Zeitschrift EE
2001-02: Photovoltaik
Betriebsergebnisse und Projekte
Die österreichische Elektrizitätswirtschaft hat wie kein anderer Wirtschaftszweig zum Ausbau und zur Weiterentwicklung der erneuerbaren Energieträger beigetragen. Mit einem Wasser-kraftanteil von 70% liegt unser Land bei der Stromaufbringung an 1. Stelle der 15 EU-Staaten. Entwicklungs- und Demonstrationsprojekte wurden mit erheblichem Finanzaufwand errichtet und betrieben (Photovoltaik-Pilotanlagen, PV-Breitentest, Biomasse-Mitverbrennung, Windkraft-Kooperationen etc.). Die Energieforschungsgemeinschaft im Ver-band der Elektrizitätswerke, die Forschungsinitiative des Verbund, aber auch einzelne Ener-gieversorgungsunternehmen haben sich intensiv mit der Weiterentwicklung neuer Technolo-gien befasst. Zahlreiche Förderprogramme auf Bundesebene und Landesebene unterstützen die Errichtung von Anlagen zur Nutzung erneuerbarer Energieträger.
Betriebsergebnisse von PV-Anlagen mit Netzkopplung in Oberösterreich
Drei Triebfedern gibt es momentan, die den Einsatz der erneuerbaren Energien unterstützen. Erstens die Klimapolitik: Österreich hat der EU vertraglich zugesichert, die relevanten Treib-hausgase bis 2008/2012 um 13% zu reduzieren (EU-Ziel: - 8%). Zweitens das EU-Weißbuch: Der Anteil der Erneuerbaren am Primärenergieeinsatz soll bis 2010 um 6% auf 12% erhöht werden (Österreich liegt jetzt bei 24%). Drittens das ELWOG: Das neue österrei-chische Elektrizitätswirtschaftsgesetz schreibt den EVU vor, bis 2007 den Anteil der Stro-merzeugung bzw. des Strombezugs aus neuen Erneuerbaren auf 4% zu erhöhen (PV, Wind, Bio, ohne Wasserkraft).
Die Umsetzung der EU-Richtlinie für den Elektrizitätsbinnenmarkt brachte die schrittweise Liberalisierung des Strommarktes in unserem Land. Ab dem 1. Oktober 2001 werden alle Kunden Zugang zum freien Strommarkt haben.
Die neuen Spielregeln erfordern auch eine Neuausrichtung der Förderprogramme. Der Wett-bewerb unter den Erneuerbaren muss angeregt werden. Bei knapper Ausstattung der För-dertöpfe sollten speziell die effizientesten Projekte unterstützt werden. Dieses Prinzip wird auf Bundesebene am Sektor Windenergie bereits seit Jahren von der ÖKK praktiziert (Öster-reichische Kommunalkredit AG, wickelt die Förderaktionen des Umweltministeriums ab). Auch die neuen Förderregeln in Oberösterreich sind ähnlich strukturiert (OÖ Einspeisever-ordnung von September 1999, Öko-Energiepool Oberösterreich).
Mit dem Breitentest und der bisherigen Landesförderung, die in Oberösterreich seit 1991 Photovoltaikanlagen mit bis zu 50% der Investitionskosten unterstützt hat, entstanden bis Ende 2000 330 netzgekoppelte Solarstromanlagen mit einer Spitzenleistung von insgesamt 994 kWp (.... 0,8 Watt/Einwohner). Lässt man die größte Anlage mit 75 kWp weg, so beträgt der Mittelwert der Systemleistung 2,7 kWp. Die OÖ Stromversorger haben mit ATS 10.000.- (726,73 €) je kW zur Errichtung beigetragen. Ab dem 1. März 2001 werden PV-Anlagen aus dem Öko-Energie-Pool OÖ mit ATS 50.000.- (3633,64 €) je kWp gefördert.
Mit der nachfolgend beschriebenen Betreiberbefragung sollten die Betriebserfahrungen der letzten Jahre zusammengefasst werden. Da die Photovoltaik, speziell im Bereich der Wech-selrichter, noch eine junge Technik ist, wurden einige Erkenntnisse aus dem Fragebogen-rücklauf erwartet. Viele der angeführten Fehler wurden von den Herstellern längst behoben (falsche Bauteildimensionierung, Softwarefehler etc.). Die alterungsbedingten Bauteilausfälle werden erst in den nächsten Jahren auftreten. Was klar beurteilt werden kann, ist die Scha-denshäufigkeit durch Blitzeinschläge.
Fragebogenaktion
Am 8. Juni 1999 wurden an alle 186 Betreiber von netzgekoppelten PV-Anlagen in Oberös-terreich Fragebogen ausgeschickt. Die Befragung bezog sich hauptsächlich auf technische und betriebliche Aspekte. Es wurde jedoch noch eine weitere Seite mit Fragen zur Person und zur Motivation beigefügt. Die Rücklaufquote war erfreulich hoch und betrug 52%. Der Großteil der Antworten (90%) kam innerhalb von einem Monat zurück.
Insgesamt wurden Erfahrungswerte aus 4.267 Betriebsmonaten zusammengetragen und analysiert. Als Nebenprodukt ergab sich auch eine Information über die Verteilung der So-larmodule und Wechselrichter nach Herstellerfirmen. Die Verteilung gilt exakt nur für Ober-österreich. Da aber etwa die Hälfte der netzgekoppelten PV-Anlagen Österreichs in Oberös-terreich installiert wurden, kann man diese Verallgemeinerung schon zulassen.
