WELCHE FAKTOREN BESTIMMEN DIE LEBENSDAUER EINER ANLAGE UND WELCHE PERSPEKTIVEN ERGEBEN SICH DARAUS FÜR SOLARANLAGEN

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1 WELCHE FAKTOREN BESTIMMEN DIE LEBENSDAUER EINER ANLAGE UND WELCHE PERSPEKTIVEN ERGEBEN SICH DARAUS FÜR SOLARANLAGEN Michael Koehl Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE October, 2016

2 Bestandteile einer Solaranlage PHOTOVOLTAIK-MODULE: Kristalline Siliziumzellen (ca 90% Marktanteil) Dünnschichtmodule Cadmiumtellurid CadmiumIndium(gallium)selenid Amorphes silizium (am Aussterben) Mehrschichtsysteme VERKABELUNG Verbindung zwischen Modulen zu sogenannten Strings Verbindung zum Wechselrichter WECHSELRICHTER Wandler vom Gleichstrom zu Wechselstrom bei 240V 2

3 Aufbau eines PV-Moduls aus kristallinen Silizium Zellen Rückseitenfolie (0,3mm) Einkapselungsmaterial (2*0,3 mm) Verglasung (3,2 mm) Zelle (0,2mm) Gitter Busbar Zellverbinder 6 = 15,24cm Anschlussdose mit Kabeln Beipassdiode 3

4 Aufbau eines PV-Moduls aus kristallinen Silizium Zellen Strom [A] Reihenschaltung von 30 bis 32 Zellen (Zelle ist Diode in Sperrrichtung) und Parallelschaltung von 3 Strings => 3 Beipassdioden in der Anschlussdose 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 Kurzschlussstrom I sc Strom I mpp P mpp = I mpp * U mpp Offene Klemmen Spannung U oc 0,5 Spannung U mpp 0, Spannung [V] Leistungsmessung durch variable elektronische Last während eines Lichtblitzes 4

5 Aufbau eines PV-Moduls aus kristallinen Silizium Zellen Mono-kristalline Poly-kristalline 5

6 Fehleranalyse eines PV-Moduls aus kristallinen Silizium Kennlinien/Leistungsdaten Elektrolumineszenz 6

7 Modulstring durch Reihenschaltung möglich bis zur maximalen Systemspannung (1000V) ////// + Wechselrichter ~ - 7

8 PV-Anlagen Individualanlagen 2kW 50 kw Endverbraucher 8

9 PV-Anlagen Kraftwerke Ca. 50 kw x MW Investoren 9

10 Fehlerrate Zuverlässigkeit Qualitätsicherung durch die Typzulassungsprüfungen (IEC and IEC 61730) Anfangsausfall Katastrophale Fehler Degradation Wenig frühzeitige Ausfälle Allerdings keine Gebrauchsdauerabschätzung Produktion Transport Installation Externe Einwirkungen: Hagel, Blitzschlag Hot-Spots Betriebsstress Bewitterung Zeit Qualität Robustheit Materialien & Design Robustheit zur Vermeidung katastrophaler Fehler ist in der Regel zu teuer Die Degradation durch Verschleiß führt zu einer kontinuierlichen Verminderung der Leistungsfähigkeit bis zum definierten Gebrauchsdauerende. 10

11 Zuverlässigkeit 1. Phase (0 5 Jahre) Produktionsfehler Transportschäden Installationsfehler Planungsfehler Gewährleistung durch Installateur und Hersteller 2. Phase (0 25 Jahre) Katastrophen (Blitz, Hagel, Sturm etc.) Versicherung, soweit vorhanden 3. Phase (5 25 Jahre) Verminderung der Leistungsfähigkeit (im Durchschnitt etwa 0,5% pro Jahr) bis zum Gebrauchsdauerende bei 20% nach 25 Jahren. 11

12 Zuverlässigkeit 1. Installations- und Planungsfehler Teilverschattung Fehlanpassung Systembedingte Materialprobleme (Potentialinduzierte Degradation) 12

13 Strom [A] Teil-Verschattung Bäume, Schnee, Vogel- Hinterlassenschaften Führen zunächst zu regenerierbaren Ertragsminderungen, Kennlinien eines Moduls unterschiedlich stark mit Schnee bedeckt Langfristig zu Hot-Spots oder 1. String 2. String 3. String Zerstörung der Beipass-Dioden ,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0-0,5 Spannung in V Original-Kennlinie 13

