In den letzten beiden Beiträgen ging’s um das Display und den Lüfter. Heute geht’s um ein Bauteil, das in fast jedem Wechselrichter sitzt, das niemand vermisst, solange es funktioniert, und das mit hoher Wahrscheinlichkeit darüber entscheidet, wann das Gerät zum ersten Mal einen Servicetechniker sieht: der Elektrolytkondensator im Zwischenkreis.

Ich will gleich mal eins klarstellen, damit der Beitrag nicht falsch verstanden wird. Der Elko ist eigentlich ein gutes Bauteil. Er ist ein echt gutes Bauteil. Er liefert Kapazität pro Kubikzentimeter und pro Euro, an die nichts anderes herankommt. Es gibt da nur eine Sache, die alles andere überlagert: Er ist ein Verschleißteil. In ihm ist eine Flüssigkeit, die mit der Zeit verdunstet und chemisch zerfällt. Das ist kein Qualitätsproblem und auch keine Frage der Fertigung. Das ist Physik.

Die Entscheidung stand noch aus.

Der Beitrag über den Lüfter endete damit, dass ein Gerät ohne Lüfter gebaut werden muss, nicht nur ohne Lüfter geplant. Der Elko ist genau die Stelle, an der diese Entscheidung ihre Rechnung präsentiert.

Wenn du die Kühlung nicht aktivierst, steigt die Innentemperatur. Für einen SiC-Halbleiter ist das kein Problem, der hat Reserve. Für einen Elko ist das die perfekte Größe. Wir hätten also den Lüfter behalten können, um den Elko zu retten, oder den Elko ersetzen können, um den Lüfter loszuwerden. Beide Teile zusammen zu behalten, war nicht möglich, jedenfalls nicht bei einem Designziel von 20 Jahren Service Life und rund 175.000 Betriebsstunden ohne planmäßige Wartung.

Die Rechnung war der Ausschlag gebende Faktor.

Die Lebensdauer von Aluminium-Elkos mit flüssigem Elektrolyten folgt ungefähr der Arrhenius-Regel: 10 Kelvin weniger Bauteiltemperatur verdoppeln die Grundlebensdauer, 10 Kelvin mehr halbieren sie. Dabei ist die Umgebungstemperatur nicht so wichtig, sondern die Kerntemperatur des Wickels. Also die Umgebungstemperatur plus die Eigenerwärmung durch den Rippelstrom. Die Stundenangabe im Datenblatt bezieht sich auf die obere Kategorie Temperatur bei Nennrippelstrom. Die Eigenerwärmung ist also schon eingerechnet.

Hier erstmal eine kleine Vorbemerkung zum Begriff: Das Ende der spezifizierten Lebensdauer ist kein Ausfall. Es ist der Punkt, an dem die festgelegten Driftgrenzen für Kapazität, ESR und Reststrom überschritten werden. Der Kondensator läuft dann meistens weiter, aber eben außerhalb der Spezifikation, gegen die die Regelung ausgelegt wurde. Die Stundenzahl ist also teilweise eine Definitionsfrage. Wenn man eine größere Kapazitätsdrift zulässt, darf man auch mehr Stunden angeben.

Rechnen wir es durch. Ein guter Industrie-Elko hält bei 105 Grad 5.000 Stunden durch. Also, bei 175.000 Stunden fehlt der Faktor 35. Wenn man sich an die 10-Kelvin-Regel hält, sind das gut fünf Verdopplungen, also rund 51 Kelvin unterhalb der Kategorietemperatur. Die Bauteiltemperatur sollte dauerhaft bei etwa 54 Grad liegen. Das Gerät steht im Sommer dauerhaft an einer Südwand im geschlossenen Gehäuse, unter Rippelstrom und ohne Lüfter.

Nehmen wir mal einen Long-Life-Typ mit 12.000 Stunden bei 105 Grad. Dann fehlt der Faktor 14,6, also knapp vier Verdopplungen und damit etwa 66 Grad. Das ist nicht unmöglich. Es ist aber ein Punkt, bei dem wir nicht sicher sind, und wir können ihn erst in 20 Jahren überprüfen: Wo das Gerät hängt und wie warm es dort wird.

