Fotovoltaikanlagen planen und betreiben

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1 Fotovoltaikanlagen planen und betreiben Der Sonnenstrom ist für viele Landwirte eine interessante Einkommensquelle. Dank der Preisgarantie des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) kann die Investition in Fotovoltaikanlagen nach wie vor attraktiv sein. Denn mit der schrittweisen Absenkung der Einspeisevergütung sind auch die Herstellungspreise gesunken. Grundlagen der Solarstromerzeugung Die wesentlichen Komponenten einer netzgebundenen Fotovoltaikanlage sind das Montagesystem, der Solargenerator und der Wechselrichter. Das Montagesystem richtet den Solargenerator fest aus oder führt diesen der Sonne nach. Der Solargenerator besteht aus mehreren parallel oder in Reihe geschalteten Solarmodulen. Diese bestehen ihrerseits aus mehreren in Reihe geschalteten Solarzellen. Der Wechselrichter synchronisiert den Gleichstrom der Solargeneratoren mit dem Wechselstrom des Stromnetzes. Solarzellentypen Unter Fotovoltaik versteht man die direkte Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrischen Strom unter Ausnutzung des fotoelektrischen Effekts. Dies geschieht in Solarzellen, die aus Halbleitern bestehen. Halbleiter können mithilfe von Strahlungsenergie freie Ladungsträger erzeugen, die als elektrischer Strom abgeführt werden können. Als Halbleitermaterial wird meist Silizium eingesetzt. Es gibt verschiedene Solarzellentypen: Multikristalline Zellen werden der am häufigsten eingesetzt. Der höchste im Labor erreichte Wirkungsgrad dieser Zellen liegt bei 20,3 %, in der großtechnischen Herstellung liegt er bei rund 16 %. Monokristalline Zellen sind am zweithäufigsten verbreitet. Der Wirkungsgrad handelsüblicher Module liegt zwischen 15 und 18 %. Unter Dünnschichtzellen versteht man eine ganze Bandbreite an Zelltypen aus unterschiedlichen Ausgangsmaterialien. Dazu gehören: amorphes Silizium, Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) und Cadmiumtellurid (CdTe). Bei den Dünnschichtzellen ist der Bedarf an teurem Halbleitermaterial geringer als bei mono- und multikristallinen Solarzellen. Sie können somit sehr günstig hergestellt werden; allerdings sind ihre Wirkungsgrade geringer, sie liegen je nach Typ zwischen 6 und 12 %. Wo liegen die Unterschiede der Solarzellentypen Bei der Anwendung von mono- und multikristallinen Zellen gibt es keine nennenswerte Vor- oder Nachteile des einen oder anderen Zelltyps. Solarmodule aus monokristallinen Zellen haben einen etwas geringeren Flächenbedarf für die gleiche installierte Leistung als jene aus multikristallinen Solarzellen. Kristalline Module haben einen Flächenbedarf von 7 bis 9 m²/kw p. Ihre Leistung ist sehr anfällig gegenüber Verschattung. Bei steigenden Temperaturen fällt zudem ihre Leistung mit bis zu 20 % stärker ab als bei Dünnschichtmodulen. Kristalline Module müssen daher hinterlüftet werden. Dünnschichtmodule sind toleranter gegenüber Verschattung und nutzen diffuse Strahlung besser aus, benötigen aber mehr Fläche (CIS: 9 11 m²/kw p ; CdTe: m²/ kw p ; amorphes Silizium m²/kw p ). Darüber hinaus ist bei Dünnschichtzellen der temperaturbedingte Wirkungsgradverlust nur etwa halb so hoch wie bei kristallinen Zellen (0,25 % je Grad Celsius gegenüber 0,4 0,5 % je Grad Celsius). Deshalb eignen sich Dünnschichtzellen besonders dann, wenn der höhere Flächenbedarf nicht von Bedeutung ist, bei mangelnder Kühlung bei gebäudeintegrierten Fotovoltaikanlagen und auf Dächern, die nach Osten und Westen ausgerichtet sind. Seite 1 von 7

