Effizienzsteigerung von Solarbatterien

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Mehr Effizienz für Photovoltaik-Heimspeicher: Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat gemeinsam mit zwei Unternehmen einen Hybrid-Wechselrichter entwickelt, der auch im Teillastbereich wenig Effizienzverluste zeigt. Privathaushalte könnten so jedes Jahr bis zu 250 Euro sparen.

Galliumnitrid und Siliciumkarbid verbessern die Effizienz

Wechselrichter für Solarspeicher benötigen einen hohen Umwandlungswirkungsgrad über einen breiten Leistungsbereich. Denn die Systeme werden tagsüber in wenigen Stunden bei hoher Leistung aufgeladen, wenn die Sonne intensiv scheint. Anschließend werden sie in den Abendstunden oder nachts bei viel geringerer Leistung langsam wieder entladen. Bei niedrigem Leistungsbedarf entstehen dabei oft Effizienzverluste.

Der neue Hybridwechselrichter ist dagegen auch im Teillastbereich verlustarm. Das erreichten die Partner durch den Einsatz von neuartigen Galliumnitrid- und Siliciumkarbid-Bauelementen. Die Transistoren-Brückenschaltungen seien der Kern der Batterieladegeräte und ermöglichten es, immer schneller bei geringeren Verlusten zu schalten, teilte das Fraunhofer ISE mit. Der Wechselrichter wurde gemeinsam mit Kaco New Energy und STS im Rahmen des Projekts HyBaG entwickelt.

Fraunhofer ISE testete verschiedene Ansätze

Die Partner untersuchten verschiedene Ansätze, um den Wirkungsgrad auch bei Teillasten zu optimieren. Die besten Konzepte wurden bis zu Prototypen entwickelt. Dabei ging es sowohl um die Hardware als auch um die Weiterentwicklung der Software zur Ansteuerung der Leistungselektronik.

Die technische Umsetzung sah am Ende so aus: Die Partner bauten einen dreiphasigen Synchronwandler für den Hochvolt-Batteriesteller auf. Mit diesem ist es möglich, durch Aktivierung oder Deaktivierung einzelner Wandlerbrücken den Leistungsbereich von einem Drittel bis hin zu Volllast anzupassen. Für sehr geringe Leistungen gibt es einen speziellen Modus mit variabler Schaltfrequenz. Damit bleiben die Schaltverluste so gering wie möglich (Lückgrenzbetrieb). Es gibt auch einen pulsierenden Betrieb (Burst-Modus), in der der Wechselrichter mit nur einer Phase arbeitet und 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. Werden nicht alle Phasen gleichzeitig betrieben, empfehle es sich, zur gleichmäßigen thermischen Belastung die einzelnen Phasen alternierend zu betreiben, so das Fraunhofer ISE. Je nach Leistungsbereich zeige ein unterschiedliches Modulationsverfahren den besten Wirkungsgrad. Deshalb wurde im Projekt eine wirkungsgradoptimierte und an den Leistungsbereich angepasste Betriebsführung entwickelt und umgesetzt.

Große Unterschiede bei aktuellen Heimspeichern

Die Lösung hat großes Einsparpotenzial für den Kunden. Denn Heimspeicher, die auf Siliciumkarbid-Komponenten basieren, könnten schon fast kostenneutral in den Markt gebracht werden, teilte das Fraunhofer ISE mit. Aktuell werde der Teillastwirkungsgrad noch kaum optimiert, es gibt erhebliche Unterschiede zwischen den Heimspeichern auf dem Markt. Dabei sind die Effizienzverluste bei Teillast ein wesentlicher Faktor.

250 Euro weniger Stromkosten im Jahr

Simulationen im Rahmen von HyBag hätten gezeigt, dass Verbraucher mit verlustarmen Systemen 150 bis 250 Euro Stromkosten im Jahr sparen können. Deshalb ist das Fraunhofer ISE in engem Austausch mit Batterieherstellern, um diese Potenziale aufzuzeigen und die Entwicklung neuer Technologien zu begleiten.

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