Was diese Rechnung nicht sagt, ist:

Es gibt zwei Punkte, die wichtig sind und die man berücksichtigen muss.

Erstens geht die Rechnung von Dauerbetrieb aus. Ein Wechselrichter läuft nicht 20 Jahre lang unter Nennrippel. Deshalb rechnen Hersteller mit Lastprofilen und äquivalenten Verweildauern statt mit Kalenderstunden. Wenn man zum Beispiel 40 Prozent äquivalente Volllastzeit zugrunde legt, sinkt der geforderte Faktor von 35 auf rund 14. Und die zulässige Bauteiltemperatur steigt von 54 auf etwa 67 Grad.

Zweitens berücksichtigen die Modelle der Kondensatorhersteller neben der Temperatur auch Rippelstrom und Betriebsspannung. In vielen dieser Modelle gewinnt ein Elko deutlich unterhalb seiner Nennspannung zusätzlich. Die reine Temperaturrechnung oben ist also die pessimistische Variante, und die 10-Kelvin-Regel selbst ist eine Faustformel, die nicht jeder Hersteller für seine Typen bestätigt.

Beides verschiebt das Ergebnis um etwa 10 Kelvin nach oben. Egal, wie man es dreht und wendet: Es ändert sich nichts an der Tatsache, dass die Auslegung immer noch von einer Temperatur abhängt, die wir über 20 Jahre nicht kontrollieren können, und sie sich bei jeder Abweichung von 10 Kelvin nach oben halbiert. Genau deshalb war die Diskussion an dieser Stelle vorbei. Ein Verschleißteil, das sich mit der Temperatur verändert, kann nicht mit einem Produktversprechen konkurrieren, das 20 Jahre lang gilt.

Hier ist, was stattdessen drin ist:

Im Zwischenkreis des ampareq Gen3 sind PP/MKP-Folienkondensatoren eingebaut, die mindestens 25 Jahre halten. Die Folie hat keinen Elektrolyten, der verdunsten kann.

Ein Begriff, den beide Bauteile teilen, ist aufschlussreich: Selbstheilung ist ein Thema. Der Elko heilt Fehlstellen in der Oxidschicht durch Nachformierung. Und genau das verbraucht Elektrolyt. Und genau das begrenzt dann auch die Lebensdauer des Elkos. Metallisierte Folie heilt einen Durchschlag aus, indem die hauchdünne Metallisierung rund um die Fehlstelle verdampft wird. Der Kondensator verliert dabei ein wenig Kapazität, aber er arbeitet trotzdem weiter. Der Begriff hat zwei ganz unterschiedliche Bedeutungen und hat zwei völlig verschiedene Konsequenzen. Die Folie altert langsam, und man kann das auch messen. Der Elko ist auch nicht mehr der Jüngste.

Die Folie ist aber nicht unkaputtbar. Sie altert auch, und zwar temperaturabhängig. Außerdem ist sie empfindlich gegen Feuchtigkeit. Deshalb ist das Derating hier so eine Art Auslegungsregel und kein Notnagel: Wir bemessen den Zwischenkreiskondensator gegen 85 Grad, obwohl das Datenblatt 105 Grad zulässt. Die 20 Kelvin Abstand sind sozusagen die Reserve für alles, was wir im Feld nicht kennen.

Und wie sieht’s mit dem Preis aus?

Die Serie heißt so, weil jede dieser Entscheidungen was gekostet hat. Hier ist die Rechnung.

Hier ist der Bauraum. Folie hat einfach eine viel geringere Kapazität pro Volumen als Elektrolyt. Der Zwischenkreis ist damit vom unauffälligen Bestückungsposten zum größten passiven Block im Gerät geworden. Er hat inzwischen die Anordnung der Leistungsstufe mitbestimmt, nicht umgekehrt.

Stückkosten. Bei gleicher Kapazität ist die Folienlösung ein Vielfaches teurer. Das ist keine Position, die man später wegoptimiert. Die bleibt die ganze Serie über dabei.

