Auf der Überholspur

Auch so kann eine PV-Anlage aussehen: ein "Solarbaum" mit einem Wechselrichter von SMA. Foto: SMA

Wechselrichter mit oder ohne Transformator? Die Frage erhitzt Gemüter. Ruhig bleiben kann, wer eine Strategie für sich entwickelt hat. So wie Maren Krollmann, Beraterin beim Maschinenring Paderborn-Büren. Wenn die Agraringenieurin für ihre Kunden PV-Anlagen plant, versucht sie, möglicht viel der Modulleistung mit trafolosen Geräten abzuschöpfen. Für die verbleibenden Module nimmt sie Wechselrichter mit Trafo. Die Möglichkeit hat die Beraterin, weil die kristallinen Module, die sie verwendet, mit beiden Varianten optimal arbeiten. "Die Wirkungsgrade und die Kosten stehen im Vordergrund", begründet Krollmann ihre Vorgehensweise und räumt ein: "Ganz ohne Trafogeräte geht es aber noch nicht."

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Damit bringt die PV-Expertin eine Entwicklung auf den Punkt, die sich derzeit im Wechselrichtermarkt abzeichnet. Immer mehr Hersteller bringen trafolose Wechselrichter auf den Markt, sei es zusätzlich zu ihren Trafogeräten oder sie spezialisieren sich gleich auf trafolose Geräte. Ob letztere ihre Vorgänger in näherer Zukunft ablösen werden, ist umstritten. Fest steht aber, dass beide Modelle noch ihre Vor- und Nachteile und dadurch bedingte Einsatzbereiche haben.

Trafogeräte waren der Anfang
Um die Rolle eines Transformators zu verstehen, lohnt sich ein Blick auf die Funktionsweise eines Wechselrichters. Mit den Modulen zählt dieser zu den Hauptkomponenten einer PV-Anlage. Die Module wandeln die Solarstrahlung in Gleichstrom um, der Wechselrichter passt die Spannung des produzierten Gleichstroms an das Netzniveau an. Er macht aus dem Gleichstrom netzkonformen Wechselstrom.

In der Anfangszeit der Photovoltaik war es üblich, für diese Aufgabe Transformatoren in die Geräte zu integrieren. Mitte der 1990er brachte eine neue Technologie Bewegung in den Markt. Als einer der Pioniere stellt die Schweizer Sputnik ­Engineering seit 1994 trafolose Geräte her. In Deutschland brachte, nach Firmenangaben, die Freiburger Solar-Fabrik AG das erste trafolose Gerät auf den Markt.

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Mittlerweile wird es immer schwieriger, den Überblick zu behalten, wer auf welche Technologie setzt. Die Fronius International AG aus dem österreichischen Wels blieb den Trafogeräten treu und bietet bis heute keine trafolosen Geräte an. Dann gibt es Hersteller, die beides im Sortiment haben, z. B. die SMA Solar Technology AG aus Niesetal, die Kaco New Energy GmbH aus Neckarsulm, Sputnik Engineering aus Biel in der Schweiz und die Diehl Ako Stiftung & Co. KG aus Wangen.

Bleiben noch die Hersteller, die nur trafolose Geräte anbieten. Hier sind zum Beispiel die Solar-Fabrik, die Konstanzer Sunways AG und die Solutronic GmbH aus Grossbettlingen in Baden-Württemberg zu nennen. Doch unabhängig davon, auf welche Technologie die Firmen setzen, was die Vor- und Nachteile angeht, sind sie sich weitgehend einig.

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Ein Blick in die Elektronikfertigung von Fronius International...

…das österreichische Unternehmen stellt seit 1995 Wechselrichter mit Transformatoren her. Fotos: Fronius

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Stromkreise getrennt
Einer der größten Vorzüge der Trafogeräte ist die galvanische Trennung. Der Gleich- und der Wechselstromkreis sind hier getrennt bzw. der PV-Generator und das Versorgungsnetz. Deshalb ist es einfacher, die elektrischen Sicherheitsanforderungen zu erfüllen, u. a. bei dem Überspannungsschutz. Dies dient der Sicherheit der eigenen Anlage und hilft, länderspezifische Normen und Richtlinien rund um den Globus zu erfüllen. Z. B. in den USA: "Zwar sind trafolose Wechselrichter hier nicht direkt verboten, aber durch die Vielzahl der zusätzlich auferlegten und geforderten nötigen Maßnahmen ist der Einsatz von trafolosen Geräten nicht mehr praktikabel", sagt Hannes Wendeler, Vertriebsleiter International für die Sparte Solar­elektronik bei Fronius. In Spanien gäbe es hingegen eine Grauzone, berichtet Wendeler weiter. "Trafolose Geräte sind offiziell zwar nicht erlaubt, werden aber zum Teil mittlerweile geduldet."

