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

Von Heinrich Wilk*

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 kW_p (.... 0,8 Watt/Einwohner). Lässt man die größte Anlage mit 75 kW_p weg, so beträgt der Mittelwert der Systemleistung 2,7 kW_p. 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 kW_p 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.

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/kW_p.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/kW_p in den Jahre 1997 und 1998. Dieser liegt in Oberösterreich im Mittel bei 825 kWh/kW_p.a.

Dividiert man den spezifischen Stromertrag [kWh/kW_p.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: heinrich.wilk@energieag.at [^]