Lang lebe die PV-Anlage!

Defekte und zu schnell alterndes Material verringern Ertrag und Lebensdauer von Solaranlagen. Das lässt sich ändern, indem Fehler frühzeitig aufgespürt werden – etwa mithilfe von Drohnen und KI.

Es ist ein schwülwarmer Sommertag. Seit Tagen tropft immer wieder Regen auf die blauschwarz glänzenden Paneele der Solaranlage. Das sollte ihnen eigentlich nichts ausmachen – es sei denn, die Schutzschicht aus Kunststofffolien auf der Rückseite eines Moduls ist defekt: Dünne Haarrisse reichen aus, damit Feuchtigkeit eindringt. Das kann dazu führen, dass elektronische Bauteile nicht mehr ausreichend isoliert sind – und sich die Solaranlage aus Sicherheitsgründen automatisch abstellt. Dafür genügt bereits der Ausfall eines einzelnen Moduls.

Ian Marius Peters

Winzige Defekte wie ein Haarriss in der Folie sind kaum zu entdecken. Und dass sie einen gesamten Solarpark kurzfristig lahmlegen können, ist nicht das einzige Problem: „Schäden durch defekte Rückseiten tragen dazu bei, die Lebensdauer eines Solarparks auf derzeit rund 20 Jahre zu begrenzen. Er könnte aber 50 Jahre verlässlich Strom liefern“, meint der Physiker Dr. Ian Marius Peters vom Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (HI ERN), einer Jülicher Außenstelle. Er forscht mit seinem Team daran, die Lebensdauer von Solaranlagen zu verlängern und Leistungseinbußen zu verringern.

„Rund 10 Prozent der Module halten nicht so lange, wie sie es könnten“, weiß Peters Kollegin, Dr. Claudia Buerhop-Lutz vom HI ERN. „Einige Materialien in den Modulen zeigen bereits nach fünf Jahren erste altersbedingte Beeinträchtigungen.“ Das macht den Effizienzgewinn einer neuen Anlage mit anfänglich höheren Wirkungsgraden schnell wieder zunichte. Die Forscher:innen vom HI ERN entwickeln daher Methoden, um Fehler möglichst frühzeitig zu erkennen. Sie setzen auf drei Strategien: zerstörungsfreie Messungen im Feld, den Einsatz hochauflösender Drohnenkameras und die Verwendung Künstlicher Intelligenz (KI).

10

Prozent

  • der Module halten nicht so lange, wie sie es könnten, weiß Dr. Claudia Buerhop-Lutz vom Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (HI ERN).

Zerstören muss nicht sein

Claudia Buerhop-Lutz hat die Rückseite von Solarmodulen im Fokus. Diese ist aus mehreren Lagen Kunststofffolie aufgebaut und schützt die Solarzelle vor Wasser. „Folien spielen eine immer größere Rolle bei der Zuverlässigkeit von Solarmodulen“, weiß Buerhop-Lutz. „Korrosion, Abrieb an Oberflächen oder sich ablösende Schichten beschädigen den Schutz durch die Folien.“ Solche Schäden seien vermehrt bei PV-Modulen der Baujahre 2010 bis 2012 aufgetreten. Eventuell wurden in dieser Zeit weniger geeignete Materialien verwendet, so die Expertin. Sie hat aber auch schon Schäden bei neueren Anlagen gefunden.

Um den Zustand der Folien direkt im Feld zu untersuchen ohne sie dabei zu beschädigen, haben Buerhop-Lutz und ihr Team ein neues Verfahren entwickelt. Dafür analysierten die Forscher:innen zunächst zahlreiche Varianten der Modulrückseiten aus unterschiedlichen Kombinationen von Kunststofffolien im Labor – insgesamt mehr als 30.000 Module aus 30 Solarparks und – soweit vorhanden – auch deren sichtbare Schäden. Daraus ist eine „Rückseiten“-Bibliothek mit rund 250 Varianten entstanden. Sie dient nun als Vergleich bei Infrarotmessungen der Module im Feld und hilft, mögliche Defekte zu erkennen, bevor sie zum Versagen des Moduls führen.

Drohnen im Doppelpack

Claudia Buerhop-Lutz mit Drohne
Claudia Buerhop-Lutz setzt unter anderem Drohnen ein, um den Zustand von Photovoltaikanlagen zu kontrollieren. Damit lassen sich Defekte aufspüren, bevor ein Solarmodul ausfällt.
Kurt Fuchs/ZAE

Auf die Vorderseite der Module konzentriert sich die Überwachung der Solaranlagen aus der Luft mit Drohnen. Im Projekt COSIMA kombinieren Buerhop-Lutz und ihr Team zwei verschiedene Arten: Thermografie-Drohnen, mit denen sich Hotspots – also Solarmodule mit lokaler Überhitzung – aufspüren lassen, und Drohnen, die die Elektrolumineszenz messen. Für Letzteres kehren die Forscher:innen den Prozess in der Solarzelle um: Wird Strom angelegt, strahlt die Solarzelle an den unbeschädigten Stellen.

„So erkennen wir auch Fehler, die tiefer im Material verborgen sind“, so die Forscherin. Eine KI sortiert alle Informationen. „Die Auswertung liefert den Betreibern nicht nur den üblichen Wust an Bildern, sondern auch Hinweise, wo demnächst ein Leistungsverlust droht. Das ist echte Predictive Maintenance, also vorbeugende Instandhaltung“, sagt Ian Marius Peters.

KI findet Fehler in Standarddaten

Aus den üblichen Monitoringdaten der Betreiber können die HI-ERN-Wissenschaftler:innen ebenfalls Fehler herausfiltern. Im Projekt dig4MorE werten sie die Daten mit maschinellem Lernen aus. Die KI erkennt sowohl Leistungsdefizite als auch Fehlermuster, die auf konkrete Störungen hinweisen. „Manchmal sind Module falsch verdrahtet, Fehler treten nur bei einzelnen Teilen auf oder bei bestimmten klimatischen Bedingungen“, berichtet Buerhop-Lutz, die gerne noch mehr Daten aus den Solarparks hätte. „Häufig wissen die Betreiber gar nicht, was für wertvolle Informationen in ihren Daten stecken“, stellt sie fest. „Wir könnten diese Schätze heben.“

Schon jetzt tragen die Arbeiten der Forscher:innen vom HI ERN dazu bei, grüne Stromerzeugung mit PV-Anlagen zuverlässiger zu machen. Das ist wichtig, denn bis 2030 sollen die erneuerbaren Quellen mindestens 80 Prozent Energie für den Bruttostromverbrauch liefern. Unkontrollierte Ausfälle sind da unerwünscht.

Text: Katja Engel | Fotos: Adobe Stock #218474496 (oben); HI ERN/Jessica Pölloth (2.v.o.)

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Text erschienen in effzett Ausgabe 2-2023
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Letzte Änderung: 29.02.2024