Abbildung 1: Altersstruktur der PV-Anlagen im Zeitraum 1990 bis 1999. Im Jahr 1997 wurden mit 32 Anlagen am meisten in Betrieb genommen.*
Die Berufgruppen der Angestellten und der Selbständigen stellen mit je 23,8% den höchsten Anteil der Betreiber dar. 90,5% der Anlagenbesitzer sind männlichen Geschlechts. Interes-sant ist auch der hohe Anteil der Pensionisten und der niedrige Prozentsatz der 25- bis 30-Jährigen. In der Altersstruktur dominieren die Betreiber mit einem Alter zwischen 35 und 50 Jahren mit einem Anteil von 50%. Als Motivation eine PV-Anlage zu errichten, gaben die Betreiber zu 79,8% Umweltschutzgründe, zu 72,6% technisches Interesse und zu 27,4% Demonstration der Machbarkeit an.
Als weitere Kommentare wurde Folgendes angegeben: Vorbildwirkung, eine gewisse Unab-hängigkeit, die Bevölkerung von der erneuerbaren Energie überzeugen, sollte von Gemein-den gefördert werden, Energiesparen, CO2-Freiheit der Stromerzeugung, effektives Hobby, Idealismus, braucht keine Ressourcen, Architektur-Element, laufende Kosten durch Investiti-onen ersetzen, Energie AG zahlt zu wenig für den Solarstrom, der Betreiber schlägt einen hin- und rücklaufenden Zähler vor.
Von den Betreibern wurden rein subjektiv folgende positive Eigenschaften von Photovoltaik-anlagen angeführt: Eigene Stromversorgung ist möglich, Versuch der Unabhängigkeit, Um-weltschonung, unerschöpfliche Energie, kostenlose Energie, sauberer Betrieb, lautlos, gute Situierung am Hausdach, wartungsfrei, unkomplizierte Anlage, produziert wetterunabhängig, CO2-Ersparnis, problemloser Betrieb, Produktion von Spitzenstrom, gleichmäßige Produktion von Frühling bis Herbst, optisch schöne Einbindung in die Architektur, Stromersparnis, zu-kunftsorientierte Energiegewinnung und eine lange Lebensdauer.
Weiters wurden den PV-Anlagen folgende negative Eigenschaften zugeordnet: Zu teuer, witterungsabhängig, Energie AG zahlt zu wenig für den eingespeisten Strom, zu wenig Leistung, ständige Kontrollen der Energie AG, große Flächen, lange Ansuchensdauer, Ge-räusch des Wechselrichters, keine Solarzellen "made in Austria", Batteriebetrieb nicht renta-bel, keine Stromproduktion bei Netzausfall, keine Speichermöglichkeit für überschüssige Energie, bringt am meisten Strom wenn man ihn nicht braucht, geringer Wirkungsgrad und schließlich die lange Wartezeit auf Ersatzteile.
Charakteristika der PV-Anlagen
In den Abbildungen 3 bis 5 werden Details der Photovoltaikanlagen dargestellt. Die Type des Wechselrichters und der Hersteller der Solarmodule wurden erfragt. Das Jahr der Inbetrieb-nahme ist meist ausschlaggebend für die Wahl des Wechselrichters gewesen. In den An-fangsjahren gab es nur den SMA PVWR 1800 (wird nicht mehr hergestellt), sowie Geräte von Siemens, Ufe, und ASP. Die erste Anlage ist seit 1990 am Netz. Beim Wechselrichter-hersteller dominiert die Firma Fronius. Wenn man berücksichtigt, dass bei einem Projekt 8 Geräte im Einsatz sind, erreicht der Fronius-Marktanteil knapp 60%. Der Anteil der Wechsel-richter mit ENS betrug 97/98 etwa 70% [1]. Dieser Anteil wird heute vermutlich bei den neu-en Geräten bei fast 100% liegen.
Abbildung 2: Leistung der Anlagen, die meisten Anlagen liegen im Bereich 2 - 3 kW.*
Abbildung 3: Solarmodule, Verteilung nach Hersteller. Es dominiert die Firma Kyocera mit 62%.*
Abbildung 4: Wechselrichter, Verteilung nach Hersteller. Es dominiert die Firma Fronius mit 54%.*
Betriebserfahrungen
Mehr als 63% der Betreiber gaben an, dass der Betrieb der Anlage bisher störungsfrei ver-laufen ist (62 Anlagen mit 74 Wechselrichtern). Das entspricht einem Erfahrungsschatz von 2.664 Betriebsmonaten bei einer Gesamtbetriebsdauer von insgesamt 4.267 Monaten. Bei 36 Anlagen mit 38 Wechselrichtern und insgesamt 1.603 Betriebsmonaten ergaben sich 46 Störungen. Die Ursachen für diese Unterbrechungen lagen fast immer beim Wechselrichter.
