Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis

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1 Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis Dr.-Ing. Frank Tetzlaff Marten Grau Forschungs- und Beratungszentrum für agrartechnische Systeme e.v. Halle (Saale)

2 Forschungs- und Beratungszentrum für agrartechnische Systeme e.v. An-Institut an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (Anerkennung beantragt) Vorsitzender: Prof. Dr. Peter Pickel Stellv. Vorsitzender: Frau Dr. Sabine Bernsdorf Kontakt: An-Institut FBZ AS e.v. c/o Institutsbereich Agrartechnik Julius-Kühn-Str Halle/Saale Begleitung und Durchführung von innovativen Forschungsarbeiten auf dem Gebiet agrartechnischer Systeme und agrarischer Stoffund Energiewandlung Organisation und Durchführung von wissenschaftlichen Tagungen und Vortragsveranstaltungen Herausgabe und Veranlassung von Veröffentlichungen und Berichten Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 2

3 Inhalt Grundlagen der Solarenergienutzung in Deutschland Möglichkeiten der Solarenergienutzung in der Landwirtschaft Planungskriterien Bewertungskriterien (für jedermann) Realisierte und nicht realisierte Anlagen Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 3

4 Inhalt Grundlagen der Solarenergienutzung in Deutschland Möglichkeiten der Solarenergienutzung in der Landwirtschaft Planungskriterien Bewertungskriterien (für jedermann) Realisierte und nicht realisierte Anlagen Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 4

5 Globalstrahlung Tagesgang Sommer Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 5

6 Globalstrahlung Tagesgang verschiedene Jahreszeiten Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 6

7 Globalstrahlung Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 7

8 Jahresgang der Globalstrahlung in Abhängigkeit vom Aufstellwinkel Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 8

9 Verteilung der Globalstrahlung Jährliche Globalstrahlung Bremen 1055 Berlin 1024 Köln 1050 Dresden 998 Frankfurt 1088 Würzburg 1115 Stuttgart 1139 München 1186 Mittelwert: 1100 kwh/(m²a) Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 9

10 Inhalt Grundlagen der Solarenergienutzung in Deutschland Möglichkeiten der Solarenergienutzung in der Landwirtschaft Planungskriterien Bewertungskriterien (für jedermann) Realisierte und nicht realisierte Anlagen Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 10

11 Möglichkeiten der Solarenergienutzung Nutzung der Solarenergie zur Erzeugung von Wärme Nutzung der Solarenergie zur Erzeugung von Strom Solarthermische Anlagen Photovoltaik-Anlagen (PV-Anlagen) Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 11

12 Solarthermische Anlage zur Erzeugung von Wärme Funktionsweise: Der Solarkollektor erwärmt die Flüssigkeit im Primär-Kreislauf. Diese Wärme wird im Speicher an den Sekundär-Kreislauf übertragen. Falls die Solarwärme nicht ausreicht, erfolgt eine Nachheizung. Der Sekundär-Kreislauf gibt die Wärme an den Verbraucher ab. Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 12

13 Photovoltaik-Anlage zur Erzeugung von Strom Schaltschema einer netzgekoppelten PV-Anlage Funktionsweise: Der Solargenerator, bestehend aus verschalteten Modulen, erzeugt Gleichstrom. Dieser wird vom Wechselrichter in Wechselstrom 230V umgewandelt. Der umgewandelte Wechselstrom wird komplett in das öffentliche Netz eingespeist. Der eingespeiste Strom wird vom EVU vergütet. Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 13

14 Möglichkeiten der Solarenergienutzung in der Landwirtschaft (Solarthermie) 1. Solaranlage zur Warmwasserbereitung für landwirtschaftlichen Haushalt: - übernimmt die Brauchwassererwärmung - von März bis September fast keine Zuheizung über Heizkessel nötig 2. Solaranlage zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung eines Sauenbetriebes (Fußbodenheizung für Ferkel): - Übernimmt, zusätzlich zur Brauchwassererwärmung, die Unterstützung der Raumheizung der Sauenplätze incl. dazugeh. Ferkelplätze - Ziel: Versorgung der Heizenergie in Juni, Juli und August 3. Solaranlage zur Samentrocknung von Blumen 4. Solaranlage zur Trocknung von Getreide und Heu 5. Solaranlage zur Erzeugung von Wärme/Kälte zur Stallklimatisierung Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 14