2 Der alterungsbedingte Wirkungsgradverlust liegt bei mono- und multikristallinen Modulen zwischen 0,25 und 0,4 % je Jahr. Bei Dünnschichtzellen aus amorphem Silizium liegt er mit bis zu 1,5 % je Jahr bedeutend höher. Hersteller geben bei allen Zelltypen meistens eine Leistungsgarantie von 90 % der ursprünglichen Leistung nach 10 Jahren und 80 % der ursprünglichen Leistung nach 20 oder 25 Jahren. Im Winter werden lediglich 10 % des erwarteten Jahresertrags einer Fotovoltaikanlage erzielt. Daher sind die Ertragseinbußen im Winter verhältnismäßig gering. Von der Solarzelle zum Modul Um ausreichend Spannung zu erzeugen werden meist 36 bis 72 Solarzellen in Reihe geschaltet. Sie sind sehr empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen. Um eine Betriebsdauer von 20 bis 30 Jahren ohne wesentlichen Leistungsverlust zu ermöglichen, müssen die Solarzellen mit einer guten Ummantelung geschützt werden. Mehrere Solarzellen bilden ein Solarmodul. Sie haben gegenüber der Summe der Einzelleistungen der Solarzellen immer eine geringere Leistung. Dies liegt an der Streuung der Kennwerte der Solarzellen und führt beim Verschalten der Solarzellen zu Solarmodulen zu Mismatching (Fehlanpassung), da die Stromstärke eines in Reihe geschalteten Moduls im Wesentlichen von der Solarzelle mit der geringsten Stromstärke bestimmt wird. Solarmodule: Qualitätsstandards und Prüfzertifikate Um eine gleichbleibend hohe Modulqualität sicherzustellen, wurden von der International Electrotechnical Commission (IEC) international anerkannte Prüfzertifikate festgelegt. Jeder Hersteller sollte somit für seine Produkte die Prüfung der Bauarteignung und Bauartzulassung vorweisen können. Das Prüfzertifikat der Dünnschichtzellen enthält zusätzlich eine Prüfung des Degradationsverhaltens (Wirkungsgradverlust) in Abhängigkeit von Licht und Temperatur. Die Leistungsmerkmale von Solarmodulen können den Moduldatenblättern entnommen werden, die meist online bei den Herstellern der Solarmodule abrufbar sind. Werden Fotovoltaikanlagen auf oder in der Nähe von Tierställen geplant, sollte auf die Ammoniakbeständigkeit von Modulen geachtet werden. Dies prüft die DLG und vergibt ein entsprechendes Gütesiegel. Außerdem sollte das RAL-Gütezeichen Bestandteil des Kaufvertrags sein. Der Fotovoltaik-Anlagenpass sollte die Handwerkerleistung dokumentieren, ist aber eine freiwillige Leistung des Installateurs. Insbesondere in Zeiten hoher Nachfrage werden Anlagenkomponenten angeboten, die ansonsten nur zweite Wahl sind. Deshalb ist es wichtig, die Komponenten gründlich zu prüfen. Seite 2 von 7

3 Der Wechselrichter speist ein, optimiert und überwacht Das Netzeinspeisegerät (NEG), der sogenannte Wechselrichter, wandelt den Strom um und speist ihn ein, optimiert und überwacht den Anlagenbetrieb. Der Wechselrichter erfasst, speichert und überträgt Betriebsdaten und Fehlermeldungen. Bei Netzstörungen oder Netzausfall muss er die Anlage selbstständig vom Netz trennen. Dies geschieht durch eine sogenannte Bidirektionale Netzschnittstelle (BISI). Die installierte Wechselrichterleistung sollte etwa 90 bis 95 % (unter optimalen Bedingungen in Süddeutschland 100 %) der installierten Modulleistung (kw p ) entsprechen. Wechselrichter müssen gegen Berührung, Fremdkörper und eindringendes Wasser oder Staub geschützt sein. Planung einer Fotovoltaikanlage Die Intensität der Solarstrahlung schwankt regional sehr stark. Im Mittel beträgt die Globalstrahlung in Deutschland kwh/m² pro Jahr. Wie in Abbildung 2 zu erkennen ist, tritt ein deutliches Nord-Süd-Gefälle mit den geringsten Globalstrahlungswerten im Nordwesten auf: Abb. 1: Strangwechselrichter (Foto: M. Schwab) Süden: kwh/m² Mitte: kwh/m² Norden: kwh/m² Die erzielbaren Jahreserträge und damit die Wirtschaftlichkeit der Anlage sind neben der geografischen Lage insbesondere von den örtlichen Gegebenheiten abhängig. Werden größere Anlagen geplant, müssen Gutachter eine Ertragsprognose erstellen. Diese wird beispielsweise von Banken zur Einschätzung des Kreditrisikos verlangt. Die durchschnittlichen regionalen Erträge von optimal ausgerichteten Fotovoltaikanlagen liegen zwischen 902 kwh/kw p in Nordwestdeutschland und kwh/kw p im südlichen Bayern und Baden-Württemberg. Die Erträge von Anlagen, die nach Ostsüdost und Westsüdwest ausgerichtet sind, liegen etwa 7 % niedriger (Tab. 1). Abb. 2: Orientierungswerte für die geografische Verteilung der jährlichen Globalstrahlung in kwh/m² (PCGIS European Communities ) Seite 3 von 7

