Mikrowechselrichter - Aufbau, Funktion, Einsatzgebiete und Vorteile auf einen Blick

Wichtiges zu Mikrowechselrichtern auf einen Blick

• Mikrowechselrichter haben sowohl Vor- als auch Nachteile, daher muss ihr Einsatz auf die PV-Anlage und die Gegebenheiten vor Ort abgestimmt werden
• Ein Mikrowechselrichter wandelt für ein PV-Modul Gleichstrom in Wechselstrom um, mehrere Mikrowechselrichter müssen daher mehrere PV-Module unabhängig voneinander versorgen
• Vor allem bei Dächern mit ungünstigen Neigungswinkeln oder überdurchschnittlicher Beschattung sind solche Mikrowechselrichter eine gute Wahl
• Nachteilig sind die vergleichsweise hohen Anschaffungs- und Reparaturkosten

So funktioniert ein Mikrowechselrichter

Vorab sollten Sie wissen, dass Photovoltaikanlagen beziehungsweise deren Module immer Gleichstrom erzeugen. Die meisten Ihrer Haushaltsgeräte sind aber auf Wechselstrom angewiesen, weshalb die erzeugte Energie zunächst umgewandelt werden muss, bevor sie tatsächlich im Haushalt verbraucht werden kann. Genau diese Aufgabe übernehmen Mikrowechselrichter, aber auch andere Inverter wie beispielsweise String-Wechselrichter können die Umwandlung vornehmen. Letztere sind bei größeren Anlagen das Mittel der Wahl, während Modulwechselrichter nicht ausschließlich, aber zu einem sehr großen Teil bei kleineren Photovoltaikanlagen zum Einsatz kommen.

Die Besonderheit von Mikrowechselrichtern ist ihre Funktionsweise direkt am PV-Modul. Während herkömmliche Wechselrichter den generierten Gleichstrom ganzheitlich für die gesamte PV-Anlage in Wechselstrom umwandeln, geschieht dies beim Mikrowechselrichter lediglich an einem einzelnen Modul. Folglich benötigen mehrere PV-Module auch mehrere Mikrowechselrichter - an dieser Stelle wird bereits deutlich, warum solche Modulwechselrichter vorwiegend bei kleineren Anlagen zum Einsatz kommen.

Abgrenzung gegenüber gewöhnlichen Wechselrichtern

Durch die Umwandlung des Stroms eines einzelnen Moduls wird zugleich der für PV-Anlagen sonst typische "Lichterketteneffekt" vermieden. Statt einer reinen Reihenschaltung ist ein Parallelbetrieb zum AC-Netz möglich. Der umgewandelte Strom eines einzelnen Moduls kann, sobald es sich um Wechselstrom handelt, dann im Haushalt genutzt oder wird wie gewohnt gegen Vergütung in das öffentliche Netz eingespeist werden.

Eine weitere Besonderheit im direkten Vergleich zeigt sich bei einer näheren Betrachtung der Betriebsspannung - die unmittelbar vom Modul selbst bereitgestellt wird. Das bedeutet, dass sich der Mikrowechselrichter in der Nacht automatisch ausschaltet, da die Solaranlage zu dieser Zeit offensichtlich keinen Solarstrom erzeugt. Selbiges gilt für längere Schattenphasen.

Die Geräte arbeiten immer netzgeführt, wodurch eine Anpassung hinsichtlich der Phasenlage, Frequenz und Spannung notwendig ist, bevor der Strom-Ertrag tatsächlich im Wechselstromnetz landet. Dies erledigen die Geräte selbstständig über eine sogenannte "Netzanalyse", die im Regelfall nur rund eine bis zwei Minute(n) in Anspruch nimmt. Daraus resultiert wiederum die Eigenheit der langsam ansteigenden Einspeisung elektrischer Leistung.

Wichtig: Die Installation und Wartung eines Modul-Wechselrichters gehört in die Hände eines Fachmanns! Die Anlagen dürfen beispielsweise auf gar keinen Fall unter Gleichspannung direkt am Modul getrennt werden, sofern noch eine Anbindung zum Stromnetz besteht. Selbst nach einer Trennung besteht noch Lebensgefahr, wenn der Leitungsschutzschalter nicht umgelegt wurde.