| Häufigkeit der Störungen |
Störungsursachen im Detail |
| 1 | DC-Sicherung in der Gleichstromhauptleitung zu schwach dimensioniert |
| 1 | Netzspannung zwitweise zu niedrig, Wechselrichter schaltet weg, Neustart am nächsten Morgen |
| 2 | Wechselrichter schaltet weg weil ENS wegen höherer Netzspannung anspricht |
| 9 | Indirekter Blitzschlag, meist mit Endstufendefekt bzw. Programmstörung |
| 14 | Leistungsendstufe defekt |
| 1 | Drossel abgebrannt |
| 1 | kalte Lötstelle, nach Reparatur |
| 7 | diverse Bauteilfehler |
| 1 | Prozessortausch |
| 4 | Software-update bzw. Parameterneuprogrammierung erforderlich |
Tabelle 1: Die Störungsursachen im Detail (unvollständige Liste)
Die meisten Störungen traten nur einmal auf (siehe Tabelle 1). Bei 40% der Störungen mussten 2 oder sogar 3 Reparaturen durchgeführt werden. Die Dauer der Betriebsausfälle lag zwischen 1 Tag und 6 Wochen, wobei ca. 23% der defekten Wechselrichter in ein bis drei Tagen und 3% in sechs Wochen repariert wurden. Der größte Anteil der Betriebsausfälle (44%) dauerte ca. 1 Woche. Die Wahrscheinlichkeit für eine Störung lag also bei 1 mal in 7,7 Jahren. Rechnet man die bekannten "Kinderkrankheiten" weg, so kommt man auf 1 Störung in 15 Jahren. Die Wahrscheinlichkeit, dass durch Blitzeinwirkung ein Wechselrichterdefekt verursacht wird, liegt in OÖ bei 1 mal in 39,5 Jahren.
Die Frage, ob der Betrieb der PV-Anlage bei anderen Verbrauchern oder Nachbarn zu Stö-rungen geführt hat wurde 3 mal positiv beantwortet. Einmal war der Rundfunk- und Fernseh-empfang gestört, es gab akustische Belästigung durch das Wechselrichtergeräusch, und schließlich wurde einmal angegeben, dass das Babyphon nicht funktionierte.
Die Fragebogen umfassten auch die Frage nach der Höhe der Stromproduktion der PV-Anlagen für die Jahre 1997 und 1998. Die Antwortrate lag hier etwas höher als 50%. In Abbildung 6 ist das Ergebnis zusammengefasst. Der spezifische Stromertrag in Oberösterreich liegt im Mittel bei 825 kWh/kWp.a. Nach den Einstrahlungsmessungen von Leonding/Linz lag das Jahr 1998 ganz knapp am Mittelwert der letzten 9 Jahre. Im Jahr 1997 war die Einstrahlung um ca. 5% höher als das Mittel. Die spezifischen Stromerträge von 1997 wurden auf das Standardjahr umgerechnet und in das Diagramm von 1998 eingezeichnet. Die Daten von Anlagen mit Störungsmeldungen sind unkorrigiert in Abbildung 6 eingetragen worden (typ. Ausfalldauer: 1 Wo).
Abbildung 5: Spezifischer Jahresstromertrag in kWh/kWp in den Jahre 1997 und 1998. Dieser liegt in Oberösterreich im Mittel bei 825 kWh/kWp.a.
Dividiert man den spezifischen Stromertrag [kWh/kWp.a] durch die Einstrahlungssumme in Modulebene so erhält man eine Anlagenkennzahl, die unabhängig von der Systemgröße und der Einstrahlungssumme ist (Performance Ratio). Für die Berechnung wurden die Einstrahlungswerte der Messstation Leonding bei Linz herangezogen (Pyranometer beheizt und belüftet, südorientiert und 45 °< geneigt). Da nur wenige PV-Anlagen genau nach Süden orientiert sind und die Standortdaten verschieden sind, ist diese Berechnung nur eine Annäherung. Wenn ein Solargenerator z.B. nach Südosten orientiert ist, benachteiligt diese vereinfachte Berechnungsart das Anlagen-Performance-Ratio um 5%.
Abbildung 6: Performance Ratio (spez. Stromertrag bezogen auf die Einstrahlung in Modulebene) in den Jahren 1997 und1998
Zusammenfassung
Im Bereich Solargenerator traten mit einer Ausnahme keine elektrischen Mängel auf. Damit bestätigt sich die allgemeine Erkenntnis wie sie auch in anderen Studien zu finden ist. Manche Solarmodule haben jedoch den Mangel, dass die tatsächliche Spitzenleistung hinter jener zurückbleibt, die am Typenschild ausgewiesen ist. Bei Unzufriedenheit mit den spez. Jahresstromerträgen sollte man die Anlage auch in dieser Richtung untersuchen.
Da die Photovoltaik, speziell im Bereich der Wechselrichter, noch eine junge Technik ist, haben wir einige Erkenntnisse gewonnen. Viele der angeführten Fehler wurden von den Herstellern längst behoben wie z.B. falsche Bauteildimensionierung, Softwarefehler und andere. Mit neuen Modellen werden jedoch zumindest am Beginn der neuen Serien wieder andere Fehler auftauchen. Rein rechnerisch, müsste ein Wechselrichter über 20 Jahre fehlerfrei arbeiten wenn keines seiner Bauteile überlastet wird. Die Ausfälle sind also vielfach auf Systemfehler oder Überspannungsspitzen zurückzuführen. Die rein alterungsbedingten Bauteilausfälle werden erst in den nächsten Jahren auf uns zukommen.
