1 Hochschule Magdeburg-Stendal Fachbereich Ingenieurwissenschaften und Industriedesign (IWID) Bachelorarbeit zur Erlangung des Grades eines "Bachelor of Engineering" im Studiengang Elektrotechnik Thema: "Auslegung und Projektierung netzgekoppelter und autonomer Photovoltaikanlagen" Eingereicht von: Jean Bourdin Mbakam Kebankeu Geb. am: 04.08.1988 Matrikel: 20103363 Ausgabetermin: 18. Mai 2015 Abgabetermin: 27. Juli 2015 Schulischer Betreuer: Herr Prof. Dr.-Ing. Maik Koch Betrieblicher Betreuer: Herr Dipl.-Ing. (FH) Markus Hartmann ...................................... ....................................... 1. Prüfer 2. Prüfer
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Hochschule Magdeburg-Stendal Fachbereich ... · Für Korrekturlesen und ständige Motivation danke ich außerdem meine Verlobte, ... Stromproduktion durch Kernspaltung und Kernfusion
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Hochschule Magdeburg-Stendal Fachbereich Ingenieurwissenschaften und Industriedesign (IWID)
Bachelorarbeit
zur Erlangung des Grades eines "Bachelor of Engineering" im Studiengang Elektrotechnik
Thema: "Auslegung und Projektierung netzgekoppelter und autonomer Photovoltaikanlagen"
Eingereicht von: Jean Bourdin Mbakam Kebankeu
Geb. am: 04.08.1988
Matrikel: 20103363
Ausgabetermin: 18. Mai 2015
Abgabetermin: 27. Juli 2015
Schulischer Betreuer: Herr Prof. Dr.-Ing. Maik Koch
Die vorliegenden Bachelorarbeit umfasst notwendige Schritte zur Dimensionierung sowohl vom netzabhängige als auch netzunabhängige Photovoltaikanlagen. Die Studie besteht aus zwei Teilen: dem theoretischen Teil und dem praktischen Teil. Im ersten Teil wird die Grundlage der Photovoltaikanlage: Funktionsweise, Einflussgröße, Bestandteile und Betriebsarten beschrieben. Daraufhin wird auf die Vorgehensweise zur Auslegung, Projektierung und Dimensionierung aller Komponenten sowie auf die Wirtschaftlichkeit einer Solarstromanlage hingewiesen. Im zweiten Teil wurde sehr genau anhand von einer Beispielberechnung die Planung einer Photovoltaikanlage im netzgekoppelten Betrieb erläutert. Durch die Beispielberechnung lassen sich folgende Rückschlüsse ziehen:
• Ohne das Erneuerbare-Energien-Gesetz und dessen Vergütungssätze ist die Anschaffung einer PV-Anlage mit hohen Kosten verbunden und dementsprechend unwirtschaftlich.
• Der Eigenverbrauch optimiert die Wirtschaftlichkeit einer PV-Anlage.
• Trotz sinkender Vergütung, lassen sich die Kosten einer PV-Anlage durch Eigenverbrauch deutlich herabsetzen.
• Der Eigenverbrauch wiederum lässt sich optimieren durch den Einsatz von Energiespeicher u.a. Batterie oder Akkumulatoren.
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Danksagung An dieser Stelle möchte ich mich bei allen bedanken, die zum Entstehen dieser Arbeit
beigetragen haben. Ich bedanke mich bei Herrn Prof. Dr.-Ing Maik Koch für die
Vergabe dieses äußerst spannenden Themas, sowie viele hilfreiche Denkanstöße und
Anregungen.
Herrn Dipl.-Ing Markus Hartmann für seine sofortige Bereiterklärung den Posten des
Zweitprüfers für diese Arbeit zu übernehmen.
Für Korrekturlesen und ständige Motivation danke ich außerdem meine Verlobte,
Herr Madlowski, Xandra Lucks, Christine Pentzek und die Familie Schneider.
Außerdem möchte ich mich bei meinen Eltern und Geschwister für ihre Unterstützung
Nachdem man sich für einen Solarmodultyp entschieden hat, lässt sich aus der nutzbaren Dachfläche APV, der Wirkungsgrad des Moduls ηPV und der momentanen Bestrahlungsstärke näherungsweise die installierbare PV-Leistung PPV berechnen [19, S.246]:
(1) 𝑃𝑃𝑃 = 𝐴𝑃𝑃 ∗ ηPV ∗ 1000 𝑊
𝑚²
3.1.3 Auswahl und Dimensionierung des Wechselrichters
Neben den im Abschnitt 2.7 aufgelisteten Wechselrichtertypen, unterscheidet man je
nach eingesetzten Schaltelementen zwischen netzgeführten und selbstgeführten
Wechselrichtern, einphasige- und dreiphasige Einspeisung, sowie Wechselrichter ohne
und mit Netztransformator. Um die maximale Energieausbeute einer Photovoltaikanlage
zu erreichen, müssen Solargenerator und Wechselrichter optimal aufeinander abgestimmt
werden. Dies erfolgt in 3 Phase: Leistung-, Spannung-, und Stromanpassung [13, S.195].
Leistungsanpassung
Vor 20 Jahren wurden Wechselrichter oft um 20% unterdimensioniert, da sie einen relativ
schlechten Wirkungsgrad im unteren Teillastbereich hatten. Man benutzte dafür einen
Solargenerator-Überdimensionierungsfaktor κÜ, wie in der anschließenden Formel
dargestellt. Z.B.: An einem Solargenerator mit 4 kWP wurde ein Wechselrichter mit 3,2
kWP Eingangsleistung angeschlossen. Das entsprach einer Überdimensionierung des
Solargenerators κÜ von 1,25.