Mehr zur Verbreitung der Modulwechselrichter

In Deutschland galten jahrelang die klassischen String-Wechselrichter als das Mittel der Wahl. Dies ist zwar auch heute noch der Fall, generell haben Mikrowechselrichter in der jüngeren Vergangenheit jedoch zusehends an Bedeutung gewonnen. Deutschland galt mit seinem hohen Anteil an String-Wechselrichtern als globale Ausnahme, bei unseren europäischen Nachbarn oder beispielsweise in den USA sind Mikro-Wechselrichter bereits seit längerer Zeit weitverbreitet.

Es überrascht daher nicht, dass die größten Mikrowechselrichter nicht aus Deutschland oder anderen europäischen Ländern kommen: Enphase Energy mit ihrer renommierten IQ-Systems-Serie, APsystems (beide USA) und Hoymiles (China) teilen sich einen Großteil der Marktanteile in diesem Segment. Die drei genannten Hersteller arbeiten mittlerweile sogar mit intelligentem Software-Monitoring, wodurch sich Fehler und Ertragseinbußen schneller identifizieren und diagnostizieren lassen.

Ausgestattet mit einer Remote-Funktion, kann der von Ihnen beauftragte Fachbetrieb sogar Ferndiagnosen stellen oder z. B. das System aktualisieren, ohne selbst bei Ihnen vor Ort sein zu müssen.

Welche Vorteile bringt ein Mikrowechselrichter mit?

Alle in der Folge genannten Vor- und Nachteile ergeben sich aus einem direkten Vergleich mit einem herkömmlichen Wechselrichter. Da Sie sich letztendlich zwischen diesen beiden Optionen entscheiden müssen, wobei Ihre Entscheidung von der Dachbeschaffenheit, der Beschattung und der Anlagengröße/-konzeption beeinflusst wird, ist ein Vergleich zwischen Wechselrichter und Mikrowechselrichter in der Planungsphase zwangsläufig unumgänglich.

Selbstverständlich sollte Sie der beauftragte Fachbetrieb entsprechend beraten und diese Überlegungen für Sie übernehmen. Durch die Kenntnis der Vor- und Nachteile von Wechselrichtern und Mikro-Wechselrichtern müssen Sie sich allerdings nicht blind auf Andere verlassen und können eigenständig eine Entscheidung treffen.

Erweiterungsmöglichkeiten auf Modulebene

Beim Einsatz von herkömmlichen Wechselrichtern sollte die Leistung jedes einzelnen Solarmoduls gleich sein, des Weiteren bestimmt die Anlagengröße die Leistung des Wechselrichters. Anders verhält es sich bei Mikrowechselrichtern, die, wie eingangs beschrieben, lediglich an ein einzelnes Modul gekoppelt sind.

Diese Funktionsweise sorgt dafür, dass die PV-Anlagen flexibel skalierbar bleiben. Durch die unabhängige Arbeitsweise eines Mikrowechselrichters kann die Anlage flexibel um weitere Module erweitert werden, die dann im Gegenzug ihren jeweils eigenen Mikroinverter erhalten.

Sowohl String-Wechselrichter als auch Leistungsoptimierer an einer größeren Anlage machen eine spätere Erweiterung hingegen zu einem komplexen Thema - zudem müssen die Komponenten typischerweise herstellerbezogen aufeinander abgestimmt werden, was ein weiteres Problem darstellt, insbesondere sofern der Hersteller beispielsweise nicht mehr am Markt tätig ist.

Sofern Sie sowieso darüber nachdenken, die PV-Module der Anlage später einmal zu erweitern oder Sie beispielsweise einen höheren Anteil Ihres Stromverbrauchs durch die Eigengeneration decken möchten, ist all das mit einem Modulwechselrichter einfach umsetzbar und ein wichtiger Vorteil gegenüber herkömmlicher Wechselrichter.

Modulwechselrichter können das Sicherheitsniveau der Anlage steigern

Durch Modulwechselrichter fließt der gleiche Strom wie in Steckdosen, nämlich Wechselstrom. Das wiederum gewährleistet eine höhere Sicherheit im Vergleich zum Hochleistungs-Gleichstrom. Bei einem Stromausfall, zum Beispiel aufgrund von Überschwemmung, Brand oder ähnlichen Vorkommnissen, steht bei Mikrowechselrichtern lediglich der hervorstehende Draht unter Spannung, während bei größeren Wechselrichtern noch alle einzelnen Module und Kabel unter Strom stehen.

Bei sach- und fachgerechten Installationen von Solaranlagen geht von diesen im Regelfall aber sowieso keine nennenswerte Gefahr aus. Eine ordnungsgemäße Montage ist stets, unabhängig vom Inverter, die Grundvoraussetzung für einen sicheren Betrieb! Der integrierte NA-Schutz, entsprechend der Niederspannungsrichtlinie sowie den Vorgaben aus der Richtlinie VDE 4105, steigert das Sicherheitsniveau solcher parallel geschalteten Anlagen zusätzlich.