Was klar beurteilt werden kann, ist die Schadenshäufigkeit durch blitzbedingte Überspannungen: 1 Schaden in 40 Jahren. Bessere Überspannungsschutzelemente auf der Netz- und der DC-Seite könnten hier helfen. Bei einem direkten Blitzeinschlag wird vermutlich ein normales Gerät immer beschädigt werden.
Hinweis
Diese Betreiberbefragung ist Teil einer österreichweiten Aktion, welche von Arsenal Research, Wien (Dr. Enders) im Rahmen des österreichischen "200 kW Photovoltaik - Breitentests" durchgeführt wird. Das Ergebnis soll auch in den Breitentest-Abschlußbericht und in ein EU-Projekt von Arsenal Research einfließen.
Dank an Herrn Claus Weberstorfer, der als Ferialpraktikant im Sommer 1999 die Auswertung durchgeführt hat.
Literatur:
1) ENS: Elektronikbaugruppe die im Wechselrichter integriert ist und die Netzimpedanz fortlaufend misst. Die Impedanzerhöhung bei Netzausfall wird von der ENS erkannt und
der WR abgeschaltet (weiteres siehe Dr. Lappe und Klaus Köln).
2) Betriebsverhalten und Zuverlässigkeit netzgekoppelter Wechselrichter, 13. Symposium Photovoltaische Solarenergie, Staffelstein, März 1998,
Wilk, Energie AG Linz, Schauer, Verbund Wien, Enders, Arsenal Research, Wien
* PV-Betreiberbefragung der Energie AG
*) Dipl.-Ing. Heinrich Wilk, Energie AG Oberösterreich, E-Mail: Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! [^]
2001-02: Photovoltaik
Betriebsergebnisse und Projekte
Weltweit einmalig ist Gleisdorfs "Straße der Solarenergie". Auf einer Rundstrecke von zirka 3,5 Kilometer durch das Stadtgebiet können 80 Solarobjekte besichtigt werden. Die Idee und das Konzept stammen von Walter Schiefer. Diese Straße wurde im Auftrag der Stadtgemeinde Gleisdorf, mit Unterstützung des Landes Steiermark errichtet und es wird die Sonnenenergienutzung nicht nur rein technisch, sondern in einer sehr anschaulichen Form gezeigt.
Gleisdorfs "Straße der Solarenergie"
Die Solarenergie wird in den Bereichen Werbung, Verkehr, Licht, Kommunikation genutzt und zum ersten Male wird die Photovoltaik in einem größeren Umfange im Werbebereich eingesetzt. Alle Solarobjekte werden ausschließlich mit Sonnenstrom betrieben. Auf den einzelnen Plätzen stehen verschiedene Solarleuchten, Solarstelen aus Glas für die Objektbeschreibung und Solarwegweiser (siehe Abbildung 1).
Abbildung 1: Die Solarstelen aus Glas für die Objektbeschreibung "Straße der Solarenergie" leuchten am Abend (Vorderansicht)
Abbildung 2: Fassaden-Sonnenkraftwerk am Betriebsgebäude der Feistritzwerke Steweag GmbH in Gleisdorf. Das Bürogebäude ist zu 100% mit Sonnenstrom versorgt.
Die "Straße der Solarenergie" beginnt am Bahnhof von Gleisdorf, führt über die Gartengasse und die Flurgasse zum Klostergebäude. Vorbei am Rathaus und Heimatmuseum geht der 3,5 Kilometer lange Rundweg über die Sonnenhauptschule bis zur Niedrigenergiehaussiedlung "Sundays". Der Weg führt zurück ins Zentrum zum Solarbaum und Solarbrunnen. Die Straße der Solarenergie mündet letztendlich in der Gartengasse beim Alternativenergiepark der Feistritzwerke Steweag.
"Solar und Verkehr" ist das Motto des Bahnhofplatzes. Hier wird der Zusammenhang zwischen Sonnenenergie, Information, Kunst und Verkehr an einem Infostand mit einem Solardach, Radservice, Infoterminal, Solartankstelle für Elektrofahrzeuge und mit dem Kunstwerk "SolarRad" gezeigt.
In diesem Bereich der Musikschule und des Stadtparks ist der Zusammenhang zwischen solarer Energie und Kunst dargestellt. Ein kunstvoll gestaltetes Solarklavier mit Photovoltaikanlage ist am Musikschulgebäude montiert. An dem dort stehenden Infoterminal kann man die Musik hören, die das Klavier spielt. Es steht auch ein Heliostat dort, das ist ein großer Spiegel, der das Sonnenlicht immer auf die Photovoltaikanlage lenkt. Überragt wird der Platz von einer solaren Straßenleuchte, bei der die Photovoltaikmodule die Form einer Sonnenblume bilden.
"Solarenergie und Architektur" kann man an der Stadthalle bewundern. Nicht allein die kontrastreiche Architektur (Stahl-Glaskonstruktion als Zubau am alten Denkmal geschützten Klostergebäude) ist hier beeindruckend, sondern auch die Energieversorgung des Gebäudes. Hightec Energieanlagen mit Luft- und Erdkollektoren sind zuständig für die Heizung, Kühlung und Lüftung des Stadtsaales. Photovoltaikanlagen am Dach und als Beschattungselemente versorgen das Gebäude mit Sonnenstrom.
