Das Magazin für moderne Landwirtschaft SONDERDRUCK aus top agrar 01/2011 Dünnschicht-Module schwächeln!
Solar Dünnschicht-Module schwächeln! Das Lehr- und Versuchs-Zentrum Futterkamp in Schleswig-Holstein vergleicht seit zwei Jahren drei unterschiedliche Modul typen miteinander. Die ersten Ergebnisse liefert Walter Eggersglüß von der Landwirtschaftskammer. Die Kammer in Schleswig-Holstein testet seit 2008 drei verschiedene Modultypen. Fotos: Christiansen, landpixel (2)
Wer heute in eine Photovoltaik- Anlage investieren will, hat die Qual der Wahl. Denn auf dem Markt werden drei verschiedene Modulvarianten angeboten: Da wären zum einen die mono- und polykristallinen Module und zum anderen noch solche auf Dünnschichtbasis. Wie die drei Technologien im direkten Vergleich zueinander abschneiden, testet seit zwei Jahren die Landwirtschaftskammer Schleswig-Holstein. Insgesamt schneiden die drei Typen gut ab. Lediglich die Dünnschichtvariante schwächelt im Vergleich mit den Modulen auf kristalliner Basis. Aber der Reihe nach. Drei unterschiedliche Solaranlagen speisen seit ust 2008 auf dem Kuhstalldach des Lehr- und Versuchs-Zentrums Futterkamp (LVZ) Strom ins Netz. Neben Modulen mit monokristallinen und polykristallinen Siliziumzellen ist auch eine Dünnschichtvariante auf Cadmium-Tellurid-Basis (CdTe) in Betrieb. Gleiche Bedingungen für alle Die drei Anlagen haben jeweils zwischen 33 und 36 kwp Modul-Nennleistung und sind alle parallel zueinander auf einem Dach mit 18 Grad Neigung installiert, dass nicht direkt nach Süden zeigt, sondern mit 35 Grad Versatz nach Westen. Berücksichtigt man bei den Ertragsberechnungen die nicht optimalen Bedingungen von Dachneigung und Ausrichtung, so weisen Berechnungsprogramme einen Minder ertrag von etwa 4 % gegenüber einem Dach mit 30 Dachneigung bei Südausrichtung aus. Größere Bäume stehen nur in westlicher bis nordwestlicher Richtung mit mehr als 50 m Abstand zum Stall entfernt. Sie haben daher nur einen sehr geringen Einfluss auf die Leistung der Testkandidaten. Übersicht 1: Erträge im Vergleich kwh/kwp % ALEO monokristallin 1922 102,1 ALEO polykristallin 1908 101,3 First Solar CdTe Dünnschicht 1818 96,6 Mittelwert 1883 100,0 Vergleich mit der Internet-Datenbank pv-ertraege.de PLZ-Bereich 24... 1815 96,4 Die Umwandlung des in den Modulen erzeugten Gleichstroms in stromnetzkonformen Wechselstrom erfolgt mit String-Wechselrichtern. Die Strommengen fasst ein vom Wechselrichter- Hersteller entwickeltes Programm zusammen. Da die drei Testanlagen unterschiedlich groß sind, werden bzw. wurden die Erträge auf ein Kilowatt installierte Leistung umgerechnet. So lassen sie sich miteinander vergleichen. Mittlerweile liegen die Werte für die ersten zwei Test-Jahre vor. Die Übersicht 1 zeigt die in diesem Zeitraum aufsummierten Erträge und vergleicht diese mit Durchschnittswerten für den Postleitzahlbereich 24000 bis 24999. Letztere stammen aus der im Internet frei einsehbaren Datenbank: www.pv-ertraege.de. Der Vergleich mit den Internet-Daten zeigt, dass die Test-Anlage insgesamt überdurchschnittliche Stromerträge liefert. Sie lagen bisher 3,6 % über denen für die Region eigentlich typischen Werten. Innerhalb der drei Anlagenvarianten gehen die monokristallinen Module als Sieger hervor. Sie lieferten 0,8 % mehr Ertag als die polykristallinen, die Platz zwei inne haben. Das Ergebnis der Dünnschichtmodule lag bisher etwa 5 % unter dem der kristallinen Module. Bei den Monatsergebnissen fällt auf, dass in den Zeiten mit geringem Strahlungsangebot die monokristalline Technik die höchsten Erträge einfährt. In den Sommermonaten übernimmt die Anlage mit den polykristallinen Modulen die Führung. Interessante Informationen brachte auch ein Vergleich der Tageswerte. Ein sehr geringes Solar-Strahlungsangebot, z. B. im Winter und an Regentagen, führt zu Stromerträgen von weniger als 1 Kilowattstunde pro installiertem