"Wechselrichter mit Trafo können nahezu in allen Ländern auf der Welt mit allen auf dem Markt befindlichen Solarmodulen betrieben werden", bestätigt Bernd Engel, Bereichsleiter Entwicklung und Produktmanagement bei SMA, und bringt damit gleich einen weiteren Pluspunkt ins Spiel. Trafogeräte eignen sich für kristalline Module ebenso wie für Dünnschichtmodule. Dies liegt daran, dass die Geräte beliebig positiv oder negativ geerdet werden können. Dies ist von Vorteil, wenn Module entweder für ihren ordnungsgemäßen Betrieb eine positive Erdung brauchen oder wenn sie eine negative Erdung fordern wie die Dünnschichttechnologien. Darüber hinaus sollen Trafogeräte robuster sein gegenüber Störungen aus dem Netz.

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Doch hätten Trafogeräte keine Nachteile, so gäbe es auch keinen Grund, Alternativen zu entwickeln. Die Transformatoren sind aus Kupfer gearbeitet. Dies hat einen höheren Materialeinsatz und Mehrkosten zur Folge. Außerdem sind die Geräte schwerer als trafolose Geräte, was sich wiederum bei der Montage bemerkbar macht. Ein größerer Nachteil aber ist der niedrigere Wirkungsgrad, und dieser Punkt leitet direkt zu den Vorteilen der trafolosen Geräte über.

Der trafolose Zentralwechselrichter "Sunny Mini Zentral 11000 TL". Trafolose Geräte werden bevorzugt in höheren Leistungsklassen eingesetzt.Foto: SMA Solar Technology

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Höherer Wirkungsgrad bei ­trafolosen Geräten
Trafolose Wechselrichter erreichen Wirkungsgrade bis 98 %, bei den Trafogeräten liegen sie bei maximal 96 %. Die Differenz begründet sich darin, dass bei der Umwandlung des Stroms im Trafo Verluste entstehen. Gleichwohl ist die pauschale Aussage, dass trafolose Geräte höhere Wirkungsgrade haben, mit Vorsicht zu genießen. Zwar sind die 98 % bei den Trafogeräten unerreicht. Aber es gibt auch trafolose Geräte mit einem Wirkungsgrad von 96 %, ebenso wie es Trafogeräte mit 96,1 % Wirkungsgrad gibt. Trotzdem ist der höhere Wirkungsgrad das am häufigsten genannte Argument für trafolose Geräte.

Wechselrichter mit Transformator zeichnen sich durch ihre galvanische Trennung aus. Der Gleich- und der Wechselstromkreis sind hier getrennt. Foto: Fronius International

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Wie sich dies auf die Anlagenplanung auswirkt, zeigt ein Beispiel von Maren Krollmann vom Maschinenring. Bei größeren PV-Anlagen legt sie die maximal mögliche Anzahl der Module durch leistungsstarke trafolose Wechselrichter aus. Nur die verbleibende Zahl der Module ergänzt sie durch Trafogeräte. Bei einem ideal ausgerichteten Dach kann dies so aussehen: Mit 228 Modulen mit einer Einzelleistung von 180 W baut Krollmann darauf eine Anlage mit 41,04 kWp Spitzenleistung. Zunächst wählt sie drei trafolose Wechselrichter ("SMC 11000 TL") für vier Strings mit jeweils 17 Modulen. Damit sind 204 Module verplant. Die verbleibenden 24 Module verbindet sie mit einem Trafogerät ("3800 Sunny Boy").

Wie Krollmann, bevorzugt auch Thomas Braun, Geschäftsführer der Asedi GmbH, einer Tochtergesellschaft des Maschinenrings Schwäbisch-Hall, bei größeren Geräten trafolose Geräte. "Wir geben unseren Installateuren aber keine Vorgaben", sagt er. "Das würde die Anlagenplanung zu sehr einschränken."

Ein Zentralwechselrichter von Fronius: Trafogeräte wie dieses können für kristalline und für Dünnschichtmodule verwendet werden.
Foto: Fronius ­International

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Trafolose Geräte für ­Dünnschichtanlagen
Wenige Wahlmöglichkeiten gibt es aber noch bei Dünnschichtmodulen. Bis vor Kurzem galt die Regel, dass bei Dünnschichtanlagen wegen der geforderten Erdung nur Wechselrichter mit Trafo zu verwenden sind. Insbesondere amorphe Module verlangten nach einem Trafogerät, das das System von Ableitströmen schützt, die in Modulen langfristig zu Beschädigungen und Wirkungsgradverlusten führen können.