Das Highlight dieses Platzes und der Straße der Solarenergie ist die Photovoltaik-Sonnenuhr (siehe auch Titelbild dieses Artikels, Anm.). Sie wird mit Sonnenstrom betrieben und zeigt zwischen 6 und 18.00 Uhr die Zeit an. An vier Bildschirmen in der Anzeigetafel kann man in der Nacht die Zeit ablesen. Auf diesen Monitoren werden während des Tages immer wieder Impressionen mit Musikuntermalung gezeigt, Besucher erhalten hier auch Veranstaltungshinweise.
Solarcafe, Solarpizza, solargekühlte Getränke bekommt man im ersten österreichischen Solarcafe in Wünschendorf / Gleisdorf. Der Strom dafür kommt von einer Photovoltaikanlage, die auf der Südfassade des Cafehauses montiert ist. Einem breiten Publikum wird somit "kulinarisch" die umweltfreundliche Stromerzeugung mit der Sonne nähergebracht.
*) Ing. Walter Schiefer ist Prokurist bie den Feistritzwerken Steweag GmbH in Gleisdorf, www.feistritzwerke.at [^]
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Betriebsergebnisse und Projekte
Derzeit wird Energie im Überfluss und billig auf dem Markt angeboten, entsprechend verschwenderisch wird damit auch umgegangen. Auch für die Zukunft sei vorgesorgt, denn, so stellen Energieexperten fest, die Energievorräte in Form von Erdöl, Erdgas, Kohle und Atomkraft decken den Bedarf noch weit ins nächste Jahrtausend.
Sonnenstrom für Steirische Landesausstellung
Völlig übersehen wird bei derartigen Prognosen die ungeheure Problematik, die durch die weitere ungebremste Nutzung von fossilen Energieträgern (Erdöl, Erdgas und Kohle) und dem damit verbundenen CO2-Ausstoß entsteht. Die Anreicherung treibhauswirksamer Gase in der Atmosphäre und die damit verbundene globale Erwärmung und Klimaveränderung ist eine der großen ökologischen Gefährdungen unserer Zeit. Hinzu kommt, dass in den Industrieländern mit einem Anteil von nur 1/4 an der Weltbevölkerung 80% der fossilen Weltenergievorräte verbraucht werden, während 3/4 der Weltbevölkerung sich mit 20 % begnügen müssen.
Ein vorsorgender, effektiver Klimaschutz erfordert, nach Meinung vieler Experten, in den nächsten 50 bis 100 Jahren mindestens eine Halbierung der weltweiten Treibhausgasemissionen. Ende 1997 wurde bei der Klimakonferenz im japanischen Kyoto von den Industrieländern eine Reduktion der Treibhausgase im Zeitraum bis 2010 zwischen 5 und 8 Prozent gegenüber 1990 beschlossen. Österreich hat sich verpflichtet, seinen CO2-Ausstoß bis zum Jahr 2005 um 20% zu reduzieren und diese Absicht im Energiebericht der Bundesregierung festgeschrieben.
Im EU-Weißbuch "Eine Energiepolitik für die Europäische Union", das 1998 von der Europäischen Kommission veröffentlicht wurde, wird ein weiteres Ansteigen des Energiebedarfs von jährlich ca. 1% vorhergesagt. Die Energieabhängigkeit der EU könnte sich von derzeit 50% auf 70% im Jahr 2020 erhöhen. Als EU-Gesamtziel wurde daher eine Verdoppelung der erneuerbaren Energieträger bis zum Jahr 2010 festgeschrieben. Als eine der Maßnahmen wird im EU-Weißbuch der Bau von 500.000 PV-Anlagen innerhalb der EU-Länder vorgeschlagen.
Umgerechnet auf die Steiermark würde das eine installierte Gesamtleistung von 9000 kW bedeuten.
In Gleisdorf und Weiz wird noch bis Ende Oktober die Steirische Landesausstellung 2001 zum Thema Energie abgehalten. Schwerpunkt ist unter anderem das Aufzeigen umweltschonender und dezentraler Energiebereitstellungstechnologien für das beginnende 21. Jahrhundert. Die Stadtgemeinde Weiz hat sich in diesem Zusammenhang bei ihrem Ausstellungsgebäude für den Bau einer Photovoltaikanlage entschieden.
Photovoltaik-Sonnensegel
Das Architektenteam DI. Irmgard und DI. Peter Mutewsky hat für die Photovotaikanlage am Landesausstellungsgebäude, das in Zukunft die Musikschule beherbergen wird, eine Stahlkonstruktion über den Eingangsbereich in der Form eines auf dem Kopf gestellten Dreieckes, die Photovoltaikanlage Sonnensegel Weiz, entworfen. Die Montage der Solarmodule wurde auf der mit 35° zur Horizontalen geneigten Stahlkonstruktion derart ausgeführt, dass diese zugleich eine wasserabführende Ebene bilden. Die Unterkonstruktion besteht aus einer Formrohrkonstruktion, die auf I-Trägern aufliegt. Die Längsseite der Dreieckkonstruktion weist eine Länge von ca. 17 Meter bei einer Höhe von 9,1 Meter über Grund auf. Die Verschaltung der Solarmodule erfolgt zum Großteil innerhalb der Formrohrkonstruktion.