4 Tab. 1: Durchschnittliche regionale Erträge von Fotovoltaikanlagen (Solarenergie-Förderverein Deutschland 2010) Durchschnittliche Erträge [kwh/kwp] Region Postleitzone -45 bis 45 (Süden) 1) -90 bis -45 (Osten) und 45 bis 90 (Westen) 1) Südliches Ostdeutschland Nordostdeutschland Nordwestdeutschland Mitte Westliches Nordrhein-Westfalen Westdeutschland Südhessen, südliches Rheinlad-Pfalz, Saarland Südwestdeutschland Südbayern, südliches Baden-Württemberg Franken, Thüringen ) Neigung der Solarmodule zwischen 30 und 40. Am häufigsten werden Aufdachanlagen montiert Das Montagesystem der Solarmodule muss einerseits sicherstellen, dass an der Fotovoltaikanlage keine Schäden durch Wind- und Schneelast auftreten, andererseits dürfen keine Schäden am Gebäude entstehen. Montagesystem und Module müssen aufeinander abgestimmt sein. Bei Aufdachanlagen werden die Module auf die Trägerprofile gelegt oder sie werden mithilfe eines Schraub-/Klemmsystems befestigt. Dachintegrierte Fotovoltaikanlagen sind wesentlich teurer und haben einen geringeren Stromertrag als Aufdachanlagen, sie sind daher nicht weit verbreitet. Trotz der geringeren Stromerträge und der höheren Kosten kann diese Montageform auch vorteilhaft sein: Wenn beispielsweise das Dach eines Gebäudes ohnehin erneuert werden muss, kann die integrierte Anlage das Dach ersetzen. Beim Ausrichten auf Neigungswinkel achten Ist die Fotovoltaikanlage in einem Bereich zwischen -40 und 40 ausgerichtet, liegen die Erträge nur wenig unter denen, die bei einer optimalen Ausrichtung nach Süden (0 ) zu erwarten wären. Liegt der Neigungswinkel jedoch unter 15 ist die Selbstreinigung der Module durch Regen nicht mehr ausreichend; dies führt zu Leistungseinbußen (Abb. 3). Verschattung möglichst vermeiden Das Modul mit der geringsten Leistung in einem Strang bestimmt die Gesamtleistung. Selbst wenn nur kleine Teilflächen der Module verschattet sind, z. B. durch Stromleitungen oder Antennen, können erhebliche Ertragseinbußen auftreten. Im Idealfall wird eine Fotovoltaikanlage so errichtet, dass auch am Mittag des Tages mit dem tiefsten Sonnenstand (21. Dezember zwischen 10 und 15 Uhr) keine Verschattung auftritt. Ein ausreichender Blitz- und Diebstahlschutz sollten selbstverständlich sein. Abb. 3: Abhängigkeit des jährlichen Sonnenstromertrags (% vom Optimum) von der Ausrichtung des Solargenerators am Gebäude ( Seite 4 von 7

5 Rechtliche Grundlagen Damit Strom aus Fotovoltaikanlagen nach dem EEG vergütet wird, muss der Betreiber den Standort und die Leistung an die Bundesnetzagentur spätestens zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme melden. Solarstromanlagen an Gebäuden benötigen keine Baugenehmigung, wenn sie parallel zum Dach errichtet werden; hier gilt die schlichte Genehmigungsfreiheit. Bei anderen Anbringungsformen unterscheiden sich die Bauordnungen der einzelnen Länder. Es empfiehlt sich, bei Belangen des Denkmalschutzes die zuständige Behörde frühzeitig in die Anlagenplanung einzubinden. Die Montage von Fotovoltaikanlagen auf Asbestzementdächern ist grundsätzlich verboten. Kostenvoranschläge und Angebote möglichst detailliert Um die Angebote für Fotovoltaikanlagen vergleichen zu können, müssen die Positionen im Kostenvoranschlag möglichst detailliert aufgelistet sein. Neben den Angaben zur Gesamtleistung, zu den verwendeten Anlagenkomponenten (Solargenerator, Wechselrichter/Netzeinspeisegerät, Zähler, Netzanschluss, Kabel, Arbeitszeit) und