FRANKFURT AM MAIN. Alterung von Photovoltaikzellen. ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht

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1 ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht FRANKFURT AM MAIN Alterung von Photovoltaikzellen Bjarne Bensel Benjamin Cornelius Selig Schule: Weidigschule Butzbach Gymnasium des Wetteraukreises Jugend forscht 2015

2 2015 Alterung von Photovoltaikzellen Jugendforscht-Projekt von Bjarne Bensel & Benjamin C. Selig Bjarne Bensel & Benjamin C. Selig betreut von Dr. F. Graubner

3 Inhaltsverzeichnis: Fragestellung und erste Überlegungen:... 2 Zur Photovoltaikanlage:... 3 Erträge der Photovoltaikanlage:... 4 Datenursprung:... 4 Auswertung der Erträge:... 5 Berücksichtigung der Sonnenscheindauer:... 5 Datenursprung:... 5 Sonnendaten:... 5 Auswertung der Sonnenscheindaten:... 6 Effizienz:... 7 Berechnung der Effizienz:... 7 Auswertung der Effizienz:... 8 Auswertung der Ergebnisse:... 8 Fazit: Quellen und Literaturverzeichnis: Danksagung: Seite 1 von 12

4 Fragestellung und erste Überlegungen: Am Anfang unseres Projektes überlegten wir, welches Thema wir untersuchen könnten. Nach einigen Überlegungen sind wir auf die Photovoltaikanlage unserer Schule aufmerksam geworden. Da diese Anlage bereits seit vielen Jahren auf der Schule montiert ist, ist der Wirkungsgradverlust ein interessantes Thema. Dies führte uns zu der Frage: Um wie viel Prozent hat sich der Wirkungsgrad unserer Schul-Photovoltaikanlage im Lauf ihrer bisherigen Betriebsdauer von 15 Jahren geändert? Unsere Erwartung war, dass keine gravierende Veränderung innerhalb eines Jahres messbar ist. Aber aufgrund des hohen Alters der Anlage konnten wir die Hoffnung haben, merkliche Wirkungsgradveränderungen nachzuweisen. Da eine Photovoltaikanlage teuer ist, muss ein Investor vor dem Bau abschätzen, ob er sich rentiert. In der Regel geht man von einer Betriebsdauer von 20 Jahren aus. Diese Zeitspanne legen auch das Finanzamt als Abschreibungsdauer und die Hersteller als Garantiezeit fest. Es ist also aus betriebswirtschaftlichen Gründen wichtig zu wissen, ob und wie sich der Wirkungsgrad einer Photovoltaikanlage im Laufe der Zeit verändert. Um dieses Projekt zu realisieren, brauchten wir Daten, welche uns unsere Fragestellung beantworten. Unsere erste Idee war es, den aktuellen Wirkungsgrad herauszufinden, indem wir die Anlage mit einer gewissen Lichtintensität bestrahlen und dann die erzeugte elektrische Leistung zu messen. Dies war jedoch nicht möglich, da uns die Gerätschaften zur Simulation der Sonnenstrahlung fehlten. Auch hätten wir die Photovoltaikanlage dafür vom Netz trennen müssen, um unsere Messgeräte anzuschließen. Dies wurde uns von der Schule wegen der berührungsgefährlichen Spannungen nicht gestattet. Eine andere Idee an Daten zu kommen war der Stromzähler, der kontinuierlich die ins Stromnetz eingespeiste Energie zählt. Um diese Idee zu verwirklichen, mussten wir uns die früheren Zählerstände des Stromzählers besorgen. Seite 2 von 12

5 Zur Photovoltaikanlage: Die Photovoltaikanlage der Schule besteht aus 9 Modulen KC des Herstellers Kyocera. Die Gleichspannung der einzelnen Module wird durch einen Wechselrichter der Firma SunnyBoy in das örtliche Stromnetz eingespeist. Die Module enthalten polykristalline Silizium-Solarzellen, die auf einem Flachdach auf einem Metallgestell montiert sind. Um eine optimale Sonneneinstrahlung zu erzielen, wurde sie nach Süden ausgerichtet und mit einem Neigungswinkel von 30 aufgestellt. Die gesamte Anlage wurde im Rahmen des Projekts SONNEONLINE aufgestellt und ging am 15.Juni 1999 ans Netz. Das Projekt SONNEONLINE wurde an über 400 Schulen durchgeführt. Dabei wurden an jeder dieser Schulen eine Photovoltaikanlage errichtet und die Daten zentral gesammelt. Das Frauenhofer-Institut Solare Energiesysteme wertete die Daten der Schulen aus. Seite 3 von 12

6 Ertrag in kwh Erträge der Photovoltaikanlage: Datenursprung: Die Zählerstände der Photovoltaikanlage erfragten wir bei der EVB (Energie & Versorgung Butzbach) und bekamen sämtliche Rechnungen von 2003 bis Die Zählerstände von 1999 bis 2003 entnahmen wir einem Zwischenbericht von Gerhard Weide, der das Projekt SONNEONLINE an unserer Schule betreut hatte. Für das Jahr 2013 sind keine nutzbaren Werte vorhanden, da in diesem Jahr die Schule umfangreich saniert und die Anlange für längere Zeit demontiert wurde. Nach Aussagen des Schulassistenten Herr Fischer lief die Anlage ansonsten ohne wesentliche Unterbrechungen mit dem originalen Wechselrichter und Stromzähler seit Jahr Zählerstand in kwh Ertrag in kwh Ertrag in kwh Linear (Ertrag in kwh) y = -12,023x Korrelation: R 2 = 0, Jahr Seite 4 von 12