15 Möglichkeiten der Solarenergienutzung in der Landwirtschaft (Photovoltaik) Inselanlagen Verbraucher werden direkt oder über eine Zwischenspeicherung versorgt Anwendung zur Stromversorgung netzferner Anwendungen (Beleuchtung, Wasserpumpen, Funk- und Signaltechnik, Weidetechnik, Tränkanlagen, Bewässerungen, Fischteichbelüftungen) Netzgekoppelte Anlagen Gesamter erzeugte Strom wird ins Netz eingespeist Eigengenutzter Strom wird komplett dem Netz entnommen Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 15

16 Inhalt Grundlagen der Solarenergienutzung in Deutschland Möglichkeiten der Solarenergienutzung in der Landwirtschaft Planungskriterien Bewertungskriterien (für jedermann) Realisierte und nicht realisierte Anlagen Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 16

17 Welche Komponenten gehören dazu? Modul Verbindungsleitungen Wechselrichter Erdungsleitung Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 17

18 Aufbau und Wirkungsweise einer Solarzelle Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 18

19 Solarzellentypen Polykristalline Module Aus Si-Schmelze werden Blöcke gegossen und anschließend in Scheiben zersägt Monokristalline Module Aus hochreiner Si-Schmelze werden Stäbe gezogen und anschließend in Scheiben zersägt Amorphe Module Si wird auf Glas oder anderes Material in dünne Schichten aufgetragen (auch Dünnschichtmodule genannt) Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 19

20 Wirkungsgrade von PV-Modulen Material Wirkungsgrad in % Labor (bei 25 C) Monokristallines Silizium Wirkungsgrad in % industriell produzierte Zellen etwa bis 17 Polykristallines Silizium Amorphes Silizium etwa bis 15 etwa 13 5 bis 7 Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 20

21 Datenblatt PV-Modul Angabe der Leistung (Nennleistung) in W P Leistung für 1 Modul Gesamtleistung der Anlage: Anzahl der Module mal Leistung für 1 Modul Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 22

22 Voraussetzungen Optimaler Energieeintrag: Ausrichtung der Module nach Süden Neigungswinkel 30 möglichst ganzjährig schattenfrei Flächenlast der Module + Gestell ca. 16 kg/m² Flächenbedarf: polykristalline Module 50 m² für 6 kw P, 100 m² für 12 kw P,... amorphe Module 100 m² für 6 kw P, 200 m² für 12 kw P,... Laut Bauordnung der Länder Sachsen, Sachsen-Anhalt und Thüringen sind PV-Anlagen nicht genehmigungspflichtig (Solarenergieanlagen und Sonnenkollektoren in und an Dach- und Außenwandflächen sowie gebäudeunabhängig mit einer Höhe bis zu 3 m und einer Gesamtlänge bis zu 9 m) Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 24

23 Planung photovoltaischer Anlagen 1. Einfluß- und Auslegungsgrößen Standort Globalstrahlung variiert in Deutschland zwischen kwh/m²a Jahreszeitliche Schwankungen (2/3 des Energieangebotes April-September) Ausrichtung (Azimutwinkel) Dachausrichtung (Abweichung der Modulebene aus der Südrichtung) Optimal Südausrichtung Dachflächen mit Ost- bzw. West-Ausrichtung: Vergrößerung der Modulfläche derselbe Energieeintrag Neigungswinkel Winkel zwischen Horizontale und dem geneigten Modul (optimal ) Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 25

24 Planung photovoltaischer Anlagen 1. Einfluß- und Auslegungsgrößen Energiebedarf Beinhaltet den Verbrauch an elektrischer Energie in bestimmten Zeitabschnitt (4-Personen-Haushalt: ca kwh/a) Beschattung Ertragseinbuße durch Verschattung vermeiden (Gebäude, Bäume, Gaupen oder Schornsteine) Anlagenverluste Solarmodule erzeugen Gleichspannung/ Gleichstrom Einspeisung erfolgt als Wechselspannung/ Wechselstrom (Umwandlungsverluste im Wechselrichter und auf den Leitungen ca. 20 % bei guten Komponenten) Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 26

