Photovoltaikanlagen auf Dächern oder Freiflächen, die zeitweise ganz oder teilweise durch den Schatten von Kaminen, Bäumen und Nachbarhäusern, aber auch durch Wolken in ihrer Produktion gestört werden, können durch einen technischen Kniff bis zu fünf Prozent mehr Strom erzeugen – aufs Jahr gerechnet. Das gelingt mit so genannten Optimizern (auch Module Level Power Electronics/MLPE genannt), die an jedes Modul angeschlossen werden.

Diese Leistungsoptimierer enthalten einen so genannten MPP-Tracker und sorgen so für den optimalen Arbeitspunkt jedes einzelnen Moduls. Ein solcher Tracker ist eine Elektronik-Komponente, die für die PV-Anlage abhängig von der aktuellen Sonneneinstrahlung den optimalen Arbeitspunkt aufspürt und auf diese Weise so viel Strom wie technisch möglich produziert. Sie regelt die Spannung automatisch, so dass das Produkt aus Spannung und Strom (also die Leistung) eines Moduls maximiert wird. Der Arbeitspunkt ändert sich mit der Richtung der Sonnenstrahlen, die mal flacher, mal steiler einfallen.

Normalerweise sind die Module, die in Reihe geschaltet sind, mit einem einzigen MPP-Tracker ausgestattet. Der wählt bei Teilverschattung einen Arbeitspunkt, der für alle Zellen gleich ist, sodass die, die noch ordentlich Sonne abbekommen, gewissermaßen in ihrer Entfaltung behindert werden. Mit MLPE wird jedes Modul individuell gesteuert.

Fünf Prozent Mehrertrag sind drin

Optimizer sind seit gut zehn Jahren auf dem Markt. Bekannte Anbieter sind Huawei, SolarEdge und Tigo. Marketingleute preisen die Komponenten bisweilen als wahre Wundergeräte an, indem sie Nutzern Ertragssteigerungen von 25 und mehr Prozent in Aussicht stellen.

Wissenschaftler der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) wollten wissen, wie viel an den Werbesprüchen dran ist. Ein dreijähriges Forschungsprojekt mit dem Titel „Effizienzanalyse von dezentraler Photovoltaik-Leistungselektronik bei Teilbeschattung“ hat die Vermutung bestätigt, dass die Werbung massiv übertreibt. Aber fünf Prozent sind auch nicht zu verachten. Bei einer Fünf-Kilowatt-Anlage liegt der Mehrertrag bei immerhin 250 Kilowattstunden pro Jahr, die einen Wert von 100 Euro darstellen. Umgekehrt kosten die Optimizer pro Modul mindestens 40 Euro.

Schweizer wollten es genau wissen

Um die tatsächliche Leistungsfähigkeit von Optimizern zu erforschen, haben die Wissenschaftler in Winterthur jeweils zehn Geräte vier gängiger Modelle im Labor installiert und daran eine Vielzahl von Messungen vorgenommen. Sie untersuchten mit einem selbstentwickelten Simulationstool, das auf diesen Messdaten basiert, die Auswirkungen, wenn eine Dachfläche vollständig, teilweise oder gar nicht mit Optimizern ausgerüstet wird. Sie legten der Analyse verschiedene Arten von PV-Modulen und unterschiedliche Fälle von Verschattung zugrunde. Überdies wollten sie wissen, wie schnell Optimizer reagieren, wenn sich der Grad der Verschattung der PV-Module verändert.

Eines der Ergebnisse war wenig überraschend: Bei unverschatteten oder nur leicht verschatteten Dächern mit einheitlicher Ausrichtung bringen Optimizer keinen Mehrertrag und verursachen nur zusätzliche Kosten. Bei Dächern mit mittelstarker Verschattung kann es jedoch sinnvoll sein, die am stärksten betroffenen PV-Module jeweils mit einem Optimizer auszurüsten. Der Einbau von Optimizern bei sämtlichen Modulen (All-Optimizer-Lösung) empfiehlt sich nur bei stark verschatteten Dächern, wenn die Module etwa wegen Dachgauben unterschiedlich ausgerichtet werden müssen oder wenn Häuser und Bäume in der Nachbarschaft kontinuierlich starke Schatten werfen. 

All-Optimizer-Lösung lohnt meist nicht

Professor Franz Baumgartner, Leiter Photovoltaiksysteme am ZHAW-Institut für Energie und Fluid Engineering, geht davon aus, dass die Betreiber von PV-Anlagen den Ertragsvorteil von Optimizern oft überschätzen. „Bestenfalls jedes fünfte Solardach ist so stark verschattet, dass eine All-Optimizer-Lösung sinnvoll ist“, sagt er. „Wenn diese Lösung heute in Ländern wie der Schweiz oder Holland bei zwei Drittel der Neuanlagen auf Einfamilienhäusern gewählt wird, darf man davon ausgehen, dass sich der Einsatz in den meisten Fällen nicht lohnt.“ 

Jetzt arbeiten Baumgartner und sein Team an einem Tool, das den Planern von Photovoltaikanlagen zuverlässig vorhersagt, ob sich bei einer Neuanlage eine All-Optimizer-Lösung empfiehlt – oder die Investition in die Technik nur rausgeschmissenes Geld wäre.