(2) κÜ = 𝑃𝑆𝑆𝑆𝑃𝐷𝑆_𝑁
𝑃𝑆𝑆𝑆 : Nennleistung des PV-Generators bei Standard Test Conditons
𝑃𝐷𝑆_𝑁 : Wechselstrom-Nennleistung am Wechselrichter-Eingang
So erreichten diese Wechselrichter mittlere Teillastbereiche und höhere Wirkungsgrade
auch schon bei mäßiger Einstrahlung. Der Nachteil war das Abregeln des Wechselrichters
bei Nennleistung des Solargenerators und Energieverlust.
Deswegen verwendet man heutzutage den Auslegungsfaktor SRAC (Sizing Ratio). Bei
dieser Methode wird die Ausgangsleistung berücksichtigt [13, S.195].
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(3) SRAC = 𝑃𝑆𝑆𝑆𝑃𝐴𝑆_𝑁
𝑃𝑆𝑆𝑆 : Nennleistung des PV-Generators bei Standard Test Conditons
𝑃𝐴𝑆_𝑁 : Wechselstrom-Nennleistung am Wechselrichter-Ausgang
„Der Grund für diesen neuen Bezugswert liegt an manchen Wechselrichterhersteller, die
zu hohe Eingangsleistung angeben, so dass die Geräte oft im Überlastbetrieb laufen“, [13,
S.195]. Da die Sonneneinstrahlung im Laufe des Tages sich ändert, ist die Betrachtung
der Momentanwerte sehr wichtig für die Dimensionierung des Wechselrichters. Zum
Beispiel kann an sonnigen Tagen mit durchziehenden Wolken die Sonneneinstrahlung
von 1000 W/m² auf 500 W/m² reduziert werden. Misst man die Daten einer Stunde,
kommt man zu einem Mittelwert von ca. 800W/m², aus diesem geht nicht mehr hervor,
ob der Wechselrichter zeitweise in Überlast war. Laut der Untersuchung der Fraunhofer
ISE Institut wissen wir, dass einen realistische mittleren Jahreswirkungsgrad eines
Trafolosen Wechselrichters unter Betrachtung der Stundenmittlewerte mit einem
Auslegungsfaktor bis 1,1 ohne Energieverluste machbar ist. Bei Nutzung der
Momentanwerte, muss der SRAC maximal 1 sein, um die Erträge nicht zu reduzieren. [13,
S.195].
Spannungsanpassung
Bei Überschreitung der maximal erlaubten Spannung UWR_Max, schaltet jeder
Wechselrichter ab. Diese kritische Situation wäre z.B. ein Neustart des Wechselrichters
an einem kalten, sonnigen Wintertag, da die Module dann ihre maximale
Leerlaufspannung (𝑈𝐿_𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀) aufweisen. Nimmt man die Modultemperatur θModul zu -10
°C an, so ergibt sich die maximale Anzahl der Module nMAX pro String zu [13, S.196]:
(4) nMAX =UWR_Max
𝑈𝐿_𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀(−10°𝑆)
Die minimale Modulanzahl nMin wird durch den MPP-Arbeitsbereich des Wechselrichters
bestimmt. Wir betrachten dazu einen Sommertag an dem die Modultemperatur 70°C
erreicht. In diesem Fall darf die String-MPP-Spannung nicht unter UMPP_Min des
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Wechselrichters fallen, da er sonst nicht die maximal mögliche Leistung liefert oder sogar
abschaltet [13, S.197].
(5) nMin =UMPP_Min
𝑈𝑀𝑀𝑀_𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀(70°𝑆)
Stromanpassung
Die Anzahl der möglichen Strings nString wird durch den maximalen IWR_Max des
Wechselrichters und den maximalen Stringstrom IString_Max vorgegeben.
(6) nString =IWR_Max
𝐼𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆_𝑀𝑀𝑀
MPP - Maximum Power Point
Der Maximum Power Point beschreibt den Punkt auf der U-I Kennlinie an dem der
Solargenerator die größte Leistung erzeugt. Bedingt durch schwankende Lichtverhältnisse
oder Temperaturen ändert sich der Maximum Power Point (MPP) [21]. Wie es auf der
Abbildung 26 zu sehen ist, wird die größtmögliche Leistungsausbeute erzielt, wenn der
Solargenerator jederzeit in seinem Punkt mit maximaler Leistung betrieben wird. Das
heißt, die angeschlossenen Verbraucher (Last) müssen so ausgelegt werden, dass sie
möglichst nahe am MPP des Solargenerators arbeiten. Um dies zu erreichen verwendet
man flexible elektronische Anpassungsschaltungen, deren Übertragungsverhalten über
einen Stelleingang beeinflusst werden kann. Sie dienen zur Kopplung von Solargenerator
und elektrischen Verbrauchern. Je nachdem ob auf der Lastseite
Gleichstrom/Wechselstrom benötigt wird, werden Gleichstromsteller (DC-DC
Wandler)/Wechselrichter (DC-AC Wandler) verwendet. Sie haben die Aufgabe, die
Leistung eines Solargenerators beim bestimmten Spannungsniveau an den
Gleichstrom/Wechselstromverbraucher auf deren Spannungsniveau möglichst verlustfrei,
weiterzugeben. Die maximale Leistung des Solargenerators, die im MPP abgeben wird,
muss immer kleiner als das Produkt aus Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom sein.