Keine gegenseitige Leistungsabhängigkeit

Bei Strang-Wechselrichtern sind, wie der Name schon aussagt, die jeweiligen Module in Reihe geschaltet. Kommt es bei einzelnen Modulen zu einem Leistungsabfall, reduziert sich somit die Leistung der gesamten Anlage. Dieses Problem tritt bei Modulwechselrichtern nicht auf, da jeder Inverter für ein Modul zuständig ist. Dies liegt wiederum an der Parallelschaltung der jeweiligen PV-Module und deren Invertern.

Des Weiteren ist kein separater, zusätzlicher Zähler notwendig, die Verrechnung der generierten Energie kann also auch von Mietern eigenständig und ohne Abhängigkeit vom Vermieter vorgenommen werden.

Langlebig und kompakt

Modulwechselrichter zeichnen sich durch eine kompaktere Bauform als größere Wechselrichter aus, was nicht verwunderlich ist, da ein solcher Modulwechselrichter nicht für die gesamte Anlage und alle Module, sondern nur für ein Modul zuständig ist. Die kompakte Bauweise ermöglicht eine Installation auch bei beengten Platzverhältnissen.

Des Weiteren haben die Gehäuse von Modulwechselrichtern die Schutzklasse IP65. Damit sind sie komplett berührungssicher, auch Staub und Strahlwasser können nicht zur eigentlichen Technik vordringen. Ein sicherer Betrieb ist bei Temperaturen zwischen -25 °C und 70 °C möglich. Als zusätzlicher Schutz dient eine Abschaltautomatik, die bei Temperaturspitzen außerhalb der genannten Betriebstemperaturspanne den Modulwechselrichter automatisiert abschaltet, um sich selbst und das Haus zu schützen.

Mit Mikrowechselrichtern lässt sich bei vermehrter Verschattung die Effizienz steigern

Zunächst soll hier mit einem Gerücht aufgeräumt werden: Ja, Photovoltaik-Module generieren auch ohne Sonne Strom - aber natürlich nicht entsprechend ihres Potenzials. Beschattungsphasen sollten daher bereits in der Planungsphase, sofern es die Immobilie und das Grundstück zulassen, reduziert oder sogar gänzlich eliminiert werden.

Ist eine regelmäßige Teilbeschattung nicht zu vermeiden, ergeben sich weitere Vorteile von Mikrowechselrichtern gegenüber Anlagen mit String-Wechselrichtern. Häufige Beschattungen können die Lebensdauer von String-Wechselrichtern reduzieren, wenn sie vermehrt auf ein einzelnes Solarmodul treffen. Im Allgemeinen kann von einer Lebensdauer von bis zu 25 Jahren ausgegangen werden.

Hierbei ist die Serienschaltung der Solarzellen zu berücksichtigen. Diese funktioniert so lange einwandfrei und effizient, wie alle Module einen identischen Wirkungsgrad beziehungsweise Leistungsertrag vorweisen. Schwankt dieser zwischen einzelnen Modulen hingegen stark, führen diese unterschiedlichen Leistungen zu einem Widerstand und dieser wiederum zu einem Temperaturanstieg.

Bis zu einem gewissen Grad kann dies jedes Modul aufgrund der harten und temperaturresistenten Baumaterialien problemlos verkraften. Bei einer Häufung von größeren Schwankungen reduziert sich aber die erwartete Lebenszeit der Module von ursprünglich 25 Jahren signifikant.

Bypass-Dioden verdienen gesonderte Aufmerksamkeit

Natürlich fällt ein System mit Wechselrichtern nicht plötzlich aus, nur weil die Modulleistung schwankt, einzelne Teile beschattet werden und folglich Temperaturschwankungen auftreten. Neben der Produktqualität und der Robustheit der Materialien ist dies den eingebauten Bypass-Dioden zu verdanken.

Diese kleinen Dioden unterteilen die Paneele in mehrere Teilbereiche und schalten einige davon ab, wenn sie beispielsweise stark verschmutzt oder komplett beschattet sind, um Temperatursprünge in weiteren Teilen des Moduls zu verhindern. Die Zuverlässigkeit solcher Systeme ist unbestritten. Ebenso aber die begrenzte Lebensdauer von Bypass-Dioden, die jedes Mal, wenn sie auf diese Weise das Paneel schützen, ein Stück weit erodieren. Sind diese Bypass-Dioden täglich in Betrieb, wird der Verschleiß nicht lange auf sich warten lassen.

