Photovoltaik: Starre Systeme versus nachgeführte Systeme

Im Wesentlichen gibt es drei unterschiedliche technologische Ansätze für Photovoltaik-Systeme: starr installierte Systeme, astronomisch nachgeführte und "intelligente" Nachführsysteme, die sich jeweils nach der energiereichsten Stelle am Himmel beziehungsweise in der Umgebung ausrichten.

Starre Systeme gehen auf die Anfänge der Photovoltaik-Technologie zurück. Sie finden sich heute vor allem auf Dächern von privaten, gewerblichen oder öffentlichen Gebäuden.

Grundlegende Prinzipien von PV-Nachführ-Systemen

Nachgeführte Systeme stellen eine Weiterentwicklung der starren Systeme dar. Sie arbeiten nach zwei unterschiedlichen Prinzipien:

• Die astronomische Nachführung funktioniert auf der Basis astronomischer Daten. Das heißt, in der Software sind die Auf- und Untergangszeiten der Sonne sowie deren Einstrahlwinkel über das ganze Jahr hinterlegt. Die so gesteuerten Nachführsysteme richten die Solarmodule entsprechend aus. Allerdings berücksichtigen sie dabei weder die Wetterverhältnisse noch sonstige für die Energieausbeute relevante Parameter wie etwa Abstrahleffekte durch Schnee, Wasser oder helles Gestein.
• Die "intelligente" Nachführung orientiert sich mittels Licht-Detektoren immer an den tatsächlichen Gegebenheiten. Das bedeutet, die Systeme richten die angeschlossenen Solarmodule am hellsten, also energiereichsten Punkt am Himmel aus. Auf diese Weise wird auch reflektiertes Licht oder diffuse Einstrahlung, die durch die Wolken dringt, berücksichtigt.

Auf dem Markt sind einachsige und zweiachsige Nachführsysteme verfügbar. Bei einachsigen Systemen werden die Solarmodule mit einem vom Standort abhängigen feststehenden Elevationswinkel - in Mitteleuropa in der Regel um die 30 °, in Südeuropa üblicherweise zwischen 30 ° und 37 ° - aufgeständert. Die Nachführung erfolgt nur in der horizontalen Achse. Daher erzielen einachsige Systeme deutlich geringere Erträge als zweiachsige.

Wirtschaftliche Beurteilung von Photovoltaik-Nachführsystemen

Betrachtet man isoliert nur die einmaligen Investitionskosten, dann sind starre Systeme am günstigsten. Denn sie bestehen im Wesentlichen aus Solarmodulen, Tragrahmen und Wechselrichtern. Nachgeführte Systeme benötigen zusätzlich Masten, Motoren und die dazu gehörigen beweglichen Teile sowie - je nach Technologie - Software, Computerleistung und ein IT-Netzwerk. Um wie viel starre Systeme billiger sind, hängt stark vom einzelnen System und davon ab, mit welchen Nachführsystemen man sie vergleicht.

Um einen echten Vergleich zwischen den verschiedenen Systemen anzustellen, ist es sinnvoll, als Berechnungsbasis einen Zielertrag zu fixieren und diesem die jeweiligen Kosten und die tatsächlich erzielten Erträge gegenüber zu stellen. Hier zeigt sich ein beträchtliches Einsparpotenzial bei den Investitionen allein schon aufgrund der Tatsache, dass nachgeführte Systeme wegen ihres Mehrertrags weniger Solarmodule und weniger Wechselrichter benötigen, um die gleiche Ertragsmenge zu erzielen wie starre Systeme.

Hier zunächst die Kostenstruktur eines Solarparks, der mit starren Systemen arbeitet, verglichen mit einem zweiten, bei dem nachgeführte Systeme eingesetzt werden.

