Welche Module und Wechselrichter?

Anja Rautnig hat recherchiert und im 6. Teil der Serie eine Marktübersicht der PV-Module und Wechselrichter erstellt.

Welche Bestandteile sind notwendig, damit eine PV-Anlage funktioniert? Das Kernelement ist natürlich das Photovoltaikmodul. Dieses besteht aus Solarzellen, welche das Licht effektiv in Strom umwandeln. Die Solarzellen sind sehr dünn und zerbrechlich, daher werden sie von mehreren Schutzschichten umgeben. Neben den Solarzellen umfasst das Modul die elektrischen Leiter, ein spezielles Solarglas auf der Vorderseite zum Schutz und aus einem Rahmen. Je nach Bauart werden Bypass-Dioden oder andere leistungssteigernde Bauteile ergänzt.

Fertig fürs Stromnetz

Das nächstwichtigste Element der PV-Anlage ist der Wechselrichter. Er wandelt den Gleichstrom der PV-Module in den Wechselstrom des Stromnetzes und der Stromverbraucher um. Neben dieser Hauptaufgabe regelt der Wechselrichter auch die PV-Anlage, indem er alle Parameter, wie die richtige Spannung und Frequenz, einstellt.

Außerdem kann der Wechselrichter ein Inselnetz (bei einem Stromausfall) aufbauen. Neben diesen beiden Hauptbestandteilen sind Leitungen, Sicherungseinrichtungen und das Montagesystem ebenfalls Teil einer Photovoltaikanlage. Stromspeicher sind kein zwingender Bestandteil, da der nicht sofort genutzte Strom auch einfach ins Netz eingespeist werden kann.

Um alle PV-Module mit deren unterschiedlichen Zelltechnologien hinsichtlich ihres Leistungsverhaltens vergleichen zu können, werden sie unter standardisierten Bedingungen getestet. Die beim Test ermittelte Leistung vom PV-Modul wird in Wattpeak (Wp) und nicht Watt angegeben, da in der Regel die künstlich optimierte Performance des Moduls im Labor in der Praxis nicht erreicht wird. Grund dafür ist unter anderem die stark schwankende Bestrahlungsstärke durch die Sonne je nach Wetter und Jahreszeit. Außerdem verringern beispielsweise die im Sommer stark steigenden Modultemperaturen die Leistungsabgabe. Generell liegt die Nennleistung eins PV-Moduls etwa 15 – 20 % unter dem im Labor eruierten MPP (Maximum Power Point).

Verschiedene Klassen

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, PV-Module zu klassifizieren. Eine wesentliche Unterscheidung ist die Verwendung vom Zelltyp, nämlich entweder monokristallinen Zellen oder polykristallinen Zellen oder in seltenen Ausnahmefällen spezielle Dünnschichtzellen. Polykristalline Zellen hatten vor allem zu Beginn den PV-Markt dominiert, da sie ein sehr gutes Preis-Leistungs-Verhältnis boten. Es handelt sich um die auffallend blauglänzenden PV-Module.

Der große Nachteil an den polykristallinen Modulen ist aber, dass sie weniger effizient sind und einen Wirkungsgrad von 18‌ % nicht überschreiten können. Monokristalline Zellen, welche an der dunkleren Farbe (meist schwarz) erkennbar sind, schaffen heutzutage bereits Wirkungsgrade von über 22‌ %. Das liegt sehr nahe am technisch machbaren Optimum für Siliciumzellen, nämlich bei knapp 30 %.

Die Technologie ist vorangeschritten, aber auch der Markt. Die Preise für monokristalline Module sind mittlerweile moderater geworden und haben somit die polykristallinen Varianten immer mehr abgelöst. Eine andere Unterscheidung von Modultypen ist die monofaziale bzw. bifaziale Bauweise. Standardmäßig werden monofaziale Module angeboten, wobei nur das von oben einstrahlende Licht genutzt wird.

In einigen Fällen, vor allem morgens und abends, wenn die Sonne sehr flach steht, kann es Sinn machen, zusätzlich auch reflektierte Strahlung auf der Rückseite des Moduls zu nutzen. Um also eine höhere Ausnutzung der Einstrahlungsleistung zu bewirken, haben daher bifaziale Module zwei photoaktive Flächen, die Vorderseite und die Rückseite. Gesteigerte Effizienz, aber natürlich auch höhere Preise. Außerdem eignen sich bifaziale Module besonders für die Anwendung als Agri-PV, weil eine Bewirtschaftung mit dem Traktor gut möglich ist.

PV-Hersteller im Überblick

Weltweit werden viele verschiedene Module in Millionen Stückzahlen produziert. Das garantiert eine große Auswahl mit vernünftigen Preise zu relativ guter Qualität. In den meisten Fällen macht es keinen wesentlichen Unterschied, ob das PV-Modul aus Österreich, Deutschland, Europa oder China kommt, wobei sich deutsche und österreichische PV-Hersteller international einen sehr guten Ruf aufgebaut haben. Einige der wichtigsten Firmen mit ihren PV-Modulen finden Sie in der Übersicht 2.

Erst durch die stark gestiegene Nachfrage der letzten Jahre drängen auch Hersteller aus den USA und anderen asiatischen Ländern auf den Weltmarkt. Die Preise für PV sanken, das Produktionsvolumen stieg. Mittlerweile sind sogar Überkapazitäten an Produktionsvolumen vorhanden, welche die weltweite Nachfrage nach PV-Modulen übersteigen.

