Dünnschicht-Solarstromanlagen der Superlative

Im unterfränkischen Kirchschönbach (Landkreis Kitzingen) steht Europas größte Photovoltaikanlage mit ATF-Dünnschichtmodulen: Die über 1.200 frei aufgeständerten Module haben zusammen eine Spitzenleistung von 55 Kilowatt (kWp). Die Kombination von Dünnschicht-Technik und SMA-Wechselrichtern vom Typ "SunnyBoy 3000 TEAM" soll einen überdurchschnittlichen Jahresertrag gewährleisten. Dafür, dass diese Erwartungen berechtigt sind, sprechen Ertragsprognosen des Photovoltaik-Experten Professor Andreas Wagner (Fachhochschule Dortmund) sowie des Energie- und Umweltparks Thüringen e.V. (EUT).Mit dem besonders günstigen Nettopreis von 270.000 Euro - das entspricht einem Kilowatt-Peak-Preis von rund 4.900 Euro - liegen die Investitionskosten der Kirchschönbacher Pilot-Anlage unter jenen von Solarstromanlagen mit kristallinen Modulen. Und die Dünnschichtmodule bringen auch höhere Erträge: in zwei Tests, veröffentlicht in der Zeitschrift Photon (Heft 12/2002), schnitten Module von Antec und Bekaert ECD Solar Systems deutlich besser ab als die kristallinen Module der Konkurrenz.Zur Zeit baut die Beck Energy GmbH mit Sitz in Dimbach zwei weitere Photovoltaikanlagen nach dem beschriebenen Konzept. Die Anlagen in Mainbernheim (Franken) werden mit jeweils 99 kWp fast doppelt so groß wie die Referenzanlage. Geschäftsführer Bernhard Beck, sieht in dieser Technologie den Garanten für höchste Effektivität sowie eine rasche wirtschaftliche Amortisation.Der technische Aufbau der Anlagen basiert auf neuen Erkenntnissen und Innovationen zur Solarstromerzeugung. Die Erfahrungen aus dem Betrieb der Integrierten Photovoltaik Demonstrationsanlage des Bundes-Umweltministeriums (IPDAD) in Dimbach (Anlage des Monats 12/01) dienten der Beck Energy GmbH als Grundlage für die Planung der Freilandanlage in Kirchschönbach, die auf den höchstmöglichen Betriebswirkungsgrad ausgelegt worden sei. Der Anlagentyp ist auch im Hinblick auf die Belange des Naturschutzes richtungweisend für die weitere Installation von Solaranlagen auf landwirtschaftlichen oder brach liegenden Grundstücken, beschreibt Bernhard Beck ein zentrales Anliegen. Denn die Diskussion über den Landschaftsverbrauch ist längst noch nicht abgeschlossen: Gegner von Freilandanlagen argumentieren mit den reichlich verfügbaren, ungenutzten Dachflächen in Deutschland; die Befürworter setzten auf niedrige Kosten und die Möglichkeit, Solarstrom im großen Stil zu erzeugen. Auch seien in Städten deutlich weniger Photovoltaikanlagen pro Quadratmeter Dachfläche installiert als in ländlichen Regionen, betonen die Anhänger der Nutzung von Freiflächen für die regenerative Stromerzeugung. Für Freiland-Anlagen spreche zudem deren hohe Effizienz. Eine wesentliche Anforderung an das Projekt in Kirchschönbach sei deshalb die Schaffung von Lebensraum und Rückzugsgebieten für Pflanzen und Tiere in einer industriell geprägten Agrarlandschaft gewesen, so Beck. Schon bei der Planung hätte der Bauherr auf die geringst mögliche Bodenversiegelung Wert gelegt, nur 0,5 Quadratmeter gingen auf das Konto der Untergrundfundamente. Durch Lichtstreifen in der Modulfläche werde das Pflanzenwachstum unter der Anlage gefördert, durch den Abstand zwischen den Modulen könne das Regenwasser ungehindert auf den Boden gelangen. Der Landwirt Johannes Günter erntet nun auf der landwirtschaftlich nicht genutzten Fläche Sonnenenergie - und vollzog so den Schritt zum Energiewirt.Dünnschichtmodule: ein Plus im Sommer, aber auch bei geringer SonneneinstrahlungDie in Kirchschönbach eingesetzten ATF-Module (Advanced Thin Film Technology), die von Antec Solar in Thüringen erstmalig großtechnisch produziert wurden, zeichnen sich durch effizienten, innovativen Materialeinsatz bei der Fertigung aus und erlauben eine ästhetisch überzeugende Integration der Module auf Dächern, an Fassaden und im Freiland. Die Module bestehen zu 99,9% aus Glas. Das photovoltaisch wirksame Cadmium-Tellurid-Schichtsystem ist dünner als 1/5 eines Haares und wird zwischen zwei Glasplatten dauerhaft versiegelt. Nicht nur das günstige Verhältnis von Wirkungsgrad und Produktionskosten im Vergleich zu Solarzellen auf der Basis von mono- oder multikristallinem Silizium spricht für den Einsatz von Dünnschichtmodulen. Zu ihren Vorteilen zählen auch ein bei steigenden sommerlichen hohen Temperaturen kaum messbarer Leistungsabfall im Vergleich zu Silizium-Modulen sowie das schnelle Ansprechverhalten bei sehr niedrigen Einstrahlungswerten.Wechselrichter: TEAM-Work für höhere ErträgeFür die Wechselrichterverschaltung der