Malta testet Systeme, die Solarplattenfehler und Produktionsverluste früher erkennen können.

Forscher haben zehn Solaranlagen aus Malta als Laboratorien unter realen Bedingungen genutzt, um Methoden zu testen, mit denen Störungen und Produktionsverluste identifiziert werden können, bevor sie größere Probleme verursachen. Das Projekt PROMISE, finanziert durch das europäische Programm Horizon, kombinierte Sensoren, digitale Zwillinge der Anlagen, automatische Datenanalyse und praktische Schulungen für Techniker in einer Umgebung, die sehr heißen Sommern, salzhaltiger Luft und Episoden von Saharastaub ausgesetzt ist.

Kurz gesagt, Malta hat etwa 3.000 Sonnenstunden pro Jahr, aber die hohen Temperaturen, die Meeresluft und die Saharastaubstürme schaffen schwierige Bedingungen für den langfristigen Betrieb von Photovoltaikanlagen. Die Forscher überwachten zehn reale Anlagen mit Sensoren, die die Stromproduktion, die Sonneneinstrahlung, den Wind und die Temperatur messen. Die Daten können anzeigen, wann eine Wartungsintervention erforderlich ist. Das Projekt entwickelte digitale Zwillinge der Anlagen und KI-basierte Werkzeuge zur Testung von Szenarien und zur automatischen Identifizierung von Abweichungen, die auf eine Störung hinweisen können. Studenten und Techniker wurden geschult, die Paneele durch visuelle Inspektionen, Fotografien, Checklisten und Elektrolumineszenztests zu überprüfen, die Risse oder versteckte Mängel aufzeigen können. Kleine Solaranlagen machen etwa die Hälfte der europäischen Photovoltaik-Kapazität aus und können ähnliche Überwachungs- und Wartungsprobleme haben, insbesondere wenn die Eigentümer keine spezialisierten Wartungsverträge haben.

Malta bietet günstige Bedingungen für die Erzeugung von Solarstrom, ist aber auch eine anspruchsvolle Umgebung für die Ausrüstung. Die Insel hat etwa 3.000 Sonnenstunden pro Jahr, und die Paneele sind gleichzeitig hohen Temperaturen, Feuchtigkeit und salzhaltiger Luft sowie regelmäßig aus der Sahara herangeführtem Staub ausgesetzt.

Diese Bedingungen ermöglichen es den Forschern, Probleme in einem kürzeren Zeitraum zu beobachten, die in anderen Teilen Europas langsamer auftreten können. Der Präsident der Foundation for Innovation and Research – Malta und Koordinator des Projekts PROMISE, Brian Azzopardi, erklärte, dass Systeme, die in der maltesischen Umgebung bestehen, auch in anderen europäischen Regionen mit weniger strengen Bedingungen funktionieren sollten.

PROMISE hat über drei Jahre Methoden zur Verbesserung der Überwachung, Wartung und Zuverlässigkeit von Photovoltaikanlagen untersucht. Das Projekt konzentrierte sich nicht nur auf die Leistung neuer Paneele, sondern auch darauf, wie bereits installierte Anlagen länger in Betrieb gehalten werden können.

Die Nutzung von Solarenergie hat in Malta seit etwa 2010 schnell zugenommen, unterstützt durch öffentliche Zuschüsse und Gemeinschaftsprogramme. Laut einer Schätzung von Azzopardi hat der Adoptionsgrad etwa 20 %–22 % erreicht, nachdem er zuvor nahezu nicht existent war.

Die Zunahme der Anzahl der Anlagen hat das Wartungsproblem sichtbarer gemacht. Eine Photovoltaikanlage kann weiterhin Strom produzieren, auch wenn ein oder mehrere Paneele nicht mehr mit normaler Kapazität funktionieren. Der Eigentümer kann die Störung erst bemerken, wenn der Produktionsverlust groß genug wird, um in Rechnungen oder in den allgemeinen Daten des Systems sichtbar zu werden.

Eine Verzögerung kann die Verschlechterung oder Ansammlung von Produktionsverlusten ermöglichen. Das Projektteam hat versucht, Veränderungen früher zu identifizieren, bevor die Störung für den Eigentümer offensichtlich wird.