7 Auswertung der Erträge: Die Erträge der Photovoltaikanlage sind im Laufe der 15 Jahre im Mittel deutlich zurückgegangen. Dies sieht man an der Ausgleichsgeraden im Diagramm auf der vorherigen Seite. Der Rückgang beträgt insgesamt rund 170 kwh bzw. 16%, d.h. pro Jahr eine Abnahme von ungefähr 12 kwh bzw. 1,2%. Wir können von den Erträgen der Anlage nicht auf den Wirkungsgrad schließen, da wir nicht davon ausgehen können, dass die Sonneneinstrahlung in diesen Jahren konstant war. Deswegen haben wir uns überlegt, dass wir die Sonnenscheindauer mit einberechnen müssen. Berücksichtigung der Sonnenscheindauer: Datenursprung: Wir benötigten also die Sonnenscheindauer. Diese kann man über die Website des Deutschen Wetterdienstes beziehen. Allerdings waren für Butzbach keine Daten vorhanden. Deshalb wählten wir dort die Daten von Frankfurt und Gießen und bildeten für Butzbach den Mittelwert als Näherungswert. Sonnendaten: Jahr Sonnenscheindauer (in Stunden) Frankfurt a. M. Sonnenscheindauer (in Stunden) Gießen Sonnenscheindauer Mittelwert FFM-GI (in Stunden) ,9 1510,9 1534, ,3 1604,1 1582, ,5 1512,2 1565, ,6 2169,8 2153, ,4 1625,2 1628, ,2 1750,8 1760, ,1 1706,4 1722, ,8 1657,9 1702, ,9 1514,3 1510, ,3 1572,8 1658, ,8 1537,4 1615, ,6 1747,1 1845, ,1 1594,5 1694, ,0 1445,6 1480, ,0 1492,2 1551,60 1 Bis Seite 5 von 12

8 Sonnenscheindauer in Stunden Sonnenscheindauer in Stunden 2500 Sonnenscheindauer Mittelwert FFM-GI Jahr Sonnenscheindauer Mittelwert FFM-GI Linear (Sonnenscheindauer Mittelwert FFM-GI) y = -5,2422x Korrelation: R² = 0,0194 Auswertung der Sonnenscheindaten: Bezogen auf die Ausgleichsgerade nahm die Sonnenscheindauer im Beobachtungszeitraum von 2000 bis 2014 um 4,3% ab. Dieses Ergebnis relativiert sich aber, wenn der außergewöhnlich hohe Wert von 2003 unbeachtet bleibt: 2500 Sonnenscheindauer Mittelwert FFM-GI Jahr Sonnenscheindauer Mittelwert FFM-GI Linear (Sonnenscheindauer Mittelwert FFM-GI) y = -5,2422x Korrelation: R² = 0,0194 Dann ergibt sich sogar ein entgegengesetzter Trend mit leicht ansteigender Sonnenscheindauer. Wir können also davon ausgehen, dass der Rückgang der Erträge von insgesamt 16% nicht wesentlich durch die Sonnenscheindauer beeinflusst worden ist. Dies erkennt man auch in folgendem Diagramm, in dem die Effizienz dargestellt wird. Dabei verstehen wir unter Effizienz die produzierte elektrische Energie pro Sonnenstunde. Seite 6 von 12

9 Effizienz in kwh/h Effizienz: Berechnung der Effizienz: Jahr Sonnenscheindauer Mittelwert (in Stunden) Ertrag in kwh Effizienz in kwh/h (Ertrag durch Sonnenscheindauer) , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Keine verwendbaren Werte, da Anlage nicht durchgehend in Betrieb war. 0,7 Effizienz 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Effizienz Linear (Effizienz) y = -0,0071x + 14,791 Korrelation: R 2 = 0, Jahr Seite 7 von 12

