Umrichter für PV-Solaranlagen im Megawatt-Bereich unter minimalem Ressourcen-Einsatz

Abstract

Die fortschreitende Dekarbonisierung der Stromerzeugung verlagert den Fokus der Nachhaltigkeitsbewertung erneuerbarer Energietechnologien zunehmend von der Betriebs- auf die Herstellungsphase. Insbesondere bei Photovoltaik-Freiflächenanlagen (PVFA) im Megawatt-Bereich gewinnt die in den Hauptkomponenten gebundene Embodied Energy an Bedeutung. Als potenzieller Ansatzpunkt zur Reduktion dieses Energieeinsatzes wird in der einschlägigen Literatur eine topologische Neukonfiguration der leistungselektronischen Wandlungsstufe mittels Solid-State Transformer (SST) diskutiert. Die vorliegende Arbeit untersucht, in welchem Umfang sich die spezifische Herstellenergie einer 4,15MWp-Referenzanlage durch eine Material-Modifikation der energieführenden Komponenten sowie durch eine SST-basierte Neukonfiguration der Wandlungsstufe reduzieren lässt. Methodisch erfolgt eine Material- und Komponentenanalyse der Referenzanlage „Sonnenwiese Kirchengasse“ in Klagenfurt, deren Mengengerüst in eine kumulierte Energiebilanz nach Cradle-to-Gate- und Gate-to-Gate-Ansatz überführt wird. Als Datengrundlage dienen Environmental Product Declarations der verbauten Komponenten, fachspezifische Literatur sowie eigene Berechnungen entlang von Primär- und Sekundärpfad. Aufbauend auf der Energiebilanz der Referenzanlage werden beide Optimierungsvarianten vergleichend bewertet und der SST-Variante eine überschlägige EROI-Betrachtung (Energy Return on Investment) über die Anlagenlebensdauer angeschlossen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Materialsubstitution auf Gesamtanlagenebene nur marginale Effekte erzielt, während die topologische Neukonfiguration mittels SST eine deutlich größere Reduktion der Herstellenergie im Primärpfad ermöglicht und über die reine Bilanzwirkung hinaus systemische Verteilnetzfunktionen erschließt.

The progressing decarbonisation of electricity generation increasingly shifts the focus of sustainability assessments for renewable energy technologies from the operational to the manufacturing phase. In utility-scale photovoltaic ground-mounted plants in the megawatt range in particular, the embodied energy bound in the main components gains relevance. As a potential lever for reducing this energy input, the literature discusses a topological reconfiguration of the power-electronic conversion stage by means of a Solid-State Transformer. The present work investigates to what extent the specific embodied energy of a 4.15MWp reference plant can be reduced through a material modification of the energy-conducting components and through an SST-based reconfiguration of the conversion stage. Methodically, a material and component analysis of the Sonnen.Wiese reference plant in Klagenfurt is conducted, whose mass inventory is transferred into a cumulative energy balance following a cradle-to-gate and gate-to-gate approach. The data basis comprises Environmental Product Declarations of the installed components, domain-specific literature and own calculations along a primary and secondary energy path. Building on the energy balance of the reference plant, both optimisation variants are assessed in a comparative manner, and a simplified EROI-analysis (Energy Return on Investment) over the plant lifetime is appended for the SST variant. The results show that the material substitution achieves only marginal effects at plant level, whereas the topological reconfiguration by means of an SST enables a considerably larger reduction of the embodied energy in the primary path and, beyond pure energy accounting, opens up systemic distribution-grid functionalities.