Schatten auf der PV-Anlage: wann Optimierer helfen und wann nicht

Warum kostet ein kleiner Schatten mehr Ertrag als seine Fläche?

In einer Photovoltaikanlage hängt kein Modul für sich allein am Wechselrichter. Die Module sind zu einem String verschaltet, also in Reihe hintereinander. Durch eine Reihenschaltung fließt überall derselbe Strom, und wie hoch dieser Strom ausfällt, bestimmt das schwächste Glied der Kette.

Deshalb wiegt ein Schatten schwerer, als er aussieht. Liegt der Schatten eines Kamins auf ein paar Zellen eines Moduls, bremst dieses Modul nicht allein sich selbst aus, sondern den ganzen Strang, in dem es hängt. Die Größe des Schattenflecks sagt für sich genommen wenig darüber aus, wie viel Ertrag am Ende fehlt.

Eine Prozentzahl dafür nennen wir bewusst nicht. Wie stark ein Schatten wiegt, hängt daran, welche Zellen er trifft, wie lange er steht, zu welcher Tageszeit er fällt und wie die Module verschaltet sind. Wer Ihnen am Telefon einen pauschalen Verlustwert nennt, ohne Ihr Dach gesehen zu haben, rechnet mit einer Anlage, die er nicht kennt.

Was tun Bypassdioden gegen Schatten?

Gegen genau dieses Problem ist ab Werk etwas eingebaut. Heutige Module bringen Bypassdioden mit, meist in der Anschlussdose. Der Brandrisiko-Leitfaden von TÜV Rheinland und Fraunhofer ISE (2. Auflage, Juli 2015) beschreibt ihre Aufgabe so: Sie schützen die Solarzellen vor unzulässig hohen Sperrspannungen durch nicht aktive, zum Beispiel abgeschattete Zellen, und leiten den von den übrigen Modulen erzeugten Strom an den abgeschatteten Zellen vorbei.

Der zweite Teil ihrer Aufgabe ist der Schutz vor Hitze. Nach demselben Leitfaden vermeiden Bypassdioden bei einer Teilabschattung hohe Sperrspannungen an den Zellen und schützen so vor Überhitzungen im Modul, den sogenannten Hot Spots.

Ein Teil der Arbeit ist damit erledigt, bevor überhaupt jemand über Zusatzelektronik spricht. Gelöst ist das Schattenproblem damit nicht: Die Diode überbrückt den abgeschatteten Teil, sie ersetzt seine Leistung nicht.

Bypassdioden können ausfallen. Der Leitfaden nennt dafür Überspannungen bei Herstellung, Transport oder Installation und im Betrieb Blitze, die in der Nähe einschlagen. Er unterscheidet drei Fehlerfälle: permanent leitend, teilleitend oder unterbrochen. Solange ein Modul fehlerfrei und unverschattet ist, führt der Ausfall einer Bypassdiode laut Leitfaden zu keiner Beeinträchtigung des Systems. Erst eine Verschattung führt dann zu einer starken Erhitzung der betroffenen Modulbereiche und zu einem wesentlichen Ertragsverlust.

Welcher Schatten ist wirklich schädlich?

Für die Frage, ob Sie überhaupt etwas unternehmen müssen, zählt die Tageszeit mehr als die Fläche. Der Brandrisiko-Leitfaden ist an dieser Stelle deutlich: Besonders scharfe Schlagschatten bei intensiver Sonneneinstrahlung sind schädlich und sollten nicht vorkommen.

Für die Randstunden steht dort das Gegenteil. Beschattungen am Morgen oder Abend sind laut Leitfaden weniger kritisch, weil die Sonnenstrahlen unter einem relativ flachen Winkel auftreffen und die Ströme sowie die zusätzliche Erwärmung dabei relativ gering sind.

Daraus wird eine Faustregel, die Sie selbst anwenden können: Was mittags bei voller Sonne einen harten, klar umrissenen Schatten auf die Module wirft, ist der Fall, über den zu reden ist. Was nur früh oder spät einen weichen Schatten über das Dach zieht, wiegt deutlich weniger schwer.

Neben der Tageszeit zählt die Dauer. Als besten Schutz vor Hot Spots nennt der Leitfaden, die Module so zu installieren, dass Abschattungen, insbesondere länger andauernde, möglichst vermieden werden. Lange andauernde oder häufig wechselnde Abschattungsereignisse führen demnach oftmals zu einer thermischen Überlastung und erhöhtem Zyklenstress von Bypassdioden.

Was lässt sich mit guter Planung ohne Zusatztechnik lösen?

Die Verbraucherzentrale nennt eine möglichst verschattungsfreie Dachfläche als eine der wichtigen Bedingungen für eine Photovoltaikanlage. Das ist der Ausgangspunkt, und daraus folgen drei Hebel, die in der Auslegung stecken und keine weitere Hardware brauchen.

Der erste ist die Modulbelegung. Eine Teilfläche, die mittags im Schatten des Kamins liegt, muss nicht belegt werden. Ein Modul weniger auf dem Dach ist in solchen Fällen die ruhigere Lösung als ein Modul mit Elektronik darunter.

Der zweite ist die Aufteilung in Strings. Module, die unter ähnlichen Bedingungen stehen, kommen in denselben Strang, verschattete und unverschattete Flächen werden getrennt geführt. Möglich macht das der Wechselrichter, wenn er mehr als einen MPP-Tracker hat. Fronius beschreibt das in einem Beitrag von 2021 für den GEN24 Plus: zwei MPP-Tracker und ein zusätzlicher Batterieeingang, sodass unterschiedliche Dachausrichtungen und Teilverschattungen am Generator getrennt angeschlossen werden können.