25 Planung photovoltaischer Anlagen 2. Auswahl der Solaranlagen 2.1 Auslegung nach dem zu produzierenden Energiebedarf 2.2 Auslegung nach der zur Verfügung stehenden Fläche 2.3 Auslegung nach der zur installierenden Leistung [kw P ] Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 27

26 Planung photovoltaischer Anlagen 2. Auswahl der Solaranlagen 2.1 Auslegung nach dem zu produzierenden Energiebedarf Kunde möchte im Raum Leipzig kwh/a erzeugen (Einstrahlung kwh/m²a) Leistung des Modul 325 W P progn. Ertrag 870 kwh/kw P 282,75 kwh/modul kwh/282, Module Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 28

27 Planung photovoltaischer Anlagen 2. Auswahl der Solaranlagen 2.2 Auslegung nach der zur Verfügung stehenden Fläche Kunde möchte im Raum Leipzig 500 m² Dachfläche nutzen (Einstrahlung kwh/m²a) Maße des Modul 2,15 m x 1,25 m = 2,69 m² 186 Module 500,34 m² Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 29

28 Planung photovoltaischer Anlagen 2. Auswahl der Solaranlagen 2.3 Auslegung nach der zur installierenden Leistung [kw P ] Kunde möchte im Raum Leipzig 30 kw P Leistung installieren (Einstrahlung kwh/m²a) Ertrag eines Moduls 85 W P 352 Module W P Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 30

29 Planung photovoltaischer Anlagen 3. Auswahl der Wechselrichter Wechselrichter für Wechselspannung sind derzeit auf 6000 Watt Leistung begrenzt größere Leistungen durch Lastverteilung oder Drehstrom- Einspeisung Zusammenschaltung der Module in Reihe sowie mehrere Reihen in Parallelschaltung notwendig Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 31

30 Inhalt Grundlagen der Solarenergienutzung in Deutschland Möglichkeiten der Solarenergienutzung in der Landwirtschaft Planungskriterien Bewertungskriterien (für jedermann) Realisierte und nicht realisierte Anlagen Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 32

31 Bewertungskriterium Verhältnis der Gesamtkosten zu progn. Einnahmen Gesamtkosten:??? Progn. Einnahmen (im 1. Jahr):??? / Jahr Amortisationszeit = Gesamtkosten / Progn. Einnahmen (im 1. Jahr) X Jahre Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 33

32 Gesamtkosten (laut Angebot für eine PV-Anlage) Menge Einzelpreis Gesamtpreis Module Kyocera KC-167 G , , W P LxBxH 1290x990x36 mm Wechselrichter SMA Sunny Boy 5000 LT , ,00 Montagegestell , ,00 Kabel 700 2, ,00 Kleinmaterial, Verbinder pauschal 300,00 300,00 Zählersschrank 1 300,00 300,00 Montage und Inbetriebnahme pauschal 6.000, ,00 Summe ,00 Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 34

33 Prognostizierte Einnahmen (im 1. Jahr) Prognostizierte Einnahmen = Prognostizierter Jahresertrag X Leistung der Anlage X Einspeisevergütung (Jahr der Inbetriebnahme, Anlagentyp, Leistungsklasse) Prognostizierter Jahresertrag Leistung der Anlage Einspeisevergütung (2008, Anlagen auf Gebäude, bis 30 kw) 800 kwh / kw P 25,0 kw P Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 35

34 Das Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) Anwendung: Wasserkraft, Windkraft, Geothermie, Deponiegas, Klärgas, Grubengas, Biomasse, Solarenergie Vergütungssätze für Solarstrom ab (20 Jahre fest) : Jede kwh von PV-Anlagen muß vom Energieversorger mit 57,4 ct für Gebäudeanlagen bis 30 kw P 54,6 ct für Gebäudeanlagen bis 100 kw P 54,0 ct für Gebäudeanlagen über 100 kw P 45,7 ct für Freilandanlagen (zusätzlich 5,0 ct bei Fassadenanlagen) Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 36

35 Einspeisevergütung von PV-Anlagen Art der Anlage Einspeisevergütung [ct/kwh] Jahr der Inbetriebnahme Anlage auf oder an Gebäuden bis 30 kw P 57,40 54,53 51,80 49,21 46,75 Anlage auf oder an Gebäuden bis 100 kw P 54,60 51,87 49,28 46,82 44,48 Anlage auf oder an Gebäuden über 100 kw P 54,00 51,30 48,74 46,30 43,99 Zuschlag für Fassadenanlagen 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 Freiflächenanlagen 45,70 43,42 40,60 37,96 35,49 Stand: EEG Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 37