14 Teil-Verschattung Bäume, Schnee, Vogel- Hinterlassenschaften Hot spots 14

15 Hot-spots 15

16 Potenzial-Induzierte Degradation - PID ////// + + U Inverter sys /2 - U sys /2 ~ - Transformatorlose Wechselrichter teilendas Potenzial symmetrisch auf 16

17 Potenzialinduzierte Degradation 0 + Inverter ////// - U sys ~ - Leck-Strom Leck-Strom durch die Migration von Natrium -Ionen aus der Verglasung in die Zelle Noch ungünstiger ist die Erdung des Plus-Poles und ein hohes negatives Potenzial 17

18 Potenzialinduzierte Degradation Thermografie einer Anlage von Thomas Kaden, Fraubofer ISE 18

19 Potenzialinduzierte Degradation Thermografie eines PID-geschädigten Modulsvon Thomas Kaden, ISE im Vergleich mit einer Elekrolumineszenz-Aufnahme von Peter Bentz, Solarfabrik 19 19

20 Schnecken spuren Lokale Verfärbungen durch Grid-Korrosion infolge Migration von Wasserdampf und Sauerstoff- durch Zellrisse Möglichkeit von Leistungseinbussen noch ungeklärt 20

21 Zuverlässigkeit 2. Phase (0 25 Jahre) Ersatz des Wechselrichters nach Jahren und nach 25 Jahren bei Weiterbetrieb Katastrophen (Blitz, Hagel, Sturm etc.) Problem ist Ersatz einzelner defekter Module durch gleiche Bauart/Leistungsklasse zur Vermeidung von Leistungsverlusten und Stress durch Fehlanpassung. Evtl. überbrücken und mit offenen Klemmen auf dem Dach lassen 21

22 Zuverlässigkeit 3. Phase (5 25 Jahre) Verminderung der Leistungsfähigkeit (im Durchschnitt etwa 0,5% pro Jahr) bis zum Gebrauchsdauerende bei 20% nach 25 Jahren. Kriterium: Performance ratio := Tatsächliche Leistung/Nennleistung Möglichst Vergleich mit Startbedingungen Hängt von den lokalen Klimaten ab (PVGIS zu Rate ziehen: 22

23 Zuverlässigkeit 3. Phase (5 25 Jahre) Verminderung der Leistungsfähigkeit (im Durchschnitt etwa 0,5% pro Jahr) bis zum Gebrauchsdauerende bei 20% nach 25 Jahren. Weiternutzung bei individuellen Kleinanlagen meistens sinnvoll, da noch immer 80% der Modul-Leistung vorhanden ist und sie abgeschrieben sind Weiternutzung von Kraftwerken im second-hand Markt wenn genügend Restwert vorhanden 23

24 Modulverschleiß durch Betrieb und Bewitterung Verfärbung durch Überhitzung in der Anschlussdose 24

25 Modulverschleiß durch Betrieb und Bewitterung Delamination bei Dünnschichtmodulen 25

26 Modulverschleiß durch Betrieb und Bewitterung Delamination bei c-si Modulen Geringfügige optische Verluste Bedenken für elektrische Sicherheit 26

27 Modulverschleiß durch Betrieb und Bewitterung Verfärbung des Verkapselungsmaterials Geringfügige Leistungseinbussen Indikator für Materialdegradation 27

28 Modulverschleiß durch Betrieb und Bewitterung Verfärbung und Delamination des Verkapselungsmaterials Geringfügige Leistungseinbussen Indikator für Materialdegradation und Verbesserungspotenziale 28

29 Leistungseinbussen bei Betrieb und Bewitterung Verschmutzung und Bio-Kontamination Geringfügige Leistungseinbussen, leichte Verschattungseffekte Zugänglichkeit, Neigungswinkel 29

30 Fazit Viele Fehler, die zu Ertragseinbussen führen, sind bereits früh zu sehen Die Hauptstressfaktoren resultieren aus Installationsfehlern, Materialfehlern dem Betrieb und den Witterungseinflüssen Viele Anlagen haben am Ende ihrer vorgesehenen Gebrauchsdauer noch ausreichend Leistung für einen wirtschaftlichen Weiterbetrieb Schwierigkeiten bereitet die Beschaffung von gleichartigen Ersatzmodulen Mangels geeigneten Gebrauchsdauerprüfverfahren sind Nutzungsdauerprognosen und langfristige Garantien sehr riskant 30

31 Perspektive mit langfristiger Zukunft 31

32 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Fraunhofer Institut fürsolare Energie Systeme ISE Michael Köhl 32