Was vor ca. 15 Jahren in einem Leipziger Forschungs-Institut als Laborversuch startete, stellt inzwischen einen Durchbruch in der nachhaltigen Nutzung sauberer Solarenergie dar. Die Rede ist von Dünnschichtsolarmodulen, die auf einer Kunststofffolie hergestellt werden. Das erleichtert nicht nur die Fertigung, es kann in einem kostengünstigen Rolle-zu-Rolle-Prozess produziert werden, sondern eröffnet auch bei den Anwendungen ganz neue Möglichkeiten. Die Technologie basiert auf der Ionenstrahl-gestützten Abscheidung von Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) auf einem Polymersubstrat. Der Rolle-zu-Rolle Prozess ist weniger kapitalintensiv, benötigt weniger Energie, minimiert Materialverbräuche und ist dabei sehr effizient. Das Verfahren wurde patentiert und veranlasste die Forscher im Jahre 2000 zur Gründung der Solarion AG.
Schulz Electronic, Baden-Baden
Mittlerweile ist die Serienproduktion angelaufen und es werden komplett neuartige glasfreie Photovoltaikmodule gefertigt. Die flexiblen Module eignen sich insbesondere zur direkten Applikation auf Bedachungsmaterialien wie z. B. Bleche oder Dachfolien. Dadurch kann auf zusätzliche Aufständerungen verzichtet werden, was deutliche Kosteneinsparungen bei Materialeinsatz und Montage verursacht. Mit den äußerst leichtgewichtigen Modulen lassen sich Solarstromanlagen auch auf solchen Dächern realisieren, die bisher wegen statischen Einschränkungen nicht dafür geeignet waren.
Die Ionenstrahl-gestützte Deposition eignet sich sehr gut für die Herstellung dünner Schichten. Dazu werden Metalle verdampft und Gasmoleküle durch Ionenquellen dissoziiert und ionisiert und scheiden auf dem Substrat als aktive Schichten ab. Die Mikrostruktur, die chemischen Eigenschaften sowie Texturierung der Beschichtungen kann schon während des Herstellungsprozesses gezielt beeinflusst werden. Das Verfahren bewährte sich im Labormaßstab. Die Herausforderung bestand nun darin, es auch großtechnisch nutzbar zu machen. Eine Schlüsselrolle kommt dabei den Stromversorgungen zu, welche die Heizer und Verdampfereinheiten speisen. Um qualitativ gute Schichten zu erhalten, müssen die elektrischen Parameter mit einer Auflösung von 14 Bit einstellbar sein, das entspricht einer Genauigkeit von einem 16-tausendstel des Wertebereichs. Und nur, wenn die Langzeitstabilität mindestens 10–4 beträgt, kann das Verfahren dauerhaft und zuverlässig eine gute Ausbeute erbringen.
Schon früh kamen die Leipziger Forscher mit dem Stromversorgungs-Spezialist Schulz-Electronic in Kontakt. Das Baden-Badener Unternehmen unterhält in Berlin eine Niederlassung und konnte von dort die Versuche mit der Ionenstrahl-gestützten Abscheidung aktiv begleiten. Michael Neeb, er leitet die Niederlassung in Berlin, erinnert sich: „Wir hatten die passenden Geräte in unserem Portfolio, aber dennoch gab es viel zu versuchen und zu diskutieren. Ich war seinerzeit oft in Leipzig bei Solarion.“ Eine verbesserte Vakuumanlage in der Pilotlinie zur Produktion der Solarzellen wurde bereits 2008 mit Stromversorgungsgeräten von Schulz-Electronic angefahren. Kurz zuvor wurde die erste Anlagengeneration erfolgreich auf stabile DC-Netzteile umgerüstet. Der intensive Austausch während der Erprobungsphase vertiefte das Verhältnis der Solarion-Fachleute zu den Stromversorgungs-Spezialisten von Schulz-Electronic.
Das Abscheidungs-Verfahren ist ein kontinuierlicher Fertigungsprozess, der große Anforderungen an die Zuverlässigkeit der eingesetzten Geräte stellt. Mit redundanten Verschaltungen sorgten die Ingenieure dafür, dass der Ausfall einer Stromversorgung nicht den Fertigungsprozess gefährdet. Wohl aber forderten sie, dass es möglich sein muss, ein defektes Netzgerät im laufenden Betrieb zu tauschen. Auch wenn die Herstellung der Dünnschicht-Solarmodule Ressourcen-schonender als die herkömmlicher Solarzellen ist, ist der Energiebedarf dennoch respektabel. Ein großer Verdampfer wird mit ca. 6kW Heizleistung betrieben, ein mittlerer verlangt immerhin nach 2,5kW Heizleistung.