zum geplanten Anlagenkonzept sollten auch die zur Montage nötigen Bestandteile wie Anschlusskabel, Montagesystem und evtl. Generatoranschlusskasten sowie die Garantieleistungen aufgeführt sein. Für spätere Wartungs- und Erweiterungsarbeiten sollte eine ausführliche Anlagendokumentation schon im Angebot berücksichtigt werden. Computersimulierte Ertragsabschätzungen sollten ebenfalls enthalten sein. Das Einholen von mindestens drei Angeboten ist ratsam. Netzanschluss Netzbetreiber sind durch das EEG grundsätzlich dazu verpflichtet, Netzanschlüsse zu genehmigen und die Anlage am technisch und wirtschaftlich günstigsten Verknüpfungspunkt an das Stromnetz anzuschließen. Das Vorhaben zum Netzanschluss wird durch den Elektroinstallateur beim Netzbetreiber vor der Montage der Anlage angemeldet. Dazu sind folgende Unterlagen einzureichen: Lageplan mit der Bezeichnung und den Grenzen des Grundstückes aus dem der Aufstellungsort der Anlage hervorgeht Technische Daten der verwendeten Komponenten (Datenblätter von Modulen und Wechselrichtern) Beschreibung der Schutzeinrichtungen Übersichtsschaltplan der elektrischen Anlage Danach erfolgt ebenfalls beim Netzbetreiber die Anmeldung zur Inbetriebnahme. Damit Strom aus Fotovoltaikanlagen nach dem EEG vergütet wird, muss der Betreiber den Standort und die Leistung über das Fotovoltaik-Meldeportal an die Bundesnetzagentur melden: Diese Meldung erfolgt, wenn der Zeitpunkt der Inbetriebnahme feststeht jedoch spätestens zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme. Hierzu werden folgende Daten übermittelt: Standort der Anlage Neu installierte Leistung in kwp Tag der Inbetriebnahme Die Meldung bei der Bundesnetzagentur muss beim Netzbetreiber nachgewiesen werden, um die Einspeisevergütung zu erhalten. Sie erfolgt durch eine schriftliche Bestätigung des Anlagenbetreibers oder Zusendung einer Kopie des Meldeformulars. Seite 5 von 7

6 Durch das EEG ist der Verbundnetzbetreiber verpflichtet, den Strom aus Fotovoltaikanlagen vollständig abzunehmen und nach den EEG-Regelungen zu vergüten; deshalb ist kein Vertrag erforderlich. Es besteht jedoch Vertragsautonomie, sodass jeder Betreiber selbst entscheiden kann, ob er einen Vertrag schließt, mit wem er ihn schließt und welchen Inhalt der Vertrag hat. Eigenverbrauch In der aktuellen Fassung des EEG ist geregelt, dass nur bis zu 90 % des Stroms von Anlagen mit einer installierten Leistung zwischen 10 kw und 1 MW mit dem aktuellen EEG-Vergütungssatz vergütet werden. Mindestens 10 % des erzeugten Stroms sollten also selbst verbraucht oder direkt vermarktet werden können, da ansonsten für diesen Anteil des Stroms nur der geringere Börsenmarktwert gezahlt wird. Da die Vergütungssätze in der Regel unterhalb der Preise für den Strombezug liegen, sollte ein möglichst hoher Eigenverbrauchsanteil angestrebt werden. Soll Solarstrom selbst verbraucht werden, ist hierfür ein zusätzlicher Zähler erforderlich. Betreiberhaftpflicht ist ratsam Anlagen auf dem eigenen Einfamilienhaus können normalerweise über die Privathaftpflicht oder im Falle von Unternehmensgebäuden über die Betriebshaftpflicht versichert werden. Empfehlenswert ist eine schriftliche Anfrage beim Versicherer zur Klärung der Schadensdeckung. Schäden durch Störungen des Stromnetzes (z. B. Überspannungen) sind oftmals nicht gedeckt. Hierfür ist ergänzend eine Betreiberhaftpflicht sinnvoll. Diese ist auch bei dem Bau einer Anlage auf einem fremden Dach notwendig. Geringer Wartungsaufwand trotz täglicher Kontrolle Arbeitszeitbedarf und Wartungsaufwand von Fotovoltaikanlagen sind sehr gering. Da Störungen jedoch längere Zeit unbemerkt bleiben können und somit zu erheblichen Ertragseinbußen führen, ist eine regelmäßige Kontrolle und Wartung der Anlage erforderlich. Die Erträge der