[37, S.71]
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Abbildung 25: U-I Kennlinie einer PV-Module; Quelle: G. Schenk 2010 Photovoltaik und Solartechnik, o.J.
Heutzutage werden alle diese Formeln kaum noch benutzt. Die meisten
Wechselrichterhersteller stellen Simulationstools zur Dimensionierung bzw. Anpassung
des Wechselrichters und Solargenerators zur Verfügung. Zusätzlich sind auf folgende
Zertifizierungen bei der Auswahl eines Wechselrichters zu achten:
„Sicherheit von Leistungsumrichtern zur Anwendung in Photovoltaischen
Energiesystemen, DIN EN 62109 (VDE 0126-14), Ersatz für Ausrüstung von
Starkstromanlagen mit elektronischen Betriebsmitteln, DIN EN 50178 (VDE
0160)“ [8, S.10]..
„Selbsttätige Schaltstelle zwischen einer netzparallelen Eigenerzeugungsanlage
und dem öffentlichen Niederspannungsnetz (DIN V VDE 0126-1-1)“ [8, S.10].
3.2 Bemessung von Verkabelung und Schutztechnik
Beim Anschluss der Photovoltaikanlage sind eine Reihe gesetzlicher Vorschriften zu
beachten. Diese betreffen sowohl die Sicherheit der elektrischen Installation (Verkabelung
DC-Seite und AC-Seite), als auch Brandschutzvorschriften. Darüber hinaus sind PV-
Anlagen aufgrund ihres Aufbaus und ihrer Funktion einer Anzahl von äußeren Gefahren
ausgesetzt. In diesem Kapitel stehen, Sicherheit der elektrischen Installation, Blitz- und
Überspannungsschutz im Mittelpunkt [8].
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3.2.1 Bemessung von Verkabelung
Die Auswahl und Verlegung von Kabeln und Leitungen auf der Gleichstrom- und
Wechselstromseite erfolgen nach folgenden Gesichtspunkten:
Temperatur- und Strahlungsbeständigkeit,
Spannungsfestigkeit,
maximaler Spannungsfall,
Leistungsverluste,
Strombelastbarkeit [2].
Dabei soll man für die Verlegung die auf DIN 57100/VDE 0100 Teil 520 und für die
Strombelastbarkeit die DIN 57298/VDE 0298 achten.
Spannungsfall und Leistungsverluste
„Bei der Auswahl des Hauptleitungsquerschnittes auf der Wechselstromseite ist darauf zu
achten, dass der Spannungsfall auf dieser Leitung 1 % der Nennspannung nicht
überschreitet. Auf die Berechnung des Strangleitungsquerschnittes kann im allgemeinen
verzichtet werden, da bei Verwendung des vom Hersteller vorgegebenen nötigen
Normquerschnittes, bedingt durch die Modulanschlussdosen, die Verluste in der Regel
deutlich unter 1 % liegen.“[2]
Dazu dient die Gleichung: (7) ΔU = √3 ∗ 𝐼𝑏 ∗ 𝐿 ∗ 𝑅𝑀 ∗ cos 𝜑
Auch die elektrischen Kabelverluste auf der Gleichstromseite sollen kleiner gleich 1% der
Solargenerator Nennleistung betragen. Die Leistungsverluste, die in einem Kabel
auftreten, sind direkt proportional zu ρ den spezifischen Widerstand des Kabelmaterials, L
die Kabellänge, I die Stromstärke und A dem Kabelquerschnitt. [26].
(8) PV = 𝜌∗𝐿∗𝐼2
𝐴
Aufgrund des geringeren Widerstands verwendet man mehr Kupfer als Aluminium zur
Verkabelung von Solarmodule. Größere Kabelquerschnitte sorgen für geringere
Laderegler: Er ist die wichtigste Komponente und bestimmt die Lebensdauer der
Energiespeicher. Sie werden so ausgelegt, dass sie zum Maximalstrom der Module
und der Verbraucher passen.
Inselwechselrichter: Damit Wechselstromverbraucher betrieben werden können. [27]
Die Auslegung von Photovoltaikanlagen in Inselbetrieb unterscheidet sich grundlegend von
netzgekoppelten Anlagen. Eine Inselanlage kann bei fehlender Sonne nicht auf das öffentliche
Stromnetz zurückgreifen. Damit es nicht zu Stromausfällen kommt, ist ein ausreichender
Energiespeicher nötig. Die Batterie dient aber nur zur Überbrückung von tagen mit geringer
Sonneneinstrahlung. Ziel einer Inselanlage soll nicht sein mit einer Solaranlage einen
möglichst großen Ertrag zu erzielen, sondern bestimmte Verbraucher sicher zu versorgen.
Daher ist es für die Auslegung einer autonomen PV-Anlage wichtig den Verbrauch im
schlechtesten Monat (In Mitteleuropa wäre es der Dezember) zu bestimmen. Sodass die
Solarmodule in den Monaten mit der geringsten Sonneneinstrahlung einen möglichst hohen
Ertrag liefern. Es ist ratsam für einen sicheren Betrieb, den Solargenerator deutlich steiler zu
stellen als bei netzgekoppelten Anlagen. Ein optimaler Solarertrag ist erreichbar bei einer
Neigung um etwa 60 bis 70° nach Süden in Deutschland. Nähert man sich dem Äquator fallen
die Unterschiede zwischen Sommer und Winter geringer aus. Ein gewisses Sicherheitspolster
von bis zu 50% sollte der Sicherheitszuschlag im Normalfall betragen. Wie auch bei
netzgekoppelten Anlagen werden auch hier die Verluste durch die Performance Ratio (PR)
berücksichtigt [18].