36 Einspeisevergütung von PV-Anlagen Art der Anlage Einspeisevergütung [ct/kwh] Jahr der Inbetriebnahme Anlage auf oder an Gebäuden bis 30 kw P 46,75 43,01 39,57 36,01 32,77 29,82 Anlage auf oder an Gebäuden bis 100 kw P 44,48 40,91 37,64 34,25 31,17 28,36 Anlage auf oder an Gebäuden über 100 kw P 43,99 Zuschlag für Fassadenanlagen 5,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Anlage auf oder an Gebäuden bis 1 MW P 39,58 35,62 32,42 29,50 26,84 Anlage auf oder an Gebäuden über 1 MW P 33,00 29,70 27,03 24,59 22,38 Freiflächenanlagen 35,49 31,94 28,75 26,16 23,80 21,66 Stand: EEG Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 38

37 Prognostizierte Einnahmen (im 1. Jahr) Prognostizierte Einnahmen = Prognostizierter Jahresertrag X Leistung der Anlage X Einspeisevergütung (Jahr der Inbetriebnahme, Anlagentyp, Leistungsklasse) Prognostizierter Jahresertrag Leistung der Anlage Einspeisevergütung (2008, Anlagen auf Gebäude, bis 30 kw) 800 kwh / kw P 25,0 kw P 46,75 ct / kwh = / Jahr Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 40

38 Amortisationszeit Ausgaben: Einnahmen: / Jahr Amortisationszeit = Gesamtkosten / Einnahmen im 1. Jahr 10,7 Jahre Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 41

39 Inhalt Grundlagen der Solarenergienutzung in Deutschland Möglichkeiten der Solarenergienutzung in der Landwirtschaft Planungskriterien Bewertungskriterien (für jedermann) Realisierte und nicht realisierte Anlagen Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 42

40 PV-Anlage 99,6 kw P Tütschengereuth/ Bay. 830 Module mit je 120 W P Inbetriebnahme 05/2001 Kollektorfläche 883 m² Ausrichtung Süden Neigungswinkel 30 Keine Abschattung Progn. Stromertrag kwh/a kwh kwh/kwp Progn. Jahresertrag 885 kwh / kw P Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 43

41 22,04 kw P -Anlage Zens/ S.-A. Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 44

42 22,04 kw P -Anlage Zens / S.-A. Menge Einzelpreis Gesamt Prozent Module , ,00 69,04 Kyocera KC-167 G2 167 Watt L*B*H 1290 x 990 x 36mm Wechselrichter , ,00 9,78 SMA sunny Boy 5000 LT Montagegestell , ,00 3,29 Alu-Dreieckstützen 30 Grad , ,00 5,49 Solarkabel 700 0,72 504,00 0,50 Mc Stecker PV-KST3 16 2,90 46,40 0,05 Mc Buchse PV-KST3 16 3,30 52,80 0,05 RS485 Verbinder 4 150,00 600,00 0,60 Sunny Boy Control 1 500,00 500,00 0,50 Drehstromzähler 2 99,00 198,00 0,20 Verdrahtung + Inbetriebnahme 1 616,00 0,61 Stehbolzen + Montage ,80 9,88 Summe ,00 100,00 Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 45

43 22,04 kw P -Anlage Zens / S.-A. Verhältnis der Gesamtkosten zu progn. Einnahmen Gesamtkosten: Progn. Einnahmen (im 1. Jahr): / Jahr Amortisationszeit Prognostizierter Jahresertrag Leistung der Anlage Einspeisevergütung (2004, Anlagen auf Gebäude, bis 30 kw) 9,9 Jahre 800 kwh / kw P 22,04 kw P 57,40 ct / kwh Wirtschaftlichkeit Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 46

44 Einspeisung [kwh] 22,04 kw P -Anlage Zens Jun 04 Jul 04 Aug 04 Sep 04 Okt 04 Nov 04 Dez 04 Jan 05 Feb 05 Mrz 05 Apr 05 Mai 05 Prognose: 800 kwh / kw P Messwerte 1. Jahr: kwh / kw P Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 47