Einer der größten PV-Hersteller ist JA Solar aus Shanghai. Dieser verkauft heute über 115 GW an PV-Leistung. Wesentlich kleiner, dafür aber erfahrener sind deutsche Hersteller wie Solarwatt, SolarWorld oder IBC Solar, die sich auf besondere PV-Bereiche spezialisiert haben, und so nach wie vor weltweit erfolgreich sind.

Auch Österreich war von Anfang an ein wesentlicher Player in der Entwicklung von effizienter PV-Technik. Tatsächlich zählt das österreichische Unternehmen Mea Solar aus dem Mühlviertel europaweit als der erste professionelle Anbieter von Solartechnik. Seit Beginn der Mea Solar wurden mehr als 12.000 Anlagen errichtet, wobei einige der Pionieranlagen noch heute – nach mehr als 40 Jahren – funktionieren. Neben weiteren „alten Hasen“ wie Kioto Photovoltaics oder der Sonnenkraft GmbH füllen aber auch jedes Jahr neue österreichische Start-ups den PV-Markt, die von dem enormen Branchen-Fachwissen im Land profitieren.

Vielseitige Wechselrichter

Wenn die PV-Module das Herz einer PV-Anlage darstellen, dann ist der Wechselrichter das Gehirn. Ohne ihn läuft gar nichts. Die Hauptfunktion des Wechselrichters, von der sich auch sein Name ableitet, ist es, den Gleichstrom (DC), welcher von den PV-Modulen produziert wird, mit möglichst wenig Verlusten in Wechselstrom (AC) umzuwandeln. Eine wichtige Aufgabe, denn in unserem Stromnetz fließt Wechselstrom, genormt auf eine Frequenz von 50 Hertz.

Möglichst geringe Umwandlungsverluste sind daher bei der Wahl des Wechselrichters ein entscheidendes Kriterium. Daneben erfüllt er aber auch noch eine Vielzahl an Zusatzfunktionen, von denen zwei besonders wichtig sind. Der Wechselrichter ist für das MPP-Tracking verantwortlich.

Da sich die Leistung vom Solarmodul laufend aufgrund von Witterungsschwankungen (Temperatur, Strahlungsintensität usw.) ändert, reguliert der MPP-Tracker im Wechselrichter die Spannung so, dass das Produkt aus Strom und Spannung möglichst groß wird. Er ist also für die unter den jeweiligen äußeren Bedingungen optimale Stromausbeute verantwortlich.

Zweitens fungiert der Wechselrichter auch als Sicherheitselement. Er überwacht das Netz und kann im Notfall die PV-Anlage automatisch und sofort vom Netz trennen. Außerdem können einige Wechselrichter Notstrom zur Verfügung stellen, sodass die PV-Anlage auch genutzt werden kann, wenn das öffentliche Netz ausfällt. Dazu wird der Solarstrom gezielt an Notstromverbraucher geleitet, die über einen extra Schaltkreis zugeschaltet sind. Dieser Schaltkreis muss für alle Geräte angelegt werden, die bei einem Stromausfall Strom erhalten sollen. Die Notstromfunktion ist zudem auch schwarzstartfähig: D.   h., auch wenn kein Strom mehr im Stromspeicher gespeichert ist, kann Strom genutzt werden, sobald Solarstrom erzeugt wird. Wechselrichter gibt es in den verschiedensten Ausführungen, mit und ohne integrierte Batterie, mit Notstrom für ein ganzes Gebäude, nur eine einzelne Steckdose oder überhaupt ohne diese Zusatzfunktion. Laut einer aktuellen Studie laufen Wechselrichter in der Regel 15 Jahre ohne Probleme.

Allerdings muss man damit rechnen, ihn in der Lebenszeit einer PV-Anlage, die in Richtung mehr als 30 Jahre geht, einmal austauschen zu müssen. Ein nicht unerheblicher Kostenfaktor, denn im Schnitt macht der Wechselrichter 10 bis 15‌ % der gesamten Anlagenkosten aus. Eine Marktübersicht von Wechselrichtern schicken wir Ihnen gerne auf Anfrage zu, schreiben Sie uns dazu einfach an  redaktion@topagrar.at oder hier

Speicherlösungen mitdenken

In einigen Fällen macht es Sinn, trotz der noch relativ hohen Kosten einen Stromspeicher zu planen, um den Sonnenstrom, der von der PV-Anlage erzeugt wird, aber gerade nicht benötigt wird, zu speichern.

Momentan am weitesten verbreitet sind Lithium-Ionen-Batteriespeicher. Mit Speichern wird der Eigenverbrauch erhöht und die Notstromversorgung sichergestellt. Für die Installation von PV-Stromspeichern gibt es zwei Möglichkeiten, entweder vor dem Wechselrichter oder dahinter.

Davor bedeutet, dass der Gleichstrom, den das PV-Modul produziert, direkt in einen Speicher geladen wird und der Wechselrichter nach Bedarf den Gleichstrom von dort nimmt, in Wechselstrom umwandelt und so nutzbar macht. Diese Speicherart ist effizient, weil der Strom nur einmal von Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt wird.

Anders verhält es sich bei Speichern, die nach dem Wechselrichter installiert werden. Hier wird der erzeugte Gleichstrom gleich in Wechselstrom umgewandelt, kann direkt genutzt werden, und nur der überschüssige Strom kommt in den Speicher. Dazu muss der Wechselstrom aber erneut in Gleichstrom umgewandelt werden, da er nur so gespeichert werden kann. Um unnötige Umwandlungsverluste zu vermeiden, empfiehlt es sich, eine Speicherlösung von Anfang an mitzudenken.