Einmal defekt, sind die Bypass-Dioden von String-Wechselrichtern entweder dauerhaft an oder ständig ausgeschaltet. Beides ist alles andere als optimal. Immer eingeschaltet, erzeugt dieser Teil des Moduls keinen Ertrag mehr. Immer ausgeschaltet, entfällt deren Schutzfunktion und Überhitzungen sind möglich.

Dies sind typische Probleme von String-Wechselrichtern, während Mikro-Wechselrichter davon nicht betroffen sind. Deren einzelnen Zellen durchfließt dann nämlich nicht mehr der komplette Strom aus den Systemen, sondern lediglich der vom jeweiligen Modul, woraus automatisch ein höheres Schutzniveau resultiert. Bypass-Dioden sind natürlich auch in Mikro-Wechselrichtern installiert, sie haben im Gegensatz zu String-Wechselrichtern aber weniger Arbeit zu verrichten - und halten dadurch länger.

Welche Nachteile haben Mikroinverter?

Nun haben wir Ihnen die Vorteile und Stärken von Mikroinvertern vorgestellt. Dennoch sollten Sie bedenken, dass es innerhalb dieser Systeme auch Schwächen gibt, die Sie gemeinsam mit dem beauftragten Fachbetrieb während der Planung analysieren sollten, bevor die Anlage tatsächlich auf dem Dach installiert wird. Im Folgenden stellen wir Ihnen die wesentlichen Nachteile von Mikrowechselrichtern vor.

Höhere Anschaffungskosten als für einen Stringwechselrichter

Ein Stringwechselrichter reicht aus, um innerhalb der gesamten Anlage die Konvertierung von Gleichstrom zu Wechselstrom vorzunehmen. Bei einem modularen Aufbau ist das natürlich nicht mehr der Fall, Sie benötigen also mehrere Mikroinverter, was wiederum zu höheren Kosten führt. Je mehr Module, desto mehr Modul-Wechselrichter sind notwendig, folglich steigen die Kosten proportional.

Mehr Bauteile bedeutet auch: Es kann mehr kaputtgehen

Eine alte Weisheit in der Elektrik und dem Ingenieurwesen greift auch hier: Je mehr Komponenten, desto mehr kann kaputtgehen. Während ein Stringwechselrichter bei einem Defekt durch einen anderen ersetzt wird, steigt bei zehn Mikrowechselrichtern auf dem Dach die Wahrscheinlichkeit, dass einer oder mehrere im Laufe der Zeit irreparabel beschädigt werden oder zumindest gewartet werden müssen.

Der Unterschied im Preis, was die Anschaffung und Wartung anbelangt, ist typischerweise aber marginal. So ist bei den Investitionskosten eines Wechselrichters mit rund 4.550 Euro (ohne Optimizer) zu kalkulieren, während 30 Module und entsprechende Mikrowechselrichter rund 5 % mehr kosten würden.

Fazit: Gleiches Funktionsprinzip, aber mit spezifischen Einsatzmöglichkeiten

Die Aufgabe eines Wechselrichters unterscheidet sich nicht von der seines "kleinen Bruders": Sowohl Mikro- als auch gewöhnliche String-Wechselrichter wandeln Gleichstrom in Wechselstrom um. Das Potenzial eines Mikrowechselrichters liegt in seiner spezialisierten Verwendung - insbesondere auf einem Dach mit suboptimalem Winkel und/oder Beschattung.

Der Wirkungsgrad der Mikrowechselrichter ist ebenfalls nicht pauschal höher, viel mehr helfen diese Komponenten lediglich Verluste zu reduzieren, die anderenfalls bei in Strang geschalteten Bauweisen auftreten würden. Eine große Stärke ist die Skalierbarkeit: Spätere Erweiterungen sind kein großes Hindernis und wirtschaftlicher, als wenn das verbaute Modell des Wechselrichters kontinuierlich ausgetauscht werden müsste.

Dank der relativ einfachen Installation, die aber dennoch nicht in die Hände von Laien gehört, können Mikroinverter auch von nicht-spezialisierten PV-Installateuren installiert werden. Die komplexe Verkabelung entfällt bei Mikrowechselrichtern, die standardisierte Installation machen sich mittlerweile auch viele Anbieter am Markt mit entsprechenden Systemlösungen zu Nutze.