Kilowatt (kwh/kwp). An diesen Tagen liefert die Anlagenvariante mit monokristallinen Modulen die besten Ergebnisse: Sie lagen oft 5 % über dem Mittelwert (Über- Am schlechtesten schnitten bislang die Dünnschichtmodule ab. Walter Eggersglüß von der Kammer in Schleswig-Holstein. sicht 2, Seite 38). Die polykristallinen als auch die Dünnschichtmodule liegen in etwa auf gleichem Ertragsniveau (zwischen 90 und 100 %). Monokristalline bei schlechtem Wetter besser Nimmt das Strahlungsangebot zu, so schwindet der Vorteil der monokristallinen Variante. Besonders die polykristallinen Module werden besser und erreichen ab etwa 4 kwh/kwp und Tag das Niveau der monokristallinen Module. An den sonnenreichen Sommertagen mit mehr als 5 kwh/kwp überholen die polykristallinen Module sogar die monokristalline Variante. Auch das Modulfeld mit den Dünnschichtmodulen verringert mit zunehmender Sonneneinstrahlung den Abstand, bleibt aber weiterhin unter dem Mittelwert. Im schneereichen Winter 2009/2010 war ein früheres Abrutschen des Schnees bei den rahmenlosen Dünnschichtmodulen zu beobachten, was an einigen Tagen Produktionsvorteile für diese Modulvariante bewirkte. Monokristalline starten früh in den Tag Die Anlagenauswertung ermöglicht auch den Vergleich von Stundenwerten. Für einige Tage mit unterschiedlicher Sonneneinstrahlung wurden diese analysiert. Die monokristallinen Module zeigten sich dabei als Frühstarter, die polykristallinen Module als Langschläfer. Die Dünnschichtanlage startet früher als die polykristalline, fällt aber im Tagesverlauf leicht zurück. Insgesamt muss man den Dünnschichtmodulen aber zugutehalten: Der Standort Futterkamp ist nur wenige Kilometer von der Ostsee entfernt. Es weht
Solar Dünnschichtmodule sind oft günstiger als kristalline Module und werden häufig für Freiflächenanlagen verwendet. Zwischen der Anlage und dem Dach sollten mindestens 10 cm Platz gelassen werden. somit genug Wind, um selbst bei einer hohen Sonneneinstrahlung die Aufheizung der Anlage in Grenzen zu halten. Hintergrund: Je mehr Strom eine Anlage erzeugt, desto wärmer wird sie. Dieses Aufheizen sorgt aber auch dafür, dass der Strom schlechter fließt und der Ertrag sinkt. Dünnschichtmodule auf Cadmium- Tellurid-Basis tolerieren dabei Hitze besser als kristalline Module. Von der guten Hinterlüftung am Standort Futterkamp profitieren somit vor allem die kristallinen Module. In Regionen mit weniger Wind und bei Anlagen, die weniger gut hinterlüftet werden, sind die Differenzen womöglich deutlich geringer oder sogar gar nicht vorhanden. Unter den geschilderten Bedingungen sind die CdTe-Module jedoch nur im Vorteil, wenn sie um mindestens 5 % günstiger sind als die kristallinen. Pauschalempfehlungen auch für andere Regionen und andere Dachneigungen und Abweichungen aus Süd sind hingegen nicht möglich. Wir halten fest In den ersten zwei Betriebsjahren waren alle drei Modulvarianten auf dem Kuhstalldach des Lehr- und Versuchs- Zentrums Futterkamp in der Lage ohne wesentliche Probleme Strom zu produzieren. Obwohl die Dachfläche nicht die optimalen Voraussetzungen bietet, wurde mehr Strom produziert als für die Region üblich. Die mono- und polykristallinen Module konnten in Kombination mit trafolosen Wechselrichtern etwa 5 % mehr Strom produzieren als die Dünnschichtmodule. Die bisher besten Ergebnisse erzielte das Modulfeld mit den monokristallinen Modulen, das sich besonders bei geringer Sonneneinstrahlung auszeichnete. -ro- Übersicht 2: Monokristalline punkten bei geringer Einstrahlung 115 % 110 105 100 95 90 ALEO-monokristallin ALEO-polykristallin First Solar-Dünnschicht Bei einer geringen Einstrahlung sind die monokristallinen Module im Vorteil. Grafik: Driemer 85 0 1 2 3 4 5 6 7 8 < gering Solarstrahlung hoch > Dieser Sonderdruck wird mit besonderer Genehmigung des Landwirtschaftverlages GmbH, Hülsebrockstraße 2-8, D-48165 Münster, herausgegeben.
