Ressourcenbedarf Mit Mittelspannung Kupfer bei PV-Kraftwerke sparen

Kupfer wird knapp, Aluminium ist energieintensiv und PV-Kraftwerke werden immer größer. Die klassische Niederspannungsarchitektur stößt an ihre Grenzen. Ein neues Anlagenkonzept setzt deshalb auf Mittelspannung.

Photovoltaik wird nicht mehr in Gigawatt, sondern zunehmend in Terawatt gedacht. Für die kommenden Jahrzehnte wird weltweit ein massiver Ausbau erwartet, der die heutige installierte Leistung um ein Vielfaches übersteigen wird. Mit dieser Skalierung ändern sich die relevanten Fragestellungen. Während in der Vergangenheit Effizienzsteigerungen auf Modulebene im Mittelpunkt standen, rücken heute Systemaspekte in den Fokus: Materialverfügbarkeit, Infrastrukturkosten und die physikalischen Grenzen klassischer Anlagenkonzepte.

Ein wesentlicher Treiber dieser Entwicklung ist der steigende Bedarf an elektrischen Leitungen. Große Photovoltaik-Kraftwerke benötigen enorme Mengen an Kabeln, um die von den Modulen erzeugte Energie zu sammeln, zu bündeln und in das Netz einzuspeisen. Dieser Bedarf wächst schneller als die Produktionskapazitäten für leitfähige Metalle. Laut dem Global Critical Minerals Outlook 2024 der International Energy Agency übersteigt der weltweite Kupferbedarf seit 2025 das angekündigte Angebot. Diese Situation führt nicht nur zu steigenden Preisen, sondern erhöht auch das Risiko von Lieferengpässen.

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Kabel statt Module: Wo Material wirklich verbraucht wird

In einem modernen Photovoltaik-Großkraftwerk mit einer Leistung von mehreren zehn Megawatt entfällt ein erheblicher Teil des Materialeinsatzes nicht auf die Module selbst, sondern auf die elektrische Infrastruktur. Die Gesamtlänge der verlegten DC- und AC-Kabel kann mehrere hundert Kilometer erreichen. Hinzu kommen Sammelstationen, Transformatoren und Umspannwerke, die den Strom auf Netzspannung bringen.

Der Einsatz von Aluminiumkabeln hat den Kupferbedarf zwar teilweise reduziert, verschiebt das Problem jedoch nur. Aluminium ist energieintensiv in der Herstellung, verursacht hohe CO₂-Emissionen und wird in Europa ebenfalls als kritischer Rohstoff betrachtet. Damit wird deutlich, dass die Lösung nicht allein in einem Materialwechsel liegen kann, sondern in einer grundsätzlichen Überarbeitung der elektrischen Architektur.

Die physikalische Logik höherer Spannungen

Der Ansatz von PVgoesMV setzt genau an dieser Stelle an. Die zugrunde liegende Überlegung ist einfach, aber wirkungsvoll: Elektrische Leistung ist das Produkt aus Spannung und Strom. Wird bei gleicher Leistung die Spannung erhöht, sinkt der Strom. Geringere Ströme ermöglichen kleinere Leiterquerschnitte und damit einen deutlich reduzierten Materialeinsatz.

In der Praxis bedeutet dies, dass bereits eine moderate Anhebung des Spannungsniveaus erhebliche Effekte hat. Wird die Spannung verdoppelt, kann der erforderliche Leiterquerschnitt auf etwa ein Viertel reduziert werden. Dies senkt nicht nur den Bedarf an Kupfer oder Aluminium, sondern vereinfacht auch Transport, Verlegung und Montage der Kabel. Gleichzeitig reduzieren sich die Leitungsverluste, da diese quadratisch vom Strom abhängen. Lediglich die Anforderungen an die Isolation steigen.

Auswirkungen auf die gesamte Anlagenarchitektur

Die Vorteile höherer Spannungen beschränken sich nicht auf die Verkabelung. Auch die netzseitigen Komponenten profitieren. Transformatoren können bei gleichem Bauraum höhere Leistungen übertragen, wodurch sich die Anzahl der benötigten Trafostationen in großen Anlagen verringern lässt. Weniger Stationen bedeuten weniger Beton, weniger Stahl, geringeren Flächenbedarf und eine einfachere Anlagenstruktur.

Gerade bei sehr großen PV-Kraftwerken wirkt sich dieser Effekt deutlich auf die Investitionskosten aus. Die Spannungsanhebung verändert damit nicht nur einzelne Bauteile, sondern die gesamte Systemarchitektur eines Kraftwerks.

Warum der Schritt zur Mittelspannung sinnvoll ist

PVgoesMV verfolgt bewusst nicht den direkten Sprung zur Hochspannung, sondern setzt auf die untere Mittelspannungsebene. Der Grund liegt in der Balance zwischen Nutzen und technischem Aufwand. Bereits in diesem Spannungsbereich lassen sich große Teile der Material- und Kosteneinsparungen realisieren, ohne die Komplexität der Anlagen unverhältnismäßig zu erhöhen.

Die erforderlichen Anpassungen an Isolationskonzepte, Schutztechnik und Komponenten sind technisch beherrschbar. Viele bestehende Technologien können weiterentwickelt werden, anstatt vollständig neu konzipiert zu werden. Diese Einschätzung teilen auch zahlreiche Industriepartner, die das Projekt aktiv unterstützen.

Pilotanlagen als technischer Realitätscheck

Um die theoretischen Vorteile praktisch zu überprüfen, werden im Rahmen von PVgoesMV zwei Pilotanlagen in Baden-Württemberg und Rheinland-Pfalz aufgebaut. Die Anlagen verfügen über eine Anschlussleistung von jeweils rund 135 kW. Auf der DC-Seite wird mit einer Spannung von 3 kV gearbeitet, während die AC-Seite mit 1,2 kV betrieben wird.

Der eingesetzte Stringwechselrichter basiert auf Siliziumkarbid-Halbleitern mit hoher Sperrspannung und wurde am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE entwickelt. Für den Einsatz unter realen Bedingungen wird das System weiter angepasst und über mehrere Monate im Feldbetrieb untersucht.

Parallel werden unterschiedliche Stringkonzepte erprobt. Einerseits kommen etablierte 1500-V-Module mit entsprechender Erdung zum Einsatz, andererseits speziell entwickelte Modulprototypen für echte 3-kV-Strings. Dieser Ansatz erlaubt es, sowohl kurzfristig realisierbare Lösungen als auch zukünftige Systemgenerationen zu bewerten.

Von der Demonstration zur Skalierung

Ein zentrales Ziel des Projekts ist es, aus dem Pilotbetrieb belastbare Erkenntnisse für Planung, Aufbau, Betrieb und Sicherheit von Mittelspannungs-PV-Anlagen abzuleiten. Diese sollen in Prüf- und Qualitätskonzepte einfließen und die Grundlage für zukünftige Normen bilden. Gleichzeitig erhalten die beteiligten Hersteller wertvolle Rückmeldungen für die Weiterentwicklung ihrer Produkte.

Damit ist PVgoesMV mehr als ein technisches Experiment. Das Projekt adressiert eine der zentralen Fragen des künftigen PV-Ausbaus: Wie lässt sich Solarenergie nicht nur erneuerbar, sondern auch material- und kosteneffizient im Terawattmaßstab realisieren? Die Anhebung des Spannungsniveaus auf Mittelspannungsebene erweist sich dabei als konsequenter und physikalisch naheliegender Schritt. (mr)

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