4.1 Komponentendimensionierung
Die Dimensionierung der Komponenten eines Inselsystems erfolgt in 3 Schritten:
Die Ermittlung des durchschnittlichen täglichen Energiebedarfs,
Festlegung der Größe des Energiespeichers anhand der Gl. (12),
Anpassung der zu installierenden Leistung des Solargenerators zu dem
Energiebedarf.
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Ermittlung des durchschnittlichen Energiebedarfs
Eine Erfassung aller Verbraucher, sowie deren Betriebsdauer und Leistungsaufnahme
zeigt die größten Energieverbraucher und ermöglicht dadurch ein optimales
Energiemanagement. Plant man eine Anlage mit ganzjährigem Betrieb ist der
Energiebedarf möglichst nach Monaten, Jahreszeiten und im Extremfall nach Sommer
und Winter aufzulisten. [37, S.96]
Die folgende Tabelle zeigt Beispielhaft die nach Sommer und Winter getrennte Erfassung
des Energiebedarfs eines ganzjährig genutzten netzfernen Ferienhauses dar. [37, S.97]
Tabelle 3: Energiebedarf eines netzfernen Ferienhaus, Quelle: Wesselak/Voswinckel, 2012, S.97
Verbraucher Nennleistung P in W
Tägliche Betriebszeit in h
Täglicher Verbrauch in Wh
Sommer Winter Sommer Winter
Innenbeleuchtung 6 x 12 = 72 4 6 288 432
Außenbeleuchtung 3 x 7 = 21 2 4 42 84
Kühlschrank 50 6(zyklisch) Aus 300 Aus
Radio 15 4 4 60 60
Fernseher 50 2 6 100 300
SAT-Receiver 45 2 6 90 270
Ladegerät für Handys 2 x 7,5 = 15 1 1 15 15
Wasserpumpe 400 0,5 Aus 200 Aus
Herd 4000 1 1 4000 4000
Wärmeversorgung 5 x 1000 = 5000 Aus 10 Aus 50.000
Summen 9668 5095 55161
Wasch-und Spülmaschinen werden hier nicht berücksichtigt. Außerdem nehmen wir an,
dass Kühlschrank und Wasserpumpe im Winter, sowie die Wärmeversorgung im Sommer
um Strom zu sparen, Außerbetrieb sind.
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Benötigte Solargeneratorleistung
Die nötige MPP-Leistung 𝑃𝑀𝑃𝑃 der PV-Module lässt sich näherungsweise aus der
solaren Bestrahlung 𝐻𝑆𝑀𝑀𝑖𝑟,𝑀 im schlechtestem Monat, dem Energiebedarf 𝐸𝐵𝑔𝑀𝑖𝑟𝐵,𝑀 im
gleichen Monat, einem Sicherheitszuschlag 𝑓𝑆 von mindestens 50%, sowie der
Performance Ratio PR berechnen [19, S.245].
(11) 𝑃𝑀𝑃𝑃 = (1+𝐵𝑆)∗𝐸𝐵𝑔𝑀𝑀𝑆𝐵,𝑀
𝑃𝑃∗
1000 𝑊𝑚²𝐻𝐺,𝑆𝑔𝑆,𝑀
4.2 Aspekte der Systemsteuerung und Regelung
Wie schon am Anfang des Kapitels erwähnt, um eine netzferne Photovoltaikanlage gut
betreiben zu können und die Lebensdauer der Energiespeicher sicher zu stellen, muss der
Laderegler eine paar Aufgaben lösen:
Überladeschutz,
Tiefentladeschutz,
Verhinderung ungewollter Entladung,
Spannungstransformation,
MPP-Tracking.
„Ein Laderegler funktioniert auf der Basis einer Spannungsüberwachung.
Die Reglerelektronik misst dazu die Batteriespannung UBat. Sinkt diese unter die
Tiefenladespannung, wird der Verbraucher durch einen Schalter von der Batterie
getrennt. Hat sich die Batterie erholt, so dass die Batteriespannung über eine obere
Schwelle gestiegen ist, wird der Verbraucher wieder zugeschaltet. Steigt die
Batteriespannung über die Überladespannung an, wird die weitere Ladung der Batterie
durch einen anderen Schalter gestoppt.
Als Schalter werden Leistungshalbleiter wie Leistungs-Feldeffekttransistoren oder Power
MOSFETS verwendet“ [19, S. 227]. Eine Diode verhindert, dass die Batterie bei Nacht
oder inaktiven Solargenerator entladen wird. Ohne Diode würde sich die Batterie
tiefentladen und nicht genügend Spannung zur Versorgung der Laderegler liefern können.
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Folglich würde die Batterie sich trotz Sonnenstrahlung am nächsten Morgen nicht wieder
aufladen können [13, S.208].
Je nachdem wie das Schaltelement und der Solargenerator zusammengeschaltet sind,
unterscheidet man zwischen:
Serien- oder Längsregler
Wie sein Name schon verrät, ist der Laderegler in Serie mit dem Solargenerator
geschaltet. Auf Grund der ständigen Durchlasswiderstandverluste beim Laden der
Batterie am Schalter der Leistungshalbleiter, wird diese Art Regler kaum eingesetzt. [13,
S.209]
Shunt- oder Parallelregler
Hier ist der Leistungshalbleiter parallel zum Solarmodul geschaltet. Sobald die Batterie
vollgeladen ist, schließt ein Schalter den Solargenerator kurz und unterbricht das Laden.