Die Kapazität ist geringer, dafür ist mehr Arbeit für die Regelung nötig. Wenn man aus Bauraum- und Kostengründen mit weniger Zwischenkreiskapazität auskommen muss, bekommt man mehr Spannungswelligkeit. Die Regelung muss die Trägheit des Elkos kompensieren. Ein Teil des Preises steht also nicht in der Stückliste, sondern in der Firmware.

Beschaffung. Es gibt weniger Quellen, die Wiederbeschaffung dauert länger und es gibt eine engere Bindung an eine bestimmte Bauform. Wenn wir ein Bauteil haben, das die Mechanik mitdefiniert, dann ist ein Lieferantenwechsel kein Einkaufsvorgang, sondern ein Redesign.

Nur weil etwas weggelassen wurde, heißt das noch lange nicht, dass es unangemessen ist.

Die verlockende Schlussfolgerung wäre: Verschleißteil raus, Thema erledigt. Genau das haben wir nicht gemacht.

Von den fünf NTC-Sensoren im Gerät sitzt einer direkt am Zwischenkreiskondensator. Im Firmware-Kontext heißt seine Funktion „Kondensator-Lebensdauer“. Er misst nicht, ob gerade eine Übertemperaturabschaltung nötig ist. Er misst, wie sich das Bauteil in diesem Haus tatsächlich mit der Zeit verändert. Außerdem gibt es ein Rth-Trending, das die thermischen Widerstände über die Betriebszeit beobachtet. So werden sie nicht nur einmal im Labor festgestellt, sondern über die gesamte Betriebszeit.

Der Grund ist ganz einfach: Wenn wir im Feld etwas messen, was wir vorher nicht festgelegt haben, dann ist das keine Zusage, sondern nur eine Hoffnung. Wenn man 20 Jahre verspricht, muss man nach fünf Jahren schon sagen können, ob die Annahme trägt. Übrigens ist das derselbe Datenbestand, aus dem man später belastbare Aussagen über Bestandsgeräte ableiten kann. Und die wird in den nächsten Jahren aus einer ganz anderen Richtung eingefordert werden.

Der Elko war übrigens nicht das einzige Teil, das so kaputt gegangen ist. Wärmeleitpaste trocknet aus und fließt unter Temperaturwechseln aus der Fügestelle heraus. Deshalb sind im Gen3 keramische Wärmeleitpads verbaut. Das ist aber eine eigene Folge.

Das Hauptproblem ist:

Die Rechnung ist nur dann korrekt, wenn das Designziel stimmt.

Wenn du ein Gerät mit Lüfter hast, das 10 Jahre lang halten soll, und der Markt sich nach dem Angebotspreis richtet, dann ist der Elektrolytkondensator die saubere Wahl – technisch wie betriebswirtschaftlich. Er ist billiger, kleiner, besser verfügbar und hält die Zeit durch, in der man gerade steht. Wer so ein Gerät baut und Folie einsetzt, verbrennt Geld für einen Nutzen, der erst nach Ablauf der Garantie eintritt.

Unsere Entscheidung ergibt nur Sinn, weil wir das anders auslegen. Wir rechnen nicht gegen die Garantiezeit, sondern gegen die Nutzungsdauer einer PV-Anlage. In dem Fall ist es kein Kostenvorteil, wenn ein Bauteil nach 12 Jahren planmäßig getauscht werden muss. Es ist ein verschobener Servicefall, den am Ende jemand bezahlen muss.

Die wenigsten Elektrolytkondensatoren halten 20 Jahre. Die wenigsten Lüfter auch. Das sind keine Meinungen, das steht in den Datenblättern, wenn man sie durchrechnet. Man muss nur die Konsequenz daraus ziehen, und zwar bevor die Mechanik steht.

Werner Böhme ist Geschäftsführer der awb-it GmbH und hat mit dem ampareq Gen3 einen dreiphasigen SiC-Hybridwechselrichter mit 15 kW entwickelt.