Entwicklungsbedarf
Allerdings setzen sich die hohen Systemspannungen bisher nur zögerlich durch. „Denn bisher gibt es nur wenige Komponenten, die für Gleichspannungen bis 1.500 Volt ausgelegt sind“, wie Torsten Schlaaff bestätigt. „Nur ein Hersteller bietet geeignete Solarmodule an, die die hohen Isolationsspannungen erreichen. Photovoltaiksicherungen und Schalter sind ebenfalls bisher kaum erhältlich.“ Der Wettbewerb der Anbieter kommt nur langsam in Gang, deshalb sind die Preise relativ hoch.
Ein interessanter Entwicklungspfad deutet sich bei den so genannten smarten oder intelligenten Modulen an. In der Anschlussdose befindet sich ein DC-DC-Wandler, der vor allem die Aufgabe hat, die DC-Erträge zu verbessern. Damit ausgerüstete Solarmodule sind robust gegen Verschattung und gegen Mismatch beispielsweise durch Fertigungstoleranzen.
Sie erlauben längere Strings und damit höhere Spannungen im Gleichstromkreis. Allerdings müssen diese Module ebenso höhere Isolationsspannungen aushalten, um für DC-Spannungen mit 1.200 oder 1.500 Volt geeignet zu sein.
Spezielle Stecker erhältlich
Der Generatoranschlusskasten von Skytron für 1.500 Volt ist seit Jahresende 2013 verfügbar. Die Familie der GAK 1.500 erlaubt es, beispielsweise 8, 12 oder 16 Stränge zusammenzuschalten. Schlaaffs Resümee: „Generell besteht bei den Komponenten noch erheblicher Entwicklungsbedarf, um die hohen Systemspannungen tatsächlich in den Kraftwerksbau einzuführen.“
Auch bei der Kabelage tut sich etwas. Multi-Contact hat einen Steckverbinder auf den Markt gebracht, der für 1.500 Volt zugelassen ist. Der Steckverbinder MC4Plus von Multi-Contact hatte die UL-Zertifizierung für 1.000 Volt Gleichspannung erhalten. Nach dem MC3 und MC4 bekam der neue Steckverbinder aus der MC-Reihe die Doppelzertifizierung für 1.500 Volt vom TÜV und für 1.000 Volt von UL. Der durch die Schutzklassen IP65 und IP67 spezifizierte Steckverbinder bietet mit seiner Verriegelung nach NEC 2011 durch integrierten Snap-in-Verschluss eine hohe Anschlusssicherheit.
Perspektivisch wird es beide Systeme geben: mit 1.000 Volt und 1.500 Volt. Denn die Entscheidung über die Spannungen aus dem Generator hängt von sehr vielen Faktoren ab, die der Planer berücksichtigen muss. Die konkrete Auslegung der Anlage muss man immer wieder neu berechnen, um eine wirtschaftliche Konfiguration zu erstellen.
Aber bei 1.500 Volt DC dürfte Schluss sein, denn diese Spannung markiert die Grenze zwischen Niederspannung und Mittelspannung auf der DC-Seite.
Belectric
Standardisierter Block für drei Megawatt
Der fränkische Projektentwickler Belectric baut seine Solarkraftwerke aus standardisierten Blöcken auf. Beim Drei-Megawatt-Block (DC-Leistung) kommen 33.000 Module von First Solar zum Einsatz, die an die Wechselrichter Prosolar von GE mit bis zu 1.500 Volt angeschlossen werden. Der Block hat eine Ausgangsleistung von zwei Megawatt (AC). Die Gestehungskosten des Solarstroms liegen unter zehn Eurocent je Kilowattstunde.
Der Block wird über einen Trafo an die Mittelspannung angeschlossen. Die Wechselrichter sind in der Lage, auch in der Nacht Blindleistung anzubieten. Die komplette Netzregelung basiert auf 1.500 Volt (DC). „Wir sind momentan die Einzigen, die schlüsselfertige Solarkraftwerke mit 1.500 Volt anbieten können“, sagt Belectric-Chef Bernhard Beck.
Belectric hat nicht nur Kraftwerke mit den Dünnschichtmodulen von First Solar oder Solar Frontier gebaut. In Luckenwalde bei Berlin entstand ein Solarpark mit sechs Megawatt Leistung, in dem Solarmodule aus Siliziumdünnschicht installiert wurden.
Dieser Park wurde mit 1.100 Volt auf der DC-Seite verschaltet. Auch die Dünnschichtmodule von Sharp, ebenfalls Silizium, nutzt Belectric mit 1.100 Volt aus den Solarstrings. Zudem arbeitet Belectric intensiv an Großbatterien für Solarparks, um den Sonnenstrom zu sammeln und je nach Bedarf ins Netz zu speisen.
Produktion von Zentralwechselrichtern bei GE Power Conversion in Berlin. Sie hat mit der Serienfertigung von Stringgeräten kaum etwas gemein.
Die Montage der großen Wechselrichter erfolgt manuell, aus vorkonfektionierten Baugruppen.
Blick in den Prosolar-Zentralwechselrichter von General Electric.
Anschlusseinheit des Großwechselrichters PV Master II von LTI. Unten rechts sind die schweren Drosselspulen erkennbar. In der Schranktür sieht man den Ventilator für die Gerätekühlung.
Der Ultra 1400 von Power-One: Mittlerweile wurde das Unternehmen von ABB übernommen. Auch ABB hat große Erfahrungen mit Umrichtern für Mittelspannung.
Der GAK 1500 von Skytron aus Berlin: Dieser Generatoranschlusskasten wurdespeziell für hohe DC-Spannungen aus dem Modulfeld entwickelt.
Anschlussstation für große Solarparks, von Belectric aus Franken entwickelt. Die Sonnenkraftwerke speisen meist mit AC-Mittelspannung (bis 20 Kilovolt) ein.