45 22,04 kw P -Anlage Zens/ S.-A. Solarertrag [kwh/kwp] Prognose Messwerte Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 48

46 19,20 kw P -Anlage Zens II ( ) Solarertrag Zens II [kwh/kwp] Prognose Messwerte Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 49

47 30,00 kw P -Anlage Külmla/ Thür. Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 50

48 30,00 kw P -Anlage Külmla/ Thür. Menge Einzelpreis Gesamt Prozent Module ,40 93,92 SunEarth 150 Watt L*B*H 1290 x 990 x 36mm Aufdachmontageset Wechselrichter Fronius Outdoor IG 60 6kW Zählerschrank 1 299,00 299,00 0,24 Automat 3-pol 1 89,00 89,00 0,07 Automat 5-pol 1 95,00 95,00 0,08 Verteiler Hensel AP 1 111,25 111,25 0,09 FI-Schutzschalter 1 76,90 76,90 0,06 LS-Schalter CS 32 Möller 5 40,20 201,00 0,16 PVC-Kanal 110/ ,85 223,10 0,18 PVC-Kanal 40/40 7 2,00 14,00 0,01 NYM-I 1 x ,45 95,55 0,08 NYM-I 3 x , ,00 0,94 NYM-0 4 x ,90 67,60 0,05 NYM-0 4 x ,95 23,90 0,02 Kleinmaterial Zubehör 150,00 0,12 Montage und Anschluß , ,00 3,97 Summe ,70 100,00 Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 51

49 30,00 kw P -Anlage Külmla/ Thür. Verhältnis der Gesamtkosten zu progn. Einnahmen Gesamtkosten: Progn. Einnahmen (im 1. Jahr): / Jahr Amortisationszeit Prognostizierter Jahresertrag Leistung der Anlage Einspeisevergütung 9,0 Jahre 800 kwh / kw P 30,00 kw P 46,75 ct / kwh (2008, Anlagen auf Gebäude, bis 30 kw) Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 52

50 30,00 kw P -Anlage Külmla/ Thür Einspeisung [kwh] Jun 08 Jul 08 Aug 08 Sep 08 Okt 08 Nov 08 Dez 08 Jan 09 Feb 09 Mrz 09 Apr 09 Mai : Solarertrag 437 kwh / kw P Wirtschaftlichkeit Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 53

51 167,20 kw P -Anlage Angebot für die geplante Anlage Detailliertes Angebot Angaben zu den Herstellern der PV-Module und der Wechselrichter keine Angaben zur Amortisation, lediglich die Aussage einer jährlichen Einspeisevergütung Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 54

52 167,20 kw P -Anlage Verhältnis der Gesamtkosten zu progn. Einnahmen Gesamtkosten: Progn. Einnahmen (im 1. Jahr): / Jahr Amortisationszeit 11,0 Jahre Prognostizierter Jahresertrag Leistung der Anlage Einspeisevergütung (2008, Anlagen auf Gebäude, über 100 kw) 863,35 kwh / kw P 167,20 kw P 43,99 ct / kwh Wirtschaftlichkeit Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 55

53 108,78 kw P -Anlage Angebot für die geplante Anlage sehr kurzes Angebot Angaben zu den Herstellern der PV-Module keine Angabe zu den Wechselrichter keine Angaben zur Amortisation, lediglich die Aussage zu einem prognostizierten Ertrag der Anlage Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 56

54 108,78 kw P -Anlage Verhältnis der Gesamtkosten zu progn. Einnahmen Gesamtkosten: Progn. Einnahmen (im 1. Jahr): / Jahr Amortisationszeit 9,9 Jahre Prognostizierter Jahresertrag Leistung der Anlage Einspeisevergütung (2008, Anlagen auf Gebäude, über 100 kw) 962,72 kwh / kw P 108,78 kw P 43,99 ct / kwh Wirtschaftlichkeit Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 57

55 Für weitere Informationen 9. Hallesches Agrartechnisches Kolloquium am Lehrstuhl Landtechnik der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg Vorauss. Termin: in Halle/Saale Exakter Termin: erscheint in der Bauernzeitung Oder im Internet: Planung und Realisierung von Anlagen in der Praxis 58

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