Für 2012 plante Solarion den Schritt in die Serienfertigung. In Zwenkau bei Leipzig wurde eine 20 MW-Fabrik gebaut. Die hochmoderne Fertigung war in der zweiten Jahreshälfte 2012 voll leistungsfähig. Schulz-Electronic wurde mit der Konzeption und Lieferung der Stromversorgung für die Heizer und Verdampfer betraut. Michael Neeb: „Als große Herausforderung stellten sich die Vorgaben zum Wärme-Management heraus. Die Geräte sollten über wassergekühlte Wärmetauscher gekühlt werden. Allerdings stand uns nur Kühlwasser zu Verfügung, das bis zu 30°C warm ist. Die Netzteile bringen ihre volle Leistung ohne Derating bei bis zu ca. 60°C. Uns stand nur ein Δt von 30K zur Verfügung und wir mussten die Wärmetauscher entsprechend großzügig dimensionieren.“
In den insgesamt vier Doppel- und zwei Einzel-Racks finden wir sowohl Geräte der Hersteller Delta Elektronika als auch TDK-Lambda. Die erste Anlage ist mit 64 Netzteilen vom Typ SM 120–25d bestückt. Jedes der Geräte leistet 3.000W, ist kurzschlussfest und geschützt gegen Überlastbedingungen. Die Ausgangsspannung zeichnet sich durch sehr geringe Restwelligkeit aus bei einer Stabilität von besser als 0,01%. Der Wirkungsgrad der Netzteile liegt über 87%. Die Gesamtleistung der drei Racks summiert sich auf über 190kW.
In der zweiten Anlage kommen Netzteile der Genesys-Serie von TDK-Lambda mit einer Gesamtleistung von 330kW zum Einsatz. Die Geräte sind sehr kompakt und übertreffen bezüglich Einstellgenauigkeit und Langzeitstabilität die Forderungen des Betreibers. Geräte der Genesys-Serie werden daher auch häufig für Halbleiter-Prozesse und Burn-ins verwendet.
Die Geräte beider Hersteller sind für lange störungsfreie Lebensdauern ausgelegt. Die MTBF der Genesys-Serie beispielsweise liegt bei ca. 40.000 Stunden. Dr. Hendrik Zachmann, der Projektleiter für die elektronische Ausrüstung bei Solarion, äußerte sich sehr zufrieden: „Die Geräte laufen absolut stabil, es gab bislang keine Ausfälle.“ Das Unternehmen hatte die Steuerung der Geräte per Profibus geplant. Da es für einige Geräte kein integriertes Profibus-Interface gab, wurde für jeweils zwei bzw. vier Stromversorgungen ein Profibus <-> RS232 Umsetzer eingesetzt. Die Umsetzer können durch die Techniker des Unternehmens selbst konfiguriert und programmiert werden. „Die Stromversorgungen kann man relativ einfach einzeln vom Bussystem abkoppeln und austauschen; danach wird die physische und logische Verbindung zur neuen Stromversorgung wiederhergestellt.“ kommentiert Neeb.
Michael Neeb: „Wir haben dem Kunden in diesem Projekt ein komplettes schlüsselfertiges Stromversorgungssystem nach seinen Anforderungen für die Heizer und Verdampfer in der Beschichtungsanlage geliefert. Die Racks sind fachgerecht mit den Stromversorgungen, Wärmetauscher und kompletter AC-Verdrahtung samt Absicherung bestückt. Alle Geräte sind über Profibus-Befehle erreichbar. Außerdem erhielt Solarion eine kompetente Beratung bezüglich des Wärmemanagements in den Racks und eine umfassende Inbetriebnahme samt Einweisung.“
Auch die Ersatzteilversorgung wurde ganz im Sinne des Kunden organisiert. In Anspruch nehmen musste er diesen Service bislang noch nicht. Kein Wunder, dass das Unternehmen in Aussicht stellt, bei Anlagenerweiterungen die Netzteile wieder bei Schulz-Electronic zu beschaffen.
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