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Demonstrations-Photovoltaikanlage an der Versuchsstation Grub

Konzeptionsziel der Demonstrations-Photovoltaikanlage an der Versuchsstation Grub ist eine vergleichende Analyse des Stromertrags von Modulen mit unterschiedlicher Zelltechnologie (mono-, polykristallin, amorph) und Ausrichtung. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Evaluierung und Optimierung der Eigenstromnutzung in Verbindung mit einem effizienten Energiemanagement. Für Demonstrationszwecke werden neben der Photovoltaik-Stromerzeugung in Abhängigkeit der eingesetzten Module auf den unterschiedlich ausgerichteten Dachflächen auch die Stromverbrauchsdaten des Milchviehstalls inklusive Kälberaufzuchtstall in einer Datenbank zusammengeführt und ausgewertet.

Technologie

Der Unterschied von mono-, polykristallinem Silizium liegt in der Kristallstruktur. Monokristalline Module haben einen etwas höheren Wirkungsgrad als polykristalline Module. Amorphes Silizium (nichtkristalline Form des Siliziums) wird für Dünnschichtmodule verwendet und hat eine geringere Leistungsausbeute.
Funktionsskizze einer SolarzelleZoombild vorhanden

Solarzelle
Solarzellen wandeln Sonnenlicht direkt in elektrischen Gleichstrom um. Der Wechselrichter transformiert den Gleichstrom in Wechselstrom. Der Wechselstrom kann in das öffentliche Stromnetz eingespeist (Volleinspeisung) oder in Kombination aus Eigenverbrauch und Netzeinspeisung (Überschusseinspeisung) genutzt werden.

Technischer Aufbau - photovoltaischer Effekt:

  • In der Solarzelle grenzen zwei elektrisch unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten aneinander.
  • Zwischen der positiv und der negativ dotierten Schicht entsteht ein inneres elektrisches Feld (p-n-Übergang).
  • Bei Einfluss von Strahlungsenergie nehmen Elektronen die Energie aus den Photonen auf und lösen sich aus der Atombindung.
  • Die freien Elektronen wandern in die n-dotierte Schicht (Elektronenüberschuss), die positiven Ladungen in die p-dotierte Schicht (Elektronenmangel).
  • Wird zwischen der Kathode (Elektronenabgabe) und der Anode (Elektronenaufnahme) ein Verbraucher angeschlossen, fließt Strom (Ladungsausgleich).

Modulflächen und Wechselrichter der PV-Anlage

Anordnung der PV-Elemente auf dem Luftbild mit Kurzbeschreibung der einzelnen Module

Gesamtübersicht Modulflächen und Wechselrichter

Bild in hoher Auflösung

Dachansicht mit PV-Modulen, Wechselrichter an der Stallwand

Ostseite - Modulflächen und Wechselrichter

Ansicht der südlichen Dachflächen mit den PV-Feldern

Südseite - Dach mit Modulflächen

Ansicht auf das Norddach des Milchviehstalles mit 2 Modulfeldern auf der Dachfläche

Nordseite - Dach mit 2 Feldern mit PV-Modulen

Detailansicht der verschiedenartigen PV Module auf dem Dach der Südseite

Südseite - Detailansicht verschiedenartiger PV