Die Forscher haben kommerziell verfügbare Sensoren installiert, die die Menge an produziertem Strom, die Solarstrahlung, die Temperatur und die Windgeschwindigkeit messen. Der Vergleich der tatsächlichen Produktion mit dem Wetter und den Betriebsbedingungen ermöglicht die Unterscheidung zwischen einem normalen Rückgang, der durch Wolken verursacht wird, und einem Verlust, der auf ein technisches Problem hinweisen kann.

Die Daten wurden in ein Überwachungssystem eingegeben, das schätzt, wann Wartung erforderlich sein könnte. Ziel ist es, dass Überprüfungen und Reparaturen geplant werden können, bevor das Problem einen signifikanten Rückgang der Produktion verursacht.

Das Team hat auch digitale Zwillinge entwickelt, digitale Nachbildungen der realen Anlagen. Ein solches Modell reproduziert das Verhalten des Systems und ermöglicht die Testung verschiedener Situationen, ohne direkt in die physische Anlage eingreifen zu müssen.

Die Forscher können die von den Paneelen empfangenen Daten mit den Ergebnissen vergleichen, die das Modell unter denselben Bedingungen als normal betrachtet. Eine anhaltende Abweichung zwischen dem tatsächlichen Verhalten und dem geschätzten Verhalten kann auf eine Störung, eine neue Verschattung, Schmutz, die Beschädigung eines Paneels oder ein Problem mit einer anderen Komponente hinweisen.

KI-basierte Werkzeuge analysieren kontinuierlich die Daten und signalisieren automatisch Anomalien. Das System repariert die Anlage nicht und stellt nicht selbstständig mit Sicherheit die Ursache eines Problems fest, kann jedoch die Aufmerksamkeit des Technikers auf einen Punkt lenken, der überprüft werden muss.

Die Überwachung fand in zehn „Living Labs“ statt, realen Anlagen, die gleichzeitig zur Energieerzeugung, Forschung und Ausbildung von Fachleuten genutzt wurden. Dieser Ansatz ermöglicht die Testung von Werkzeugen unter Alltagsbedingungen, ohne sich ausschließlich auf im Labor durchgeführte Experimente zu beschränken.

Photovoltaikanlagen können aus verschiedenen Gründen an Leistung verlieren. Staub, Schmutz und Vogelkot können das Licht reduzieren, das die Zellen erreicht. Der Bau eines nahegelegenen Gebäudes kann eine Schattenzone schaffen, die bei der Installation der Paneele nicht existierte, und Temperaturen, Salz und mechanische Belastungen können zur Beschädigung der Komponenten beitragen.

Photovoltaikanlagen haben nur wenige bewegliche Teile, aber das bedeutet nicht, dass sie keine Überprüfungen benötigen. Kabel, Verbindungen, Wechselrichter, Halterungen und die Oberfläche der Paneele können Defekte oder Verschlechterungen aufweisen, die die Produktion reduzieren oder die Sicherheit der Anlage beeinträchtigen.

Das Problem ist besonders relevant für kleine Anlagen auf Wohngebäuden. Die Eigentümer haben nicht immer umfassende Wartungsverträge oder fortschrittliche Überwachungssysteme, und einige Störungen können über einen längeren Zeitraum unbemerkt bleiben.

Das Projekt hat die Schulung des Personals als Teil desselben Problems behandelt. Die Ausweitung der Solarenergie schafft die Notwendigkeit für Techniker und Forscher, die das Funktionieren der Anlagen verstehen, Daten interpretieren und physische Mängel identifizieren können.

Die Studenten, die an den internationalen Sommerschulen teilnahmen, besuchten die Anlagen und arbeiteten mit Daten aus realen Systemen. Sie lernten, visuelle Inspektionen durchzuführen, zu fotografieren und Mängel zu dokumentieren sowie strukturierte Checklisten zu verwenden.

Eine fortschrittlichere Methode, die in der Ausbildung verwendet wurde, war die Elektrolumineszenz. Während des Tests wird Strom in umgekehrter Richtung in ein Solarpanel eingespeist, und die Zellen emittieren ein sehr schwaches, für das menschliche Auge unsichtbares Infrarotlicht.

