Das Problem der Potentialinduzierten Degradation (PID)

Auf den Datenblättern aktueller Module weisen die Hersteller bereits häufig darauf hin, dass Ihre Module frei von PID sind. Für Neuanlagen ist das im ersten Ansatz beruhigend, aber wie sieht es bei Bestandsanlagen aus? Viele Anlagenbetreiber fragen sich, ob die in Ihren Anlagen eingesetzten Module von PID betroffen sind und wenn ja, wie das festgestellt und noch wichtiger, was dagegen gemacht werden kann. Ein Gastbeitrag von Matthias Hadamscheck, Leiter Technische Beratung der meteocontrol GmbH.

Zunächst stellt sich die Frage, was PID eigentlich genau ist. PID steht für potentialinduzierte Degradation und stellt eine spezielle Form der Zellalterung (Degradation) dar. Jedes Solarmodul unterliegt der Zellalterung, wodurch die Leistung der Zellen über die Einsatzzeit abnimmt. Durch PID sinkt die Leistung der Module jedoch über die Zeit wesentlich stärker ab als im Normalfall. Allerdings lässt sich dieser Effekt unterbinden bzw. ist im besten Fall auch reversibel. Aber wie kommt es zu diesem Effekt?

Ein marktübliches Solarmodul ist – grob beschrieben – wie folgt aufgebaut: Ein Aluminiumrahmen fasst die von einem Einbettungsmaterial umgebenen Modulzellen. Zur Stabilität und für gute Lichtdurchlässigkeit besteht die Modulvorderseite aus Solarglas, während sich auf der Rückseite eine Folie zum Schutz bewährt hat. In den meisten Fällen ist der Modulrahmen durch die Klemmung an der Unterkonstruktion geerdet. Dadurch kann im Betrieb der PV-Anlage ein Potentialunterschied zwischen geerdetem Rahmen und den Zellen auftreten. Aufgrund dieses Potentialunterschiedes kommt es zu einer Bewegung von Ladungsträgern in den Modulen. Dies hat eine negative Auswirkung auf die U-I-Kennlinie des Moduls (ein Abflachen der Leistungs-Kennlinie). Der Effekt wirkt sich besonders bei Schwachlicht aus, d.h. bei Einstrahlungen deutlich unter 1.000 W/m2. Die Schädigung der Module ist abhängig von mehreren Faktoren wie Materialen, Luftfeuchtigkeit, Temperatur und Zelltyp.

In vielen Fällen tritt der Potentialunterschied auf der negativen Strangseite auf. Das bedeutet, dass die Module im Betrieb im Normalfall ein negatives Potential gegen Erde aufweisen. Demzufolge wird der Effekt stärker je näher sich das Modul am negativen Strangende befindet.

Wie der Leistungsabfall identifiziert werden kann

Durch die oben beschriebene negative Auswirkung von PID auf die Modulkennlinie nimmt die Leistungsfähigkeit der Anlage über die Zeit ab. Identifiziert werden kann der Leistungsabfall jedoch nicht einfach über den Vergleich der Zählerwerte zu unterschiedlichen Zeitpunkten, da auch die Wetterbedingungen (Einstrahlung und Temperatur) berücksichtigt werden müssen. Deshalb ist eine präzise Auswertung der Performance Ratio (PR) der Anlage erforderlich. Hierzu sollte die Anlage mit einem geeigneten Monitoring-System ausgestattet sein, welches über Einstrahlungssensoren und unterschiedliche Auswertetools verfügt.

PID, aufgedeckt durch ein Wärmebild.

Manche professionelle Monitoring-Anbieter haben sich ebenfalls des Problems der Identifizierung von PID angenommen. Beispielsweise wurde durch die meteocontrol GmbH ein Algorithmus entwickelt, welcher für spezifische Anlagen im meteocontrol Portal ausgeführt werden kann. Als Ergebnis komplexer Berechnungen und Betrachtungen wird ein sogenannter PID-Score ausgegeben, der aussagt, wie wahrscheinlich die Anlage von PID betroffen ist.