Der Generator besteht aus 68 Doppelglasmodulen mit multikristallinen Solarzellen zu je 90 Wp. Die transparente Ausführung der Modulrückseite ermöglicht einerseits das Erkennen der einzelnen Solarzellen und bewirkt bei Sonnenschein äußerst schöne Lichteffekte. Gleichzeitig sind für jede Modulreihe, zur Ausgestaltung der Dreiecksform, entsprechende Verglasungen mit Zellennachbildungen eingesetzt.
Die drei Wechselrichter sind in einem Verteilerkasten direkt unter dem Sonnensegel unter-gebracht. Von dort erfolgt die ca. 60 Meter lange Verkabelung zum Zählerkasten, wo die Anlage über einen Einspeisezähler an das öffentliche Netz angeschlossen ist. Um die Funk-tion der Photovoltaikanlage transparenter machen zu können wurde im Eingangsbereich der Musikschule sowohl eine Ertragsanzeige installiert, als auch ein in Abhängigkeit von der Sonneneinstrahlung sich unterschiedlich schnell drehender Motor mit Laufrad aufgebaut.
Die Investitionen für das Sonnensegel inkl. der aufwendigen Verglasungen für die Drei-ecksform sowie die Ertragsanzeige beliefen sich auf insgesamt ATS 710.000,- (€ 51.600,-). Förderzusagen konnten bis zum jetzigen Zeitpunkt keine erreicht werden, da die steirische Landesregierung im Umweltfond für Photovoltaikanlagen keine Mittel vorgesehen hat. Die Stadtgemeinde Weiz kann bei der Photovoltaikanlage Sonnensegel Weiz einen jährlichen Ertrag von ca. 4.900 kWh erwarten. Bei der derzeitigen steirischen Einspeiseregelung von ATS 5,00 pro kWh (€ 0,363) excl. Ust. ist das ein Betrag von ATS 24.500,- (€ 1.780,-) im Jahr.
| Entwurf | Arch. DI. Irmgard und DI Peter Mutewsky, Weiz |
| Stahlbau | Firma Pachler, St. Margarethen/Raab |
| PV-Ausschreibung und Bauaufsicht |
AEE-Arbeitsgemeinschaft ERNEUERBARE ENERGIE |
| Ausführende Firma | Feistritzwerke der Stadt Gleisdorf GmbH |
| Module; Importeur | ASE-100-DG-UR-90 W, D; Fa. Alpensolar Ganditsch, Steyr |
| Wechselrichter | SUNRISE, Fa. Fronius GmbH, Wels-Thalheim |
Tabelle 1: Photovoltaikanlage Sonnensegel Weiz, Projektpartner und beteiligte Unternehmen
*) Ing. Ewald Selvicka ist Geschäftsführer der AEEIntec u. a. zuständig für den Bereich Elektrotechnik im Technischen Büro der AEE GmbH [^]
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Betriebsergebnisse und Projekte
Die Stadtgemeinde Hartberg startete 1999 als erste Bezirkshauptstadt in der Steiermark den Vorsatz, neben Biomasseanlagen, thermischen Solaranlagen auch die Stromerzeugung mittels Photovoltaiktechnologie zu fördern und mittels eines ins Leben gerufenen 200 Sonnendächer Programms, dies kontinuierlich und nachhaltig in die Tat umsetzt. Der weitere Umstieg auf Alternativenergien soll einerseits zur Erfüllung der gemeinsamen Klimaschutzverpflichtungen beitragen, andererseits sollten mit dieser Initiative auch neue hochwertige Arbeitsplätze in der Region geschaffen werden.
Das 200 Sonnendächerprogramm Hartberg
Die Stadtwerke Hartberg als regionaler Energieversorger wollen gemeinsam mit den Partnerunternehmen KW-Solartechnik in Graz, im Sinne des lokalen Handelns, in den nächsten vier bis fünf Jahren 200 Sonnendächer in der Region Hartberg installieren, um den Einsatz der PV-Technologie zu standardisieren, professionalisieren, aus den Nischenanwendungen herauszuführen und in der Bevölkerung über die Schwelle der Wahrnehmung zu heben. 200 dezentrale Sonnenstromanlagen mit einer installierten Gesamtleistung von 500 KWp sollen jährlich ca. 400 MWh Solarstrom erzeugen.
Ziel ist es zu zeigen, dass Stromgewinnung aus Sonnenenergie bereits jetzt machbar und als Teil einer nachhaltigen Zukunftsentwicklung auch sinnvoll ist! Es wurden spezielle differenzierte Fördermodell installiert, um den verschiedenen Nutzergruppen so weit wie möglich entgegen zu kommen. Der mittels Sonnenenergie erzeugte Strom ist schon heute in vielen netzfernen Anwendungen der konventionellen Stromerzeugung ökonomisch überlegen. Immer mehr Menschen engagieren sich für die umweltverträgliche Stromerzeugung aus Sonnenlicht durch Photovoltaik zu berichten. Wir wissen jedoch, dass der Erfolg nicht nur eine Frage des klugen und weitsichtigen Wirtschaftens ist. Vielmehr beruht er zusätzlich auf einem intakten Umfeld sowie einer weitverbreiteten Akzeptanz vieler politischen und unternehmerischen Aktivitäten in unserer Gesellschaft. Diese Akzeptanz wird in den nächsten Jahren den maßgeblichen Schwerpunkt bilden, das Strom aus Solarenergie nicht die Energie der Zukunft, sondern schon jetzt die "Zukunft der Energie" darstellt.