Beim Ladevorgang ist zwar ein relativ kleiner Spannungsabfall (< 1V) am
durchgeschalteten MOSFET, dies erzeugt keine Verluste. Ein weiterer Vorteil liegt darin,
dass der MOSFET ohne Spannungssignal am Gate sperrt. So wird ermöglicht, dass die
Batterie auch im Fall einer Tiefenentladung wie in dem oben beschriebenes Szenario
dargestellt, sich wieder auflädt. Deshalb werden Shuntregler hauptsächlich verwendet.
[13, S.209]
MPP-Laderegler
Um das Maximum an Energie aus dem Solargenerator zu gewinnen, ist ein MPP-
Tracking genauso so wie bei der Dimensionierung der Wechselrichter erforderlich. Durch
Variation des Tastverhältnisses wird die Spannung des DC/DC Wandler moduliert und
somit der MPP der Solargeneratorkennlinie angefahren. Der MPP-Laderegler ist meist ein
Tiefsetzsteller (Gleichstromrichter), der eine höhere Eingangsspannung auf eine niedrige
Ausgangsspannung bringen kann. [13, S.209]
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Inselwechselrichter
Ein Inselwechselrichter wird von der Batterie versorgt, dementsprechend soll seine
Spannung auf die Batteriespannung abgestimmt werden. Da ein Inselwechselrichter auf
seiner Ausgangsseite Wechselstrom zur Verfügung stellen soll, muss bei seiner
Leistungsanpassung auf die Leistung der Wechselstromverbraucher berücksichtigt
werden. Die von Inselwechselrichter gelieferte Leistung muss für alle angeschlossenen
Verbraucher ausreichend sein. [27].
4.3 Speicherung elektrischer Energie
Die Batterie soll so dimensioniert werden, dass sie planmäßig nur auf der Hälfte entladen
wird und über eine Zahl von reservetagen den Bedarf komplett decken kann. Man geht
von eventuell zugeschneiten Solarmodulen aus, die längere Zeit keinen Strom liefern
können. Daher sollten etwa 4 bis 6 Reservetage (dR) für einen sicheren Winterbetrieb in
Deutschland eingeplant werden. In Ländern mit deutlich höherem Sonnenangebot
genügen nur 2 bis 3 Reservetage. Mit der Batteriespannung UBat und dem Verbrauch der
angeschlossenen Geräte, lässt sich die nötige Batterie Kapazität berechnet. [19, S. 245]
(12) C = 6∗𝐸𝑃𝑔𝑆𝑉𝑆𝑀𝑀𝑉ℎ,𝑀
𝑈𝐵𝑀𝑆∗ 𝑀𝑅
31
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5 Wirtschaftlichkeit von Photovoltaikanlagen
Durch das Erneuerbare-Energie-Gesetz (EEG) ist der wirtschaftliche Betrieb von
Solarstromanlagen in Deutschland möglich geworden. In den folgenden Abschnitten werden
die Rahmenbedingungen dieses Gesetzes erläutert und die Vergütung, die
Förderungsmöglichkeiten, sowie die Investitionskalkulation und Rendite einer PV-Anlage
ebenfalls näher betrachtet.
5.1 Das Erneuerbare-Energien-Gesetz/Vergütung
„Das EEG ist und bleibt das zentrale Steuerungsinstrument für den Ausbau der
erneuerbaren Energien. Ziel des EEG ist es die Energieversorgung umzubauen und den
Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromversorgung bis 2050 auf mindestens 80
Prozent zu steigern. Der Ausbau der erneuerbaren Energien erfolgt insbesondere im
Interesse des Klima- und Umweltschutzes zur Entwicklung einer nachhaltigen
Energieversorgung. Daneben sollen die volkswirtschaftlichen Kosten der
Energieversorgung verringert, die fossilen Energieressourcen geschont und die
Technologieentwicklung im Bereich der erneuerbaren Energien vorangetrieben werden.“
[3]
Das EEG trat am 1. April 2000 in Kraft, als Ersatz zu seinem Vorgänger, das
Stromeinspeisungsgesetz (StrEG) aus dem Jahr 1990. Es hat sich seitdem stetig
weiterentwickelt durch die: EEG-Novelle 2004, EEG-Novelle 2009, EEG-Novelle 2012,
Novellierung der EEG-2012 durch PV-Novelle, EEG-Novelle 2014.
Das EEG legt die Vergütungsätze für Strom aus der regenerativen Energiequelle fest und
verpflichtet Netzbetreiber alle Erneuerbare Stromerzeugungsanlagen am Netz
anzuschließen und deren produzierten Strom abzunehmen. Dank des Erneuerbare-
Energien-Gesetzes ist der Anteil der Stromerzeugung aus regenerativer Energiequelle
deutlich angestiegen. Die Höhe der Stromvergütung hängt von dem Baujahr, der
Montageart und der installierte Leistung der Anlage ab und bleibt über 20 Jahre konstant.
Das heißt eine Anlage Baujahr 2010 bekommt eine geringere Vergütung, als eine Anlage
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Baujahr 2009. Ziel ist es die Ausbreitung der Unterschiedlichen Montagearten
(Dachanlagen, Fassadeanalgen und Freiflächenanlangen) zu kontrollieren. Die
Vergütungssätze unterliegen einer monatlichen Degression. Dies führt zu einer
Reduzierung der auf 20 Jahre garantierten festen Vergütung, das bedeutet, dass zwei PV-
Anlagen, gleiches Baujahr aber mit einer Inbetriebnahme in verschiedenen Monaten,
unterschiedliche Einspeisevergütungen bekommt. Während in den ersten Jahren des EEG
die Vergütungsdegression nur bei 5% pro Jahr lag, wurde sie mittlerweile aufgrund der
überproportionalen Senkung der Anlagenpreise deutlich erhöht [13, S.243].