Doch auch dieses Argument scheint sich langsam aufzulösen. So entwickelte die Sunways AG bereits trafolose Wechselrichter, die "uneingeschränkt für ­Dünnschichtmodule" geeignet sein sollen. Nachfolger gibt es auch schon. Anfang Februar gab die ­Conergy AG bekannt, dass der US-amerikanische Dünnschicht-Solarmodulhersteller First Solar die neue trafolose "IPG"-Serie des Hamburger Unternehmens für den Einsatz mit seinen Modulen qualifiziert habe. "Grund ist die integrierte Balanced Mode-Technologie (BMT), die hohe Erträge und Schonung der angeschlossenen Module vereint", erklärt Conergy-Entwicklungsleiter Peter Knaup. Die BMT simuliere den Trafo und unterbinde so die schädlichen Ableitströme.

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Unter einigen Herstellern wenig beliebt ist die Frage nach möglichen elektromagnetischen Feldern, die durch trafolose Geräte verursacht werden können. "Das Thema berührt esoterische Grenzbereiche", antwortet ein Mitarbeiter eines Wechselrichterherstellers auf diese Frage. Ein anderer Ansprechpartner, der namentlich nicht genannt werden möchte, räumt ein, dass bei trafolosen Geräten durchaus mehr elektromagnetische Wellen als bei Trafogeräten entstehen können. "Allerdings sollen ja auch nicht fünf Wechselrichter in einem Kinderzimmer montiert werden, sondern z. B. im Keller", sagt er.

Schutz für Be- und Anwohner soll auf alle Fälle gegeben sein. Deshalb ­müssen alle Wechselrichter, ebenso wie Handys und Mikrowellengeräte, einer Prüfung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV-Prüfung) unterzogen werden. Stellvertretend für andere Hersteller sagt Engel von SMA: "Die trafolosen Wechselrichter halten die gleichen Grenzwerte für Störemissionen ein wie Trafo-Wechselrichter." Hierfür sorgen u. a. abgeschirmte Ganzmetallgehäuse.

Modulhersteller gefordert
Wie wird sich der Markt nun künftig entwickeln? Zunächst einmal stellen alle befragten Hersteller eine deutlich steigende Nachfrage nach trafolosen Geräten fest, sofern sie nicht ausschließlich Trafogeräte anbieten und deshalb nicht danach gefragt werden. Der Grund sind die höheren Wirkungsgrade und dadurch bedingt höhere Erträge bei diesen Anlagen. Provokativ äußert sich Wieland Scheuerle, Geschäftsführer und Entwicklungsleiter von Solutronic. "In drei Jahren wird es keine Trafogeräte mehr geben", prognostiziert er. Thomas Kühefuß, Leiter der Abteilung Business Development und Technologie bei Diehl Ako, glaubt, dass die trafolosen Geräte die Trafogeräte in fünf Jahren abgelöst haben werden. Etwas länger werde es in den USA dauern.

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Ein trafoloser Wechselrichter von Solutronic: Das Unternehmen stellt seit 2004 ausschließlich Geräte ohne Transformator her. Foto: Solutronic

So kurz sehen die meisten Kollegen den Zeithorizont nicht. Zwar wird damit gerechnet, dass der Anteil der transformatorlosen Wechselrichter weiter zunimmt, wegen der noch unterschiedlichen Einsatzgebiete und länderspezifischen Normen werde sich das Trafogerät auf absehbare Zeit aber noch am Markt halten. Ein Hersteller kündigt gar Wirkungsgrade "um 99 %" in fünf Jahren für trafolose Wechselrichter an. Weiterentwicklungen könnte es aber auch von der Seite der Modulhersteller geben. Denn auch von ihnen wird erwartet, dass sie an dem Zusammenspiel von Wechselrichtern und Modulen weiter mitarbeiten.

Autorin
Ina Röpcke ist ­Geprüfte Fachkraft ­Solartechnik (HWK), freie ­Journalis­tin und PR-Beraterin für ­Erneuerbare Energien.

Weitere Informationen
Mehr Informationen über Wechselrichter mit und ohne Transformatoren gibt es u. a. auf den Web-Portalen ­folgender Hersteller:
Maschinenring Paderborn - Büren e. V.: www.bhd-mr-paderborn.de
Diehl Ako Stiftung & Co.KG: www.diehlako.de
SMA Solar Technology AG: www.sma.de
Solar-Fabrik AG: www.solar-fabrik.de
Fronius International GmbH: www.fronius.com
Sputnik Engineering AG: www.solarmax.com
Solutronic GmbH: www.solutronic.de
Sunways AG: www.sunways.de
Conergy AG: www.conergy.de
Kaco New Energy GmbH: www.kaco-newenergy.de