Bis zur Erreichung des definierten Zieles ist sicherlich noch ein langer Weg. Dennoch ist der Erfolg des 1999 ins leben gerufenen 200 Dächerprogramms mehr als beachtlich. In den letzten 2 Jahren konnten in der Region Hartberg 52 Netzgekoppelte Solarstromanlagen mit einer Gesamtleistung von 112 KWp installiert werden. Dies bedeutet, das mittlerweile jede zweite netzverbundene Photovoltaikanlage der Steiermark in der Region Hartberg installiert wird, die in ihrer Gesamtheit schon jetzt mehr als 90 MWh Solarstrom jährlich erzeugen.
Die Stadtwerke Hartberg haben eine Infostelle eingerichtet, unter der alle aus der Region Informationen betreffend Sonnenstrom, Photovoltaikanlagen, Förderprogramme, Einspeisvergütung und Anlagenbau bekommen können. Ein Expertenteam ist ständig bemüht alle ihre Fragen zu beantworten.
Abbildung 1: Information Stadtwerke Hartberg
2001-02: Photovoltaik
Betriebsergebnisse und Projekte
Neue Wege beschreitet die Straßen- und Finanzierungsgesellschaft ASFINAG in Zusammenarbeit mit dem Amt der Steiermärkischen Landesregierung auf der A2 im Abschnitt Gleisdorf Süd bis Gleisdorf West. Aufgrund der zunehmenden Verkehrsbelastung und der damit verbundenen Lärmentwicklung war ein Handlungsbedarf im Abschnitt Gleisdorf gegeben. Die Idee war, nicht einfach eine Lärmschutzwand zu erhöhen, sondern diese auch sinnvoll zu nutzen.
Nicht nur eine einfache Lärmschutzwand! PV-Anlage an der A2
Neue Wege beschreitet die Straßen- und Finanzierungsgesellschaft ASFINAG in Zusammenarbeit mit dem Amt der Steiermärkischen Landesregierung auf der A2 im Abschnitt Gleisdorf Süd bis Gleisdorf West. Aufgrund der zunehmenden Verkehrsbelastung und der damit verbundenen Lärmentwicklung war ein Handlungsbedarf im Abschnitt Gleisdorf gegeben. Die Idee war, nicht einfach eine Lärmschutzwand zu erhöhen, sondern diese auch sinnvoll zu nutzen.
Die Idee der Energiegewinnung durch Nutzung der Fundamente und Konstruktion einer Lärmschutzwand ist zwar nicht neu, dafür aber das Gesamtkonzept, das hier erstmals angewandt wird. Erstmals in Österreich wird eine Verkehrsregelung verwirklicht, die direkt von einer Lärmmessung abgeleitet wird. Auf einer Gesamtlänge von etwa 1.300 m wird die notwendige Lärmschutzwanderhöhung mittels Solarzellen durchgeführt. Die Kosten für den Solargenerator betragen etwa ÖS 12,0 Mio.
Zwei wesentliche Vorteile befürworteten diese Kombination: zunächst erfolgt durch die Erhöhung der Lärmschutzwand eine Reduzierung der Lärmbelastung für die Anrainer. Der andere Vorteil ist, dass durch Einsparung von Fundamenten und Konstruktionsteilen eine wesentliche Kostenreduktion für die umweltfreundliche Energieerzeugung mittels eines Solargenerators erreicht wird. Die Förderung von Solarstrom und die Nutzung von vorhandenen Infrastrukturen entlang von Autobahnen machen die Solarstromerzeugung rentabel.
Abbildung 1: Geplante PV-Lärmschutzwand entlang der A2 im Abschnitt Gleisdorf Süd bis Gleisdorf West. Auf einer Länge von 1,3 Autobahnkilometer liefern 1.600 m² Solarzellen eine Spitzenleistung von 100 kW
Pro Jahr sollen mindestens 85.000 kWh erzeugt und ins öffentliche Netz gespeist werden. Aufgrund der Nähe zur Fahrbahn sind jedoch bei der Errichtung von Solargeneratoren einige Sicherheitsvorkehrungen zu treffen. So besteht durch die Unfallgefahr und die damit verbundene Beschädigung oder Zerstörung der Lärmschutzwand bzw. Solarmodule und der Stromleitungen eine höhere Gefahr von Fehlerströmen, die Personen schädigen können. Es mussten daher neue sicherheitstechnische Überlegungen angestellt werden, um ein zuverlässiges Abschalten der Solargeneratoren unmittelbar bei der Solarzelle zu gewährleisten.
Von großem Interesse ist auch für den Straßenerhalter, wie sich die verwendeten Materialien in Straßennähe verhalten, bzw. ob es zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Anlage durch Korrosion kommt, die durch Salzstreuung und erhöhte Schadstoffkonzentration direkt an der Autobahn verstärkt werden kann.