Die nachfolgenden Diagramme zeigen, wie deutlich sich die Vergütungssätze im Lauf der
Jahre durch die EEG-Novelle geändert haben. Im Betracht gezogen werden die Zeiträume
von 2000 bis 2009 und von August 2014 bis Juni 2015.
Abbildung 27: EEG 2000/2004 in Abhängigkeit von Montageort und Anlagengröße, Inbetriebnahme der Anlage bis 31.12.2009, Quelle: Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V. (SFV), 2015
0
10
20
30
40
50
60
≤ 30 kW Anlage auf/an Gebäuden oder Lärmschutzwänden
> 30-100 kW Anlage auf/anGebäuden oder Lärmschutzwänden
> 100 kW-1000 kW Anlage auf/anGebäuden oder Lärmschutzwänden
> 1000 kW
Eigenverbrauch ≤ 30 kW
Freiflächenanlagen
Zuschlag in Ct/kWh fürFassadenanlagen
66
Abbildung 28: EEG 2014 Einspeisevergütung für kleine Anlage bis 500 kw in Abhängigkeit zum Inbetriebnahmepunkt, zum Montageort und jeweils anteilig zur gesamt installierten Leistung. Inbetriebnahme der Anlage ab 1.8.2014, Quelle: Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V. (SFV), 2015
5.2 Investitionskosten
Trotz sinkender Preise bleiben die Solarmodule der Hauptteil der Investitionskosten einer
Photovoltaikanlage, danach kommen die Wechselrichter-, die Montage- und
Netzanschlusskosten. [37, S.63]. Investitionskosten hängen stark von der installierten
Leistung und der Anlagegröße ab.
0
2
4
6
8
10
12
14
≤ 10 kW Anlage auf/an Gebäuden oder Lärmschutzwänden
> 10-40 kW Anlage auf/anGebäuden oder Lärmschutzwänden
> 40kW-500 kW Anlage auf/anGebäuden oder Lärmschutzwänden
Dachanlagen auf nichtWohngebäude im Außenbereich undFreiflächenanlagen bis 500 kW
Die jährlichen Einnahmen betragen: KEin = 13645,7 €/a + 602,8 €/a = 14248,48 €/a
=> TAmortisation = 𝐾𝑂𝐾𝐸𝑆𝑆 − 𝐾𝐵𝑔𝑆𝑆𝑆𝑔𝑉
= 160000𝐸𝑀𝑟𝑀
14248,48 𝐸𝑀𝑆𝑀𝑀 − 3200𝐸𝑀𝑟𝑀 = 14,5 a
Somit beträgt die Amortisationszeit der PV-Anlage an der Flachdachfläche der Städtische
Häfen 14 Jahre und 5 Monate.
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Da es mit der Programmtools PV-Sol Expert 6.0 nicht möglich war, die Belegung (2
unabhängigen MPP-Eingänge und A:5; B:1 Strings pro MPP-Eingang) eines 15 kW
Wechselrichters der Firma SMA darzustellen, wurde eine 15 kW Wechselrichter in 2
Wechselrichter von je 10 kw für die A Eingänge und 4 kW für die B Eingänge gespaltet.
Insgesamt wurde für die Simulation eine Wechselrichterleistung von 56 kW angewendet
(4x 10 kW und 4 x 4 kW).
Eine Dimensionierung des Solargenerators und der Wechselrichter sowie der Versuch
einer Wirtschaftlichkeitsberechnung wurden mittels Programmtools PV-Sol Expert 6.0
durchgeführt. Im Anhang befinden sich die Übersicht-, Schalt-, Verteilerpläne,
Systemdarstellungen, Berechnungsergebnisse und eine ausführliche Projektübersicht.
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7 Fazit und Ausblick
Die Energiewende bleibt in Europa und besonders in Deutschland ein aktuelles Thema. Als
Steuerinstrument der Energiewende sieht das Erneuerbare-Energien-Gesetz den Ausbau von
Erneuerbaren Energien als Hauptquelle der Energieversorgung vor. In Deutschland soll der
Anteil von Regenerativen Energiequellen 50% an dem Stromsektor im Jahr 2030 betragen.
Im Jahr 2014 deckte die Photovoltaik mit einer Stromerzeugung von ca. 35,2 TWh das
entspricht ca. 6,9% des Netto-Stromverbrauchs in Deutschland. Alle Erneuerbaren Energien
kamen Zusammen auf ca. 31%. Bezogen auf den Brutto- Stromverbrauch in Deutschland
liegen die Anteile bei ca. 6,1% für Photovoltaik und ca. 27% für alle Regenerativen
Energiequellen. Ende 2014 waren in Deutschland ca. 38,5 GW installierte Nennleistungen an
Solargenerator, die auf 1,4 Millionen Anlagen verteilt sind. Damit übertrifft die Photovoltaik
alle anderen regenerativ Erzeugungsquellen in Deutschland. [7] Seit 2009 ist die Anzahl von
Photovoltaikanlagen in Deutschland stark gestiegen. Dies liegt an den stark gefallenen Preisen
für Solarmodule und somit an sinkenden Investitionskosten. Vorherige Untersuchungen haben
gezeigt, dass die Preisentwicklung von Solarmodulen einer sogenannten „ Preis-
Erfahrungskurve“ folgt, d.h. bei Verdopplung der weltweit gesamten installierten Leistung
von Photovoltaikanlagen, sinken die Preise um einen konstanten Prozentsatz. Es liegt auf der
Hand, dass die Investitionskosten einer Solarstromanlage künftig noch geringer fallen werden
[7].