• Vorabkosten - Planung (Einkauf, Marketing, Landschaftsplanung), Gelände- und Flächenvorbereitung sowie Fracht- und Logistikkosten. Dieser Kostenblock liegt bei beiden Parks unter einem Prozent.
• Anlagenbezogene Kosten - Installation und Montage der Systeme, Anlagenverkabelung, Netzzuleitung, Installation und Kosten für Anlagenüberwachung (Zaun, Alarmsystem, Videoüberwachung). Sie machen bei einem Park mit starren Systemen rund 21 Prozent aus, bei einem mit Nachführsystemen ausgerüsteten Park liegen sie bei 18 Prozent. Die Mehrkosten für den Park mit starren Systemen rühren daher, dass dort rund 30 Prozent mehr Solarmodule und Wechselrichter eingesetzt werden müssen, um den gleichen Ertrag zu erwirtschaften wie mit "intelligent" nachgeführten Systemen.
• Leistungsabhängige Kosten - Solarmodule und Wechselrichter. Sie machen bei einem Park mit starren Systemen rund 70 Prozent der Gesamtkosten aus, bei Nachführsystemen liegen sie bei 62 Prozent. Grund auch hier: Durch die höheren Erträge von Nachführsystemen werden weniger Solarmodule und Wechselrichter benötigt.
• Kosten für Unterkonstruktion - Tragstrukturen Nachführeinrichtung, Aufständerung, Fundament. Sie liegen für starre Systeme bei 10 Prozent der Gesamtkosten, bei Nachführsystemen bei 19 Prozent.

Eine Frage, die im Zusammenhang mit nachgeführten Systemen immer wieder diskutiert wird, ist die der laufenden Betriebskosten, zum Beispiel durch Anlagenüberwachung oder Reparaturen. Im Allgemeinen werden die Betriebskosten von Nachführsysteme von Versicherungen höher bewertet als bei starren Anlagen. So kalkulieren viele Versicherungsunternehmen mit Risikopauschalen von 0,5 bis 0,8 Prozent des Investmentvolumens für nachgeführte Systeme. Diese Werte liegen allerdings meist zu hoch. In der Praxis zeigt sich vielmehr, dass solide gebaute und korrekt installierte Nachführsysteme keine signifikant höheren Betriebskosten verursachen als starre Systeme.

Vergleich zwischen starren und zweiachsigen MLD-Systemen

Nachfolgend wird als Vorgabe für eine Vergleichsrechnung die Erzeugung von 1 GWh, also einer Million Kilowattstunden, Energie pro Jahr gesetzt. Da die Basiskosten für astronomische Nachführung und Nachführung nach dem MLD-Prinzip weitgehend identisch sind - wobei der Ertrag durch astronomische Systeme, wie bereits ausgeführt, deutlich geringer ausfällt - wird hier der Vergleich zwischen starren Systemen und zweiachsigen Systemen nach dem MLD-Prinzip angestellt. Wesentliche Größe für diese Berechnung ist der Preis für die eingesetzten Solarmodule, der auf die Gesamtinvestition einwirkt.

Die Investitionssumme für den angenommenen Ertrag von 1 GWh pro Jahr wird deshalb für einen W_p-Preis von 2 Euro, 1,50 Euro und 1 Euro berechnet. Die Investitionssumme bei einem W_p-Preis von 2 Euro beträgt rund 2,82 Millionen Euro für zweiachsige Nachführsysteme und rund 3,56 Millionen Euro für starre Konstruktionen. Die Mehrkosten für starre Systeme liegen damit um rund 26 Prozent über denen für MLD-Nachführsysteme. Bei einem Wp-Preis von 1,50 Euro liegt die Investitionssume für zweiachsige Nachführsysteme bei rund 2,44 Millionen Euro, für starre Systeme bei rund 3,04 Millionen Euro - Mehrkosten: rund 24 Prozent. Beträgt der W_p-Preis 1 Euro, müssen für zweiachsige Nachführsysteme rund 2,07 Millionen Euro investiert werden, für starre Systeme rund 2,52 Millionen Euro - Mehrkosten: rund 22 Prozent.

Die Modulpreise wirken sich demnach nur marginal auf die Kosten/Nutzenrechnung aus. Konkret: Bei einem um 50 Prozent niedrigeren Modulpreis (W_p-Preis) sinkt das Einsparpotenzial durch zweiachsige Nachführung nur um vier Prozentpunkte von 26 auf 22 Prozent. Zu berücksichtigen ist bei dieser Rechnung außerdem, dass sich die Amortisationszeit für Nachführsysteme entsprechend verkürzt, was sich günstig auf die Dauer und damit die Kosten der Finanzierung auswirkt.