10 Auswertung der Effizienz: Der Gesamtrückgang der Effizienz beträgt ca. 17%, d.h. pro Jahr 1,2%. Die Berücksichtigung der Sonnenscheindauer hat unser Ergebnis von Seite 12 nicht schwerwiegend verändert. Der Gesamtrückgang von 1,2% pro Jahr ist selbstverständlich mit einer Unsicherheit behaftet. Excel lieferte uns bei der Berechnung der Ausgleichsgeraden einen Fehler von ±7% bezüglich der Steigung. Somit erhalten wir einen Effizienzrückgang von 1,2% ± 0,1%. Auswertung der Ergebnisse: Der Rückgang der Effizienz der Photovoltaikanlage wird durch verschiedene Einflüsse verursacht. In der Literatur findet man unter dem Begriff Degradation Folgendes: 2,3 1. Browning Darunter versteht man altersbedingte Trübung und Gelb- bzw. Braunfärbung der Abdeckung in Folge von UV- und Wärmestrahlung. 2. Zellkorrosion Durch Eindringen von Feuchtigkeit in die Zellen, werden die Zellen schadhaft verändert. 3. Hot-Spots Infolge von Teilabschattung kann es in den abgeschatteten Zellen zur Hitzeentwicklung und dadurch zu lokaler Zerstörung an den Zellen kommen, da diese als Verbraucher arbeiten. 4. Veränderung der Kristallstruktur Veränderung der Kristallstruktur durch den Einfluss der Wärmebewegung der Atome und Moleküle. Zu 1.: Unsere Photovoltaikmodule zeigen keine Anzeichen von Browning. Man findet lediglich geringe Verunreinigung an den Rändern der Module (Schmutz), die umweltbedingt entstehen und meist einfach zu beseitigen sind. Zu 2.: Die Kunststoffoberfläche ist überall intakt und bemerkenswert glatt. Deshalb konnte keine Feuchtigkeit in die Module eindringen und so die Zellen korrodieren. Zu 3.: Eine Teilabschattung kann durch die Ausrichtung und Lage der Anlage nur in späten Abendstunden auftreten, sodass wir eine Schädigung durch Hot-Spots ausschließen können. Zu 4.: Folglich muss bei unserer Anlage der Effizienzrückgang im Wesentlichen durch die Veränderung der Kristallstruktur verursacht worden sein. In der Literatur findet man, dass bei neueren Anlagen die Probleme 1. bis 3. keine große Bedeutung Seite 8 von 12

11 besitzen. Dies trifft offensichtlich auch auf unsere Anlage zu. Die Effizienzverluste werden für mono- und polykristalline Zellen in der Literatur 2 mit etwa 1% pro Jahr beziffert. Speziell für Kyoceramodule 3 des Typs KC 125G liegen die gemessenen Effizienzverluste etwas niedriger. Der Effizienzrückgang pro Jahr unserer Anlage ist mit 1,2% nur geringfügig größer. Seite 9 von 12

12 Fazit: Die Photovoltaikanlage unserer Schule hat in den vergangen 15 Jahren ungefähr kwh Energie produziert und in das örtliche Stromnetz eingespeist. Diese Energiemenge liegt sehr nah an den Erwartungen 4 von kwh auf eine Laufzeit von 15 Jahren aus dem Jahr Dabei ist ein Effizienzverlust von 17% eingetreten. Dieser ist durch die Veränderung der polykristallinen Struktur in den Solarmodulen zu begründen, da andere aus der Literatur 2 bekannten Ursachen für Effizienzrückgänge wie Browning, Zellkorrosion oder Hot-Spots nicht auf unsere Anlage zutreffen. Auch die Berücksichtigung des Wetters hat keine nennenswerte Änderung der Effizienz gezeigt. Aus unseren Messwerten kann man leider nicht ersehen, bis wann die Photovoltaikanlage Energie produzieren wird, da wir das zukünftige Alterungsverhalten der Anlage nicht abschätzen können. Bei einem gleichbleibenden jährlichen Effizienzverlust würde die Anlage noch ca. 65 Jahre Energie produzieren. Jedoch wäre ein Betrieb vorher nicht mehr sinnvoll, da für einen wirtschaftlichen Betrieb ein Mindestumsatz von elektrischer Energie notwendig ist. Bezieht man sich auf eine Betriebsdauer von 20 Jahren (Abschreibungsdauer, Garantiezeit), so können wir aufgrund unserer Ergebnisse für unsere Module von einem Effizienzrückgang von ca. 23% ausgehen. Der mittlere Ertrag wird also um ca. 11,5% niedriger sein als der Ertrag der neuen Anlage. Dies muss man bei Investitionsentscheidungen berücksichtigen. Seite 10 von 12

13 Quellen und Literaturverzeichnis: 1 abgerufen am abgerufen am abgerufen am Photovoltaik an der Weidigschule (Zwischenbericht) von Gerhard Weide Wetterdaten: w_start&t gsbdocumentpath=navigation%2foeffentlichkeit%2fklima Umwelt%2FKlimadaten%2Fkldaten kostenfrei%2fausgabe monatswerte node.html%3f nnn %3Dtrue abgerufen am w_klima_umwelt_klimadaten_deutschland&t82002gsbdocumentpath=navigation%2foeffentlichkei t%2fklima Umwelt%2FKlimadaten%2Fkldaten kostenfrei%2fausgabe monatswerte node.htm l%3f nnn%3dtrue abgerufen am Zählerstände: EVB (Energie & Versorgung Butzbach) Photovoltaik an der Weidigschule (Zwischenbericht) von Gerhard Weide Seite 11 von 12

14 Danksagung: Ein großer Dank gilt unserem Projektbetreuer Dr. F. Graubner, welcher uns die Durchführung dieses Projektes überhaupt erst ermöglicht hat. Weiterhin danken wir der EVB (Energie & Versorgung Butzbach) und dem DWD (Deutscher Wetterdienst) für die Bereitstellung der für uns benötigten Daten. Seite 12 von 12