Zuerst wurde im Rahmen dieser Arbeit wurden die Auslegung und Projektierung aller
Komponenten sowie die Wirtschaftlichkeit einer Solarstromanlage je nach Betriebsart
untersucht. Anschließend wurde beispielhaft, die Planung einer Photovoltaikanlage im
netzgekoppelter Betrieb durchgeführt. Da derzeit Solarstrom in Deutschland zu höheren
(internen) Kosten als Strom aus dem konventionellen Erzeugungsarten erzeugt wird, weisen
die Analyseergebnisse darauf hin, dass die Anschaffung einer PV-Anlage ohne das
Erneuerbare-Energien-Gesetz und dessen Vergütungssätze mit hohen Kosten verbunden und
dementsprechend unwirtschaftlich ist. Deutlich ist auch zu erkennen, dass die
Einspeisevergütung bei PV-Anlagen schneller als bei jeder anderen regenerativen
Erzeugungsquelle sinkt. Ein Beispiel dafür ist einer 40 kW Anlage, die von 21,98 Ct/kWh im
Jahr 2012 auf 12,06 Ct/kWh im Jahr 2015 gesunken ist. Allerdings lassen sich durch
Eigenverbrauch die Kosten einer Photovoltaikanlage herabsetzen. Neuartige
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Speichertechnologien mit hoher Zyklenfestigkeit, besonders langer Lebensdauer sowie einer
kompakten Bauweise und einem hervorragenden Energiemanagement, tragen zur
Optimierung des Eigenverbrauchs bei. Deshalb haben PV-Anlagen mit Speichermöglichkeit
zur Netzeinspeisung und zum Eigenverbrauch (Überschusseinspeisung) an Bedeutung
gewonnen. Es wurde auch festgestellt, dass der Solarstrom nach Ende der Amortisationszeit
wegen deutlicher niedriger Betriebskosten und fehlender Brennstoffkosten(„Grenzkosten“)
am günstigsten wird. Insofern bleiben Photovoltaikanlagen wirtschaftlich effizienter und
haben einen sehr großen Beitrag zu der Energiewende zu leisten. Zudem lassen sie sich
problemlos an das jetzige Stromnetz integrieren und können an der Bereitstellung der
Systemdienstleistungen durch Unterstützung von Frequenz- und Spannungshaltung auf
Nieder- und Mittelspannungsebene teilnehmen.
89
Literaturverzeichnis
[1] Agentur für Erneuerbare Energien: Mediathek, Grafiken, Strommix in Deutschland 2014. http://www.unendlich-viel-energie.de/mediathek/grafiken/strommix-in-deutschland-2014 [Eingesehen am 15.01.2015]
[2] Bochynek, Christian: Planung einer Photovoltaikanlage, 1995. http://bochyweb.de/PV/Diplomarbeit.html [Eingesehen am 20.02.2015]
[3] Bundesministerium für Wirtschaft und Energie: Energie, Energiewende, Erneuerbare Energien,2014 http://www.bmwi.de/ [Eingesehen am 10.12.2014]
[4] Bundesamt für Wirtschaft und Ausführungskontrolle (2014): Erneuerbare Energien: Wie viel Energie liefert die Sonne? http://www.bafa.de/bafa/de/energie/erneuerbare_energien/twitter_blog/2014/august/113_sonneneinstrahlung.html [Eingesehen am 19.01.2015]
[5] Dietrich Ahlers: Experimenteller Aufbau einer Schaltung zur Spannungsfreischaltung in Modulen, Heft: 0505 Seite 75 PHOTON 2005-05 Mai
[6] ECOVIS BLB Steuerberatungsgesellschaft mbH: Leitfaden Photovoltaik, Steuer-Recht-Betriebswirtschaft, Mai 2013. http://www.ecovis.com/de/fileadmin/user_upload/specials-tools/leitfaden-photovoltaik_2013.pdf [Eingesehen am 12 März 2015]
[7] Fraunhofer ISE, Zusammengestellt von Dr. Harry Wirth: Aktuelle Fakten Zur Photovoltaik in Deutschland, abrufbar unter www.pv-fakten.de, Fassung von 7.1.2015
[8] Gesamtverband der Deutschen Versicherungswirtschaft e.V. (GDV) / VDE Prüf-und Zertifizierungsinstitut GmbH : Photovoltaikanlagen, Technischer Leitfaden, VdS 3145, Schadenverhütung GmbH, , Juli 2011
[9] GRAEDLER UMWELTTECHNIK GmbH: Photovoltaikmodul Fassade. http://www.graedler-umwelttechnik.de/photovoltaikmodul_fassade.html [Eingesehen am 19.02.2015]
[10] Höfling Alexander: Bachelorarbeit , Weiterentwicklung und Optimierung einer Photovoltaik-Inselanlage , Waldaschaff, 2011. http://www.tec-institut.de/diplomarbeiten/weiterentwicklung-und-optimierung-einer-photovoltaik-inselanlage-f%C3%BCr-einen-4-personen-haushalt.pdf [Eingesehen am 20.01.2015]
[13] Mertens, Konrad: Photovoltaik, Lehrbuch zu Grundlagen, Technologie und Praxis, Steinfurt, 2., neu bearbeitete Auflage, Hanser, 2013.