Der dritte Hebel sitzt im Wechselrichter selbst. Bei Verschattung können auf der Kennlinie mehrere Leistungsmaxima entstehen, und das Gerät muss davon den höchsten Punkt finden. SMA gibt für ShadeFix an, die Funktion erkenne die Präsenz mehrerer Leistungsmaxima im verfügbaren Betriebsbereich und finde auch bei verschatteten Modulen den Punkt mit der aktuell höchsten Leistung. Fronius gibt für den Dynamic Peak Manager an, er erkenne jegliche Verschattung und optimiere den Ertrag auf Strangebene. Beides sind Funktionen im Wechselrichter, für die kein zusätzliches Gerät auf das Dach kommt.

Welche Bauteile dabei zusammenspielen und wie wir sie auswählen, steht auf unserer Seite zu Technik und Komponenten.

Wann lohnt sich ein Optimierer?

Ein Leistungsoptimierer ist ein zusätzliches Gerät, das unter dem einzelnen Modul sitzt. SMA beschreibt diese Geräte als DC-Optimierer oder Module-Level Power Electronics, kurz MLPE, die über einen Gleichspannungswandler Ausgangsstrom und Ausgangsspannung eines Solarmoduls beeinflussen. Praktisch heißt das: Das Modul wird vom Strang ein Stück weit entkoppelt, ein schwaches Modul zieht die anderen weniger mit herunter.

Einen Schatten entfernt ein Optimierer nicht. Er begrenzt, was der Schatten mit dem Rest des Strangs macht. Das ist der ganze Mechanismus, und daran bemisst sich, wo er eine Aufgabe hat.

Welche Nachteile haben Optimierer auf dem Dach?

Wo kein nennenswerter Schatten fällt, setzen wir keine Optimierer, weil sie dort keine Aufgabe haben. Dasselbe gilt für Schatten, der nur in den Randstunden flach über das Dach läuft.

Ein Grund dafür steckt in den Steckverbindungen. Der Wechselrichterhersteller SMA rechnet in einem Whitepaper von Anfang 2021 vor, dass ein Solarmodul üblicherweise über zwei DC-Steckverbinder verfügt und für jedes hinzugefügte MLPE-Gerät vier zusätzliche Steckverbinder nötig werden, womit sich die Zahl der Kontaktstellen verdreifacht. Diese Rechnung kommt von einem Hersteller, der Wechselrichter verkauft, und nicht von einer neutralen Prüfstelle. Nachvollziehbar bleibt sie trotzdem: Jede Steckverbindung auf dem Dach ist eine Stelle, die sauber gesetzt sein will und die später niemand von unten sieht.

Im Brandrisiko-Leitfaden von TÜV Rheinland und Fraunhofer ISE steht ein Grundsatz, der dieselbe Logik beschreibt. Er bezieht sich dort auf Sicherheitskomponenten wie Sicherungen und Schalter im Gleichstromteil: Jede zusätzliche Komponente birgt das Risiko zusätzlicher Kontaktstellen und anderer Fehlerquellen, und eine schlanke Anlage mit möglichst wenigen Komponenten hat den Vorteil, dass es weniger Punkte gibt, an denen die Anlage Schaden nehmen kann. Zu Leistungsoptimierern selbst sagt der Leitfaden nichts. Dass der Gedanke auch für sie gilt, ist unsere eigene Einschätzung.

Dazu kommt der Ort. Was unter einem Modul sitzt, erreicht später niemand ohne Gerüst oder Hubsteiger. Das spielt keine Rolle, solange alles läuft, und es spielt eine Rolle, sobald doch einmal etwas ansteht.

Für Modulwechselrichter gilt derselbe Einwand. Bei dieser Bauart sitzt der Wechselrichter direkt am Modul und wandelt den Gleichstrom schon dort in Wechselstrom, über das Dach läuft also kein langer Gleichstromstrang, an dem alle Module gemeinsam hängen. Das passt zu Flächen, bei denen ein gemeinsamer Strang ohnehin nie zusammenkommen würde: sehr kleine Belegungen, stark zerstückelte Dächer, mehrere Teilflächen mit unterschiedlicher Neigung und Ausrichtung. Der Preis dafür sind ebenfalls mehr Geräte auf dem Dach.

Zu Ertrag und Lebensdauer dieser Bauart steht hier nichts, weil uns dazu keine unabhängige Quelle vorliegt, die wir nennen könnten. Herstellerangaben allein reichen uns dafür nicht.

Wie klären wir den Schatten vor dem Angebot?

Wie stark ein Schatten bei Ihnen ins Gewicht fällt, klären wir vor der Auslegung mit Ihnen. Erst danach entscheidet sich, ob Modulbelegung und Stringaufteilung reichen oder ob einzelne Module Elektronik brauchen.

Optimierer setzen wir nicht pauschal auf jedes Dach. Wenn Ihre Fläche frei liegt, sagen wir Ihnen das auch dann, wenn ein Angebot mit Zusatztechnik für uns größer ausfiele. Was auf dem Dach nichts zu tun hat, hat dort auch nichts verloren.

Wenn Sie wissen wollen, was das für Ihr Dach bedeutet, rufen Sie an unter 07803 9254450, Montag bis Freitag von 7:30 bis 12:30 Uhr. Wie eine Anlage bei uns entsteht, steht auf der Seite zu Photovoltaikanlagen in der Ortenau.