Neben der Auswertung von Daten bestehen weitere Untersuchungsmöglichkeiten, welche auch insbesondere nach einem Anfangsverdacht genutzt werden sollten.

• Die einfachste und dennoch sehr gut geeignete Prüfung stellt die Untersuchung der Module mittels Thermografie dar. Hier kann mittels einer Wärmebildkamera leicht eine große Menge an Modulen in kurzer Zeit während des Betriebs auf das typische Fehlerbild hin überprüft werden ohne die Module demontieren zu müssen. Eine derartige Prüfung kann durch unabhängige Gutachter erfolgen. Zudem ist sie mittlerweile bei einigen professionellen Betriebsführern im Leistungsumfang enthalten.
• Elektrolumineszenzmessungen (EL-Messungen) liefern ein detaillierteres Fehlerbild und geben Aufschluss inwieweit PID bereits fortgeschritten ist. Dieses Verfahren kann auf unterschiedliche Weise durchgeführt werden, ist jedoch aufwändiger und deshalb teurer als eine thermographische Überprüfung. Die Tests können tagsüber (Tageslicht EL), in der Nacht, in einem mobilen Labor (zusammen mit Kennlinienmessung bei STC) oder einem professionellen, unabhängigen Labor durchgeführt werden.
• In unabhängigen Laboren können zudem weitere detaillierte Prüfungen durchgeführt werden. Hierzu zählen beispielsweise Kennlinienmessungen sowohl unter STC Bedingungen (25°C Umgebungstemperatur und 1.000 W/m2) als auch im Schwachlichtbereich (Einstrahlungen unter 1.000 W/m2) sowie Prüfungen zur Regenerationsfähigkeit der Module (Prüfung inwieweit der PID-Effekt reversibel ist).

Sollte tatsächlich PID in der Anlage identifiziert worden sein, ist es wichtig geeignete Schritte einzuleiten, um den weiteren Ertragsausfall zu minimieren bzw. zu vermeiden. Je nach Anlagenkonfiguration sind unterschiedliche Ansätze möglich. Abhängig vom eingesetzten Wechselrichter (galvanische Trennung ist erforderlich) besteht die Möglichkeit die Stränge einseitig zu erden, um einen Potentialunterschied an den Solarmodulen zu vermeiden. Das hat jedoch auch zur Folge, dass für den Betrieb der Anlage Regelungen getroffen werden müssen, um eine sicheren Anlagenbetrieb und sichere Arbeitsbedingungen vor Ort zu gewährleisten (Stichwort elektrischer Schlag).

Die bekannteste Lösung stellt der Einbau eines Zusatzgerätes dar, welches die PV-Module auf ein hohes positives Potential anhebt und den entstandenen Polarisationseffekt in den Nachtstunden wieder rückgängig macht. Je nach Grad des PID-Effektes kann die Regenerationszeit der Module längere Zeit in Anspruch nehmen. Die Geräte können von unterschiedlichen Herstellern bezogen werden und sind nicht zwangsläufig abhängig von den Herstellern der Wechselrichter. Allerding müssen die Hersteller der Komponenten, vor allem Modul- und Wechselrichterhersteller den Einsatz solcher Geräte freigeben.

Wie also PID beim Hersteller beweisen

Aus technischer Sicht kann PID mit Hilfe von Thermografie, Elektrolumineszenz und Kennlinienmessungen nachgewiesen werden. Zudem lässt sich mit einer Kennlinienmessungen ermitteln, ob die Module noch innerhalb der Leistungsgarantie des Herstellers liegen oder nicht. Mit diesen Informationen und Ergebnissen kann der Anlagenbetreiber auf den Modulhersteller zugehen. Allerdings können je nach Hersteller weitere Schritte und Prüfungen notwendig sein (z.B. Messungen in einem unabhängigen Labor), um vollständige Akzeptanz zu erhalten und Garantieansprüche geltend zu machen.