Für die Berechnung des LCOE (Levelized Cost of Electricity)-Wertes, der sich in der Branche mehr und mehr auf internationaler Ebene durchsetzt, sind viele Parameter ausschlaggebend. Dazu gehören nicht nur die Gesamtinvestition, sondern auch der jährliche Wertverlust und die Wartungskosten. Auch Inflations- und Diskontierungsrate sowie Lebensdauer eines Systems spielen neben vielen anderen Faktoren eine Rolle. Nach solchen Berechnungen auf der Basis einer Einstrahlungsintensität von 2.200 Kilowattstunden, wie sie für Kalifornien typisch ist, und mit einem MLD-System vom Typ DEGERtraker 6000NT - das derzeit größte System des deutschen Herstellers auf dem US-Markt - ist der Investor in der Lage, einen LCOE-Wert von rund 14 US-Cent pro kWh zu realisieren. Als bislang in der Branche üblicher Wert gelten rund 20 US-Cent.

Nachgeführte Anlagen - insbesondere solche, die nach dem MLD-Prinzip arbeiten - bieten einen wesentlich ausgeglicheneren Lastgang als starre Anlagen, die um die Mittagszeit hohe Erträge liefern, morgens und abends dagegen vergleichsweise niedrigere. Neben der Lösung des Lastgang-Problems für die öffentlichen Netze ist damit auch eine Senkung der Kosten für Wechselrichter verbunden.

Fazit: Betrachtet man lediglich die reinen Investitionskosten, stellen starre Photovoltaik-Systeme die vordergründig günstigste Lösung dar. Vergleicht man allerdings deren Ertrag mit dem nachgeführter Systeme, rechnet sich Nachführung unterm Strich eher, da der Mehrertrag höher ausfällt als die Mehrkosten. Dies gilt vor allem für die zweiachsige "intelligente" Nachführung.

Hintegrund-Informationen zum MLD- oder Maximum Light Detection Prinzip

Das MLD- oder Maximum Light Detection Prinzip lebt von der möglichst genauen, schnellen und energiesparenden Nachführung der Solarmodule zur jeweils energiereichsten Stelle. Verantwortlich dafür ist das Steuermodul, eine Acrylpyramide (Tetraeder) mit 80 Millimetern Kantenlänge.

Das Steuermodul misst ständig Intensität und Winkel der einfallenden Lichtstrahlen und richtet die Anlage mit den Solarmodulen entsprechend aus. Dabei berücksichtigt das Modul nicht nur die Einstrahlung der Sonne, sondern auch beispielsweise Licht, das von Schnee, Wasser oder hellem Gestein reflektiert wird, oder diffuse Einstrahlung, die durch die Wolken dringt.

Für die Arbeit des Steuermoduls liefern zwei Sensorzellen Referenzwerte, die der integrierte Logikbaustein auswertet. Ein Differenzverstärker bewirkt den Übergang von der logarithmischen Kennlinie bei starker Einstrahlung zur linearen Kennlinie bei kleinen Strömen, wie sie bei diffusem Licht auftreten. Dadurch liefern die Systeme selbst bei schwacher Einstrahlung noch einen relativ hohen Ertrag. Bei der linearen Kennlinie nimmt der Logikbaustein einen sehr viel höheren Wert an als bei der logarithmischen. Dies führt zu einer signifikanten Steigerung der Nachregelgenauigkeit bei abnehmender Helligkeit. Die Differenzspannung wird zusätzlich mit einer Last beaufschlagt, wodurch die Abschaltschwelle auf bis zu rund 30 Watt pro Quadratmeter und damit weit in die Dämmerung gelegt wird.

Eine dritte Sensorzelle auf der Rückseite des Steuermoduls sorgt dafür, dass sich die Anlage am Morgen wieder automatisch in Richtung Sonnenaufgang stellt. Um zu verhindern, dass bei zweiachsigen Systemen beide Antriebe gleichzeitig laufen, ist das System so ausgelegt, dass der Ost-West-Antrieb Vorrang vor der Elevation hat. Jedes zweiachsige Nachführsystem ist mit zwei Steuermodulen ausgestattet.

Durch die automatische Nachführung jedes einzelnen Systems - eine Eigenheit des MLD-Prinzips gegenüber astronomischer Nachführung - entfällt eine zentrale Steuerung und eine Vernetzung des Parks mit Datenleitungen. Dies hat wesentliche Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit von Solarparks: Bei unterschiedlicher und rasch wechselnder Bewölkung beispielsweise führen MLD-Steuermodule jedes System des gesamten Parks autark immer in die optimale Stellung. Damit erzielt jede Anlage die jeweils höchst mögliche Energieausbeute. Hinzu kommt ein Sicherheitsaspekt: Bei einem Ausfall der Steuerung ist jeweils nur ein System betroffen - die übrigen Anlagen des Parks arbeiten ganz normal weiter.

Quelle: DEGERenergie GmbH