Anlage sollten laufend, d. h. einmal täglich, kontrolliert werden. Hierzu werden die Leistungsdaten an den Wechselrichtern abgelesen und protokolliert, Störungen können anhand von Leistungsabweichungen der Wechselrichter zueinander erkannt werden. Häufig sind die Daten auch über eine Mobilfunkschnittstelle im Internet abrufbar. Die Verschmutzung der Anlage sollte regelmäßig geprüft werden. Die Ertragseinbußen können 10 % oder mehr pro Jahr betragen. Normalerweise ist jedoch die Selbstreinigung der Module bei einem Neigungswinkel von mehr als 15 ausreichend. Weitere Ursachen für Mindererträge sind fehlerhafte Dimensionierung sowie Defekte und Regelungsprobleme der Wechselrichter, fehlerhafte Module, Bypassdioden und Sicherheits- und Schutzeinrichtungen. 8,3 3,9 4,2 5,5 2,1 2,1 1,2 0,4 Wechs elrichter 3,3 Verkabelung Glas s cheiben Z e lle n Übers pannung Anschlussdose Überw achung Modulra hme n 69,1 Sonstiges Folien auf der Rücks eite Abb. 4: Prozentuale Verteilung der Anlagenkomponenten an Betriebsstörungen Seite 6 von 7

7 Steuern, Recht und Finanzen beim Betrieb einer Anlage Der Betrieb einer Solaranlage entspricht nach den Regelungen des Einkommensteuerrechts grundsätzlich einer originär gewerblichen Tätigkeit. Da durch den Betrieb der Fotovoltaikanlage Einkünfte aus gewerblicher Tätigkeit gemäß 15 EStG erzielt werden, ist sowohl eine Anmeldung bei der Gemeindeoder Stadtverwaltung als auch eine Anzeige an das Finanzamt nötig. Steuerrechtlich fallen bei Fotovoltaikanlagen Einkommen-, Gewerbe- und Umsatzsteuer an. Eine Aufzeichnungs- oder Buchführungspflicht besteht nach HGB, da es sich um ein selbstständiges Unternehmen handelt. Neben den Mindestvergütungssätzen nach dem EEG bestehen bundesweit Möglichkeiten, Investitionen über zinsgünstige Kredite zu finanzieren beispielsweise über Kredite der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW). Die Vergütungssätze sind für 20 Jahre garantiert. Fazit Durch die Planungssicherheit des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) sind Investitionen in Fotovoltaikanlagen nach wie vor attraktiv. Wirtschaftlich sinnvoll sind Investitionen jedoch erst dann, wenn die Rendite deutlich über den Kapitalmarktzinsen für langfristige Geldanlagen liegt. Ob dies bei der schrittweisen Absenkung der Einspeisevergütung derzeit noch gewährleistet ist, hängt im Wesentlichen vom gewählten Standort und der Höhe der Investitionen ab. Positiv wirken sich hier die parallel zur Vergütung abfallenden Herstellungskosten der Fotovoltaikanlagen aus. Durch Eigenverbrauch des Solarstroms lässt sich die Rendite abhängig vom Anteil und den in der Landwirtschaft üblichen Strompreisen steigern. Insbesondere bei steigenden Strompreisen wird die Eigennutzung immer interessanter werden. Voraussetzung für den wirtschaftlichen Erfolg ist allerdings eine sorgfältige Planung und Kostenkalkulation. Quelle Uwe Häußermann und Helmut Döhler (2011): Bauern unter Sonnen-Strom, 3. überarbeitete Auflage, KTBL-Heft 93, Darmstadt Literatur Rolink, D.; Neumann, H. (2009): Solar-Umfrage: Wechselrichter: Die Schwachstelle im System. In: Top Agrar 8/2009 Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e. V. (KTBL) Bartningstraße Darmstadt Telefon: Fax: Eingetragen im Vereinsregister beim Amtsgericht Darmstadt, Aktenzeichen 8 VR 1351 Vereinspräsident: Prof. Dr. Thomas Jungbluth Geschäftsführer: Dr. Martin Kunisch (kom.) Verantwortlich im Sinne des Presserechts: Dr. Martin Kunisch Diese Information wurde vom KTBL und den Autoren nach bestem Wissen und Gewissen zusammengestellt. Das KTBL und die Autoren übernehmen keine Gewähr für Aktualität, Vollständigkeit und Fehlerfreiheit der bereitgestellten Inhalte. Herausgegeben mit Förderung des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e. V. Nachdruck nur mit Quellenangabe. Seite 7 von 7