34 Technik BAUERNBLATT l 6. ober 2012 Vier Jahre Sonnenstrom in Futterkamp Zuverlässige Produktion bei wenig Störungen Ende ust 2012 jährte sich die Inbetriebnahme zum vierten Mal. Die drei Modulfelder der Photovoltaikanlage des Lehr-und Versuchszentrums Futterkamp mit insgesamt 102, 5kWp Nennleistung haben inzwischen mehr als 380.000 kwh Strom ins Netz gespeist. Größere Probleme gab es dabei nicht. Lediglich zwei der insgesamt 17 Wechselrichter hatten Störungen, die von Servicetechnikern behoben werden mussten. Deshalb konnten zirka 5%der Gesamtanlage an insgesamt 21 Tagen im Sommer 2011 und 2012 keinen Strom einspeisen. Etwa einen Tag Ausfallzeit bedeutet dies, wenn man auf die Gesamtanlage hochrechnet. Insgesamt wurde also eine sehr gute Verfügbarkeit erreicht. Anfang 2012, nach 3,5 Jahren Betriebszeit erschien es uns sinnvoll, die Module zu reinigen. Zwar hatten wir noch keine erheblichen Ertragseinbrüche gegenüber anderen Anlagen festgestellt, aber bei Wischtests wurde ein deutlicher Schmutzbelag festgestellt. Am Bau- und Energie-Lehrschautag am 5. il fand dann die Reinigungsaktion statt, bei der mehrere Reinigungsfirmen ihre Technik Tabelle: Tagesleistungen der drei Modulfelder tember 2008 bis ust 2012 Modulhersteller Zelle Wetter trüb <2,5 Vbh/Tag 1. Betriebsjahr mono 105 % poly 100 % FirstSolar CdTe 95 % 2. Betriebsjahr mono 106 % poly 99 % 101 % FirstSolar CdTe 95 % 3. Betriebsjahr mono 107 % 104 % poly 100 % FirstSolar CdTe 93 % 95 % 94 % 4. Betriebsjahr mono 109 % 104 % poly 101 % FirstSolar CdTe 90 % 93% 93 % demonstrierten. Gereinigt wurde nicht die gesamte Modulfläche, sondern nur ausgewählte, zu bestimmten Wechselrichtern gehörende Teilflächen. So konnte die Leistungssteigerung durch die Reinigung der Module überprüft werden. Die Ertragssteigerung der gereinigten Teilflächen blieb allerdings unter 0,5 % Wetter sonnig >2,5 Vbh/Tag alle Werte je Betriebsjahr und damit erstaunlich gering. Andere Ställe hatten selbst nach zwei Jahren Betriebszeit schon Ertragssteigerungen von 5% und mehr festgestellt. Als mögliche Gründe für die geringe Verschmutzung des Futterkamper Kuhstalldaches wurden die offene Bauweise des Stalles, die Ausrichtung der Dachfläche nach Südwesten (35 aus Süd) und das nach Nordosten hin überstehende Dach ausgemacht. Module im Leistungsvergleich Im Mittelpunkt des Testbetriebes stehen die Überprüfung der drei unterschiedlichen Modulfelder hinsichtlich ihres Stromertrags und dessen Entwicklung über die Jahre. Bereits in den ersten Betriebsmonaten wurde festgestellt, dass das Strahlungsangebot der Sonne unterschiedlich in elektrischen Strom umgesetzt wird. Die monokristallinen Module hatten besonders an den bewölkten Tagen die besten Erträge. Die aufgrund theoretischer Berechnungen erwarteten höheren Stromerträge der First-Solar-Dünnschichtmodule, besonders bei geringem Lichtangebot, konnten nicht festgestellt werden. Die Tabelle zeigt die Tagesleistungen der drei Modulfelder im prozentualen Vergleich zum Mittelwert der Gesamtanlage für die einzelnen Betriebsjahre. Hier wurde zusätzlich eine Unterteilung nach Tagen mit hohem Ertragspotenzial (Wetter sonnig) und Tagen mit geringem Ertrag (Wetter trüb) vorgenommen. Der Drei Modulfelder auf dem Kuhstalldach des LVZ Futterkamp. Seit vier Jahren werden die Erträge von mono- und polykristallinen Modulen sowie die Dünnschichttechnologie von First Solar ausgewertet. Foto: Walter Eggersglüß