[14] Oberholz, Thomas: Oeko-Energie, Solarstrom-Photovoltaik/Montagegestelle, 2007 http://www.oeko-energie.de/plaintext/produkte/solarstrom-photovoltaik/pv-montagegestelle/index.php [Eingesehen am 05.03.2015]
[15] pellworm-energy: Photovoltaik. http://www.pellworm-energy.org/html/Photov_de.html [Eingesehen am 25.01.2015]
[16] Photovoltaik: Wissen zur Planung & Realisierung einer PV-Anlage. http://www.photovoltaik.org/wissen/globalstrahlung [Eingesehen am 15.01.2015]
[17] Plattmann, Carsten: Sichere Auslegung von Generatoranschlusskästen, 2014 http://www.ba-online.info/1553-0Sichere+Auslegung+von+Generatoranschlusskaesten.html[Eingesehen am 20.01.2015]
[18] Quaschning, Volker: Erneuerbare Energie und Klimaschutz: Hintergründe Techniken und Planung Ökonomie und Ökologie Energiewende, Berlin, 3., Aktualisierte und erweiterte Auflage, Hanser, 2013
[20] Quaschning, Volker: Untstete Plangröße, Wo Sie Daten für die Sonneneinstrahlung finden, erschienen in Sonnenenergie 6.2001, S.24-27. http://volker-quaschning.de/artikel/solarstrahlung1/index.php [Eingesehen am 15.01.2015]
[21] Renewable Energy Concepts: Sonnenenergie, Basiswissen Solarenergie http://www.renewable-energy-concepts.com/german/sonnenenergie/basiswissen-solarenergie/geografische-lage-kWhm2.html [Eingesehen am 19.01.2015]
[22] Riedel, Anja: PV Magazine Photovoltaik. Märkte & Technologie: In einer Ebene, Kategorie: Fachwissen & Technik, 10 / 2012. http://www.pv-magazine.de/archiv/artikel/beitrag/in- einer ebene100009146/86/?tx_ttnews%5BbackCat%5D=220&cHash=b34b6b16bb64daa5aad0163250def4e1 [Eingesehen am 19.01.2015]
[23] Roskosch, Michael: roskosch_optimierung_pv_eigenverbrauch_bachelorarbeit_2013 , 2. August 2013
[24] SMA SOLAR ACADEMY: Planung_u_Design-Kleine und mittlere PV-Anlagen_DE-131110_web https://www.sma.de/en/partners/sma-solar-academy/downloads.html [Eingesehen am 19.01.2015]
[25] Solaranlagen-Portal: Solar/Nachführsystem, 2015 http://www.solaranlagen-portal.com/solar/solares-bauen/nachfuehrsystem [Eingesehen am 19.01.2015]
[26] Solaranlage: Photovoltaik/Technik-Komponenten/Wechselrichter/Konzepte zur Verschaltung http://www.solaranlage.eu/photovoltaik/technik-komponenten/wechselrichter/konzepte-zur-verschaltung [Eingesehen am 20.01.2015]
[27] Solaranlage Ratgeber: Infos und Tipps für die eigene Photovoltaikanlage http://www.solaranlage-ratgeber.de/photovoltaik/photovoltaik-technik/komponenten-einer-photovoltaikanlage [Eingesehen am 10.12.2014]
[28] SolarContact: Photovoltaik/Inbetriebnahme/Aufdach-montage. http://de.solarcontact.com/photovoltaik/inbetriebnahme/aufdach-montage [Eingesehen am 05.03.2015]
[29] Solarfassade. Info.: Portal für gebäudeintegrierte Photovoltaik,2009. http://www.solarfassade.info/de/grundlagen/komponenten/wechselrichterkonzepte.php [ Eingesehen am 04.03.2015]
[30] Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V. (SFV): Solarstrom-Vergütungen im Überblick, 2015. http://www.sfv.de/lokal/mails/sj/verguetu.htm [Eingesehen am 11.06.2015]
[31] Solarstromerzeugung: Photovoltaik. http://www.solarstromerzeugung.de/photovoltaikanlage/installation/freiflaechenanlage/ [Eingesehen am 20.01.2015]
[33] SolteQ: PV-Sicherheit: http://www.solteq.eu/Flyer_SolteQ_BFA_Sonder-EX.pdf, [Eingesehen am 12.03.2015]
[34] Umweltfreundliche Energien: Photovoltaik: Ausrichtung und Neigung der Photovoltaik Anlage,2011. http://umweltfreundlicheenergien.blogspot.de/ [Eingesehen am 04.03.2015]
[35] Vereinigung der Landesdenkmalpfleger in der Bundesrepublik Deutschland: Solaranlagen und Denkmalschutz, Arbeitsblatt 37, 2010
[36] Wagner Solar GmbH: Montagesystem. www.wagner-solar.com [Eingesehen am 18.02.2015]
[37] Wesselak, Viktor / Voswinckel, Sebastien: Technik im Focus, Daten Fakten Hintergründe, Photovoltaik, Wie Sonne zu Strom wird, Berlin, Heidelberg, Springer-Verlag, 2012.
[38] Wetter und Klima-Deutscher Wetterdienst. http://www.dwd.de/bvbw/generator/DWDWWW/Content/Oeffentlichkeit/KU/KU1/KU12/Klimagutachten/Solarenergie/Globalkarten__entgeltfrei/Jahressummen/2013,templateId=raw,property=publicationFile.pdf/2013.pdf [Eingesehen am 15.01.2015]
[39] Wikipedia: http://de.wikipedia.org/wiki/Luftmasse_%28Astronomie%29 http://de.wikipedia.org/wiki/Photovoltaik [Eingesehen am 20. 01. & 26.02.2015]