Zum Unterschied von bereits errichteten Anlagen entlang von Autobahnen wird hier erstmals in Österreich die Lärmschutzwand nicht nur als Unterkonstruktion für den Solargenerator verwendet, sondern dieser auch in die Lärmschutzwand als Lärmschutzelement eingebunden. 2/3 des gesamten Solargenerators wird mit Dünnschichtmodulen des Typs Millennia MST-43 MV angebunden und 1/3 mit polykristallinen Solarzellen des Typs Photowatt PW 1000 bestückt. Der Solargenerator hat eine Nennleistung von 101 kWp und einen geschätzten Ertrag von 86.000 kWh wobei der garantierte Wert über drei Jahre mindestens 85.000 kWh pro Jahr beträgt. Der Solargenerator wird in modularer Ausführung in der Standardgröße eines Lärmschutzwandelementes von ca. 8 m hergestellt. Jeweils 6 Module werden in einem vorgefertigten Rahmen aus Edelstahl montiert und verdrahtet und auf der vorbereiteten Unterkonstruktion der Lärmschutzwand montiert. Dadurch werden die Montagezeit und die damit verbundenen Verkehrsbehinderungen auf ein Minimum reduziert. Bei der Errichtung der Rahmenkonstruktion bzw. der Unterkonstruktionen ist auf die lärmdichte Ausführung besonderes Augenmerk gelegt worden. Die Module werden in einem Winkel von 60° montiert, was das Optimum zwischen Lärmreduktion und Energieertrag sowie der Selbstreinigung der Module darstellt. Um die erforderliche Spannung von 219 Volt zu erreichen, werden jeweils 3 Solarmodule in Serie geschaltet. Zum einen will man dadurch die Berührungsspannung möglichst niedrig halten, und zum anderen haben Teilabschattungen auf der Anlage einen geringeren Einfluss. In das Schutzmaßnahmenkonzept gehört auch, dass alle Metallteile der Konstruktion und Rahmen der Lärmschutzwand mit einander verbunden werden und geerdet werden. Die Überspannungsableiter im Bereich der Solargeneratoren werden mit dem Potentialausgleich verbunden. Außerdem werden der Gleichstromkreis auf Fehlerströme gegenüber Erde überwacht. Auftretende Fehlerströme schalten direkt am Modul den Stromkreis allpolig ab.
Die miteinander verbundenen und geerdeten Konstruktionsteile der Lärmschutzwand haben außerdem den Vorteil, dass sie Ströme, die durch atmosphärische Entladungen auftreten, gefahrlos abgeleitet werden können. Bezogen auf das Erdpotential wird der Generator schwebend betrieben. Die Verdrahtung von Solarmodulen bis zum Wechselrichter wird gemäß ÖNORM erd- und kurzschlussfest ausgeführt. Die Leitungsführung des Positiv- und Negativpols werden in getrennten Leitungssystemen geführt, um bei einem Verkehrunfall das Gefahrenpotential zu minimieren.
Für die Netzkopplung werden Wechselrichter der Marke Sunnyboy 2000 eingesetzt. Das Konzept der Kleinwechselrichtertechnologie ist ein konsequentes Fortführen der modularen Bauweise der Lärmschutzwand und reduziert Verluste auf der Gleichstromseite durch die Begrenzung des Einflusses von Verschattungen.
Sämtliche relevanten Daten der PV-Anlage werden erfasst und in einer Zentrale ausgewertet und weiterverarbeitet. Die erfassten Daten werden dann über ISDN-Leitungen übertragen und ausgewertet. Wobei der Zustand der Anlage jederzeit ersichtlich ist und Störungen sofort erkannt werden. Der Wechselrichter ist mit einer AC und DC-sensitiven Differenzstromüberwachung nach DIN-VTE 0126 ausgestattet, die den Solargenerator im Fehlerfall allpolig vom Netz trennt, und zwar so, dass die Gleichstromkabel zum Wechselrichter vom Modul weg freigeschaltet werden. Weiters ist auch eine Isolationsüberwachung, die vor jeder Netzaufschaltung aktiviert wird, integriert. Jeder Wechselrichter hat eine integrierte Netzüberwachung mit jeweils zugehörigem Schaltorgan und überwacht ständig die relevanten Netzgrößen, wie Spannung, Frequenz und Impedanz. Sämtliche Wechselrichter werden in eigenen Freifeldverteilern montiert und speisen die Energie über ein erdverlegtes Kabel in das Niederspannungsnetz der Feistritzwerke der Stadt Gleisdorf Ges.m.b.H. Die Einbindung erfolgt in der Trafostation Mühlgasse. Mittels einer gesonderten Messeinrichtung werden Witterungsverhältnisse und Sonneneinstrahlung erfasst, in der Zentrale ausgewertet, mit den Energiedaten des Solargenerators verglichen und der Wirkungsgrad der Anlage ermittelt.
Über eine Langzeitstudie soll ermittelt werden, wie der Wirkungsgrad der Anlage sich verändert und wieweit Witterungseinflüsse und die Einflüsse des Verkehrs die Nenndaten der Solarzellen verändern. Bewährt sich diese Art von Lärmschutzwänden, so könnte durch umweltfreundliche Energiegewinnung ein Teil der Kosten für Lärmschutzmaßnahmen eingespart werden und durch die umweltfreundliche Energiegewinnung ein wesentlicher Beitrag zum Umweltschutz geleistet werden.
*) Ing. Anton Waltl zuständig für elektrotechnische und sicherheitstechnische Einrichtungen in der Fachabteilung 2a, ASFINAG Graz. [^]