Spezialisierte Kameras können dieses Licht aufzeichnen und Bereiche zeigen, in denen die Zellen nicht gleichmäßig funktionieren. Die Methode ermöglicht die Erkennung sehr kleiner Risse und anderer Mängel, die möglicherweise nicht sichtbar sind, wenn das Panel von außen untersucht wird.

Das Team hat auch Spiele, Zuordnungsübungen und Simulationen zur Schulung der Teilnehmer verwendet. Eines der Spiele simuliert die Situation eines Technikers, der eine Anlage diagnostizieren, entscheiden muss, welche Eingriffe erforderlich sind, und ein Wartungsbudget verwalten muss.

Die Übung spiegelt wider, dass Wartung nicht nur die Identifizierung eines Mangels bedeutet. Der Techniker muss die Daten interpretieren, die Priorität der Intervention festlegen, die Kosten besprechen und die Reparatur mit dem Eigentümer oder Verwalter der Anlage koordinieren.

Für ein jüngeres Publikum haben die Forscher auch eine Show namens „Dance of the Photon“ erstellt, in der die Bewegung der Tänzer die Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität innerhalb einer Photovoltaikzelle erklärt. Die Aktivität wurde entwickelt, um einen technischen Prozess in einer leichter nachvollziehbaren Form zu präsentieren.

Die Bedeutung der Wartung ist nicht auf Malta beschränkt. Kleine Anlagen machen etwa die Hälfte der gesamten Photovoltaik-Kapazität Europas aus, laut Informationen, die im Projekt präsentiert wurden. Viele sind auf Wohngebäuden oder auf den Grundstücken kleiner Unternehmen installiert und haben möglicherweise nur eingeschränkten Zugang zu Überwachung und spezialisiertem Service.

Die in Malta getesteten Werkzeuge könnten Eigentümern und Technikern helfen, ungewöhnliche Produktionsrückgänge früher zu identifizieren. Ihre Anwendung in anderen Ländern wird von Kosten, Kompatibilität mit bestehenden Anlagen, Datenqualität und der Fähigkeit des Personals abhängen, Warnungen zu interpretieren.

Das Projekt zeigt nicht, dass jedes System, das in Malta funktioniert, automatisch überall in Europa bestehen wird. Die klimatischen Bedingungen, die Arten von Anlagen und die Ursachen von Störungen variieren zwischen den Regionen, und die Lösungen müssen für die Umgebung validiert werden, in der sie eingesetzt werden sollen.

PROMISE wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon der Europäischen Union finanziert. Das Projekt vereinte technische Forschung, Tests in realen Anlagen, digitale Werkzeuge und Schulungsaktivitäten für den Photovoltaiksektor.

Digitale Zwillinge werden in mehreren Sektoren verwendet, um das Verhalten eines Geräts oder eines physischen Systems zu reproduzieren. Im Fall von Solaranlagen ermöglichen sie den Vergleich der tatsächlichen Produktion mit der geschätzten Leistung und die Simulation der Auswirkungen von Wetter, Verschattung, Verschlechterung oder Störungen.

Prädiktive Wartung nutzt Daten, um zu schätzen, wann wahrscheinlich ein Problem auftreten wird oder wann eine Intervention erforderlich wird. Sie unterscheidet sich von Wartung, die nur nach einem Ausfall durchgeführt wird, und von Überprüfungen, die in festen Intervallen unabhängig vom Zustand der Anlage durchgeführt werden.

Die Ausweitung der Solarenergie erhöht die Anzahl der Geräte, die über mehrere Jahrzehnte überwacht werden müssen. Die tatsächliche Betriebsdauer und die insgesamt produzierte Strommenge hängen von der Qualität der Komponenten, der Installation, den lokalen Bedingungen und der Wartung nach der Installation ab.

Die in Malta gesammelten Ergebnisse und Erfahrungen können für zukünftige Forschungen und die Entwicklung von Schulungsprogrammen genutzt werden. Das veröffentlichte Material gibt nicht an, dass die geschaffenen Werkzeuge bereits kommerzielle Produkte sind, die auf allen europäischen Märkten verfügbar sind, noch quantifiziert es die Kostensenkungen oder die Verlängerung der Lebensdauer, die durch ihre Verwendung erzielt wurden.