Kirchschönbacher Anlage konnte Bernhard Beck auf das von ihm selbst erfundene und von dem Kasseler Unternehmen SMA umgesetzte Team-Konzept zurückgreifen. Die "TEAM"-Wechselrichter aus der Baureihe "Sunny Boy" sind eine Weiterentwicklung des von SMA entwickelten und auf Grund des guten Betriebsverhaltens am Markt durchgesetzten String-Konzepts. Das TEAM-Konzept ermöglicht gegenüber vergleichbaren Photovoltaikanlagen eine höhere Anlageneffizienz und liefert damit auch um einige Prozent höhere Energieerträge. Dafür sorgt eine im Strangwechselrichter installierte Schaltungsanordnung, die den Wirkungsgrad der Solarstrom-Anlage im Teillastbereich und speziell in Kombination mit den ATF-Modulen verbessere, erläutert Erfinder Beck.Da im Jahresmittel überwiegend Stunden mit Teillastbetrieb zu verzeichnen sind, sei bisher bei der Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung ein Defizit zwischen angebotener und abgegebener Leistung zu verzeichnen gewesen. Die im unteren Teillastbereich bereit gestellte Leistung sei von den am Markt erhältlichen Wechselrichtern nur unbefriedigend umgesetzt worden. Das neue Konzept ermögliche zudem eine bessere Stromqualität, höhere Ausfallsicherheit und längere Laufzeiten der Wechselrichter. Die im TEAM-Konzept eingesetzten Strangwechselrichter mit Transformator erzielten laut Beck in den Sommermonaten, in denen der überwiegende Teil der Jahresenergie erzeugt wird, auf Grund der niedrigen MPP-Spannungsebene der ATF-Module Spitzenwirkungsgrade von bis zu 95%. Der Einsatz dieser Wechselrichter in Verbindung mit den Dünnschichtmodulen, die sehr hohe Lehrlaufspannungen aufweisen, sei durch eine spezielle Zusatzbaugruppe gelöst worden. Die Performance Ratio (das Verhältnis von Nutzertrag und Sollertrag einer Anlage) der gesamten Solarstromanlage liegt den ersten Ertragsgutachten (FH Dortmund; EUT) zu Folge deutlich über 90% und übertreffe somit die besten Anlagen auf der Basis von Silizium, die zwischen 70% und 85% liegen.In Kirchschönbach sind alle 16 Wechselrichter vom Typ SunnyBoy 3000 in einem einzigen Team zusammengefasst und verschaltet, wobei jeder aktive Wechselrichter an seinem eigenen, unabhängigen MPP (Maximum Power Point; Punkt der höchsten Leistung auf der Strom/Spannungskennlinie) arbeiten kann. So kann der Wirkungsgrad der Wechselrichter bei schwacher Einstrahlung und gleichzeitig erhöhter Verfügbarkeit der Gesamtanlage deutlich gesteigert werden: Nicht benötigte Wechselrichter werden ausgeschaltet und die Leerlaufverluste stark reduziert.Kostengünstige und leistungsfähige Solarkraftwerke auf freiem FeldDie Module werden mit Edelstahlschrauben und Aluminium-Befestigungsklammern montiert. Auf der Schräge wird jeweils ein Strang von unten nach oben verlegt. Die Strings sind durch spezielle Multicontact-Kabel verbunden und an jeweils einen Team-Wechselrichter angeschlossen. Da die Team-Wechselrichter direkt unter den jeweiligen Modulen befestigt werden, können Leitungsverluste auf ein Minimum reduziert werden. Alle Kabelverbindungen sind direkt einsehbar und zugänglich. Damit werden Wartungsarbeiten deutlich vereinfacht.Neue DimensionenDie aktuellen Projekte der Beck Energy GmbH sind auf eine Spitzenleistung von 99 Kilowatt ausgelegt. Sie werden in Zusammenarbeit mit der S&F Umwelttechnik GmbH (Schweinfurt) durchgeführt, dem größten Aufdach-Anlagenbauer der Region. Beide Anlagen sollen noch in diesem Jahr teilweise an das Netz gehen und im Januar fertig gestellt werden. Eine der Photovoltaikanlagen wird die Naturstrom Mainbernheim GmbH betreiben, ein Tochterunternehmen des Elektrizitätswerks Mainbernheim. Bauherr des zweiten Solarkraftwerks ist ein privater Investor, der laut Bernhard Beck bereits sämtliche Dächer für die Solarstromproduktion nutzt und noch mehr Photovoltaikleistung zubauen will. 32 Sunny Boy-Wechselrichter wandeln den Gleichstrom der jeweils rund 1.900 Quadratmeter ATF-Dünnschicht-Module in netzkompatiblen Wechselstrom um. Die Gutachter rechnen bei einer Performance Ratio von über 90 % an den Standorten in Mainfranken mit einem Jahresertrag von 110.000 Kilowattstunden pro Anlage. Bei einer EEG-Vergütung von 47, 75 Cent pro Kilowatt würde jede Anlage im kommenden Jahr Strom im Wert von 52.525 Euro in das Netz einspeisen.Beck Energy will sich künftig nicht nur auf den deutschen Markt beschränken und Dünnschichtanlagen auch in südlichen Ländern projektieren. Für diese Einsatzgebiete werden derzeit mehrere innovative Produkte entwickelt und getestet.Material und Bilder: Beck Energy GmbH; S&F Umwelttechnik GmbH; IPDAD; Redaktion Solarserver: Rolf Hug