BAUERNBLATT l 6. ober 2012 Abbildung: PV-Anlage LVZ-Fuka Kuhstalldach vier Betriebsjahre, drei PV-Anlagen mit zirka 30 kwp/dn=18 / AW=35 SW 15% 10% -mono -poly First-Solar 5% 0% -5% 10% 15% 2008 2009 2010 2011 2012 Wert 2,5 Vbh/Tag bedeutet Vollbenutzungsstunden je Tag, also dass die Modulfelder rechnerisch 2,5 Stunden mit der installierten Modul-Nennleistung gelaufen sind. Als Beispiel zeigt sich hier deutlich, dass im ersten Betriebsjahr die Felder mit mono- beziehungsweise polykristallinen Modulen identische Erträge im Jahresmittel erreicht haben. Die First-Solar-Teilanlage lieferte 6% weniger. Betrachtet man im ersten Betriebsjahr nur die leistungsschwachen, trüben Tage, so war das monokristalline Modulfeld 5% besser als das polykristalline und 10 %besser als das First-Solar-Modulfeld. In den weiteren Betriebsjahren hat das monokristalline Modulfeld seinen Spitzenplatz halten können, während das First-Solar-Dünnschicht- Modulfeld ab dem dritten Betriebsjahr schwächer wurde. Dies gilt besonders für die trüben Tage. Das Säulendiagramm in der Abbildung zeigt die Abweichung der Monatserträge von den Mittelwerten der drei Modulfelder. Hier wird besonders die höhere Stromproduktion der monokristallinen Module (mono) in den lichtschwachen Wintermonaten deutlich. Im Winterhalbjahr 2008 bis 2009 lag der prozentuale Vorteil bei 5 bis 7%,in den Folgejahren teilweise sogar über 10 %. Da ein Wintermonat aber nur etwa ein Zehntel des Stromertrags von Sommermonaten bringt, wirkt sich dieser Vorteil im Jahresstromertrag nur gering aus. Im uar und ruar 2010 leisteten die First-Solar-Module deutlich mehr als die kristallinen. Grund dafür ist Schnee, der von den rahmenlosen First-Solar-Modulen deutlich früher abrutschte und wieder Licht an die Module ließ. In einigen lichtreichen Sommermonaten überholten die polykristallinen -Module ihre monokristallinen Schwestern im Ertrag. Die First-Solar-Dünnschichtmodule kamen besonders in den warmen Sommermonaten nahe an die Durchschnittserträge heran. Insgesamt aber konnten sie weder im Sommer noch im Winter mithalten, wie bereits die Werte aus der Tabelle zeigen. FAZIT In den ersten vier Betriebsjahren haben alle drei Modulfelder auf dem Kuhstalldach des LVZ Futterkamp zuverlässig Strom produziert und nur wenige Störungen gehabt. Vergleicht man den spezifischen Stromertrag der drei Modulfelder in kwh/kwp, so liegt das monokristalline Modulfeld auf dem ersten Platz. Es hat sich besonders als Frühstarter hervorgetan und bringt bei trübem Wetter die höchsten Erträge. Das First-Solar-Dünnschichtmodul konnte bisher die hohen Ertragserwartungen nicht erfüllen und ist im dritten und vierten Betriebsjahr noch etwas weiter zurückgefallen. Die hier zusammengestellten Daten sind Praxisergebnisse und betrachten deshalb auch das Gesamtsystem aus Modulen, Wechselrichtern und Installation in einem vorgegebenen Projekt. Sie können wissenschaftliche Tests nicht ersetzen, sondern nur ergänzen. Die Auswertungen werden fortgesetzt. Walter Eggersglüß Landwirtschaftskammer Tel.: 0 43 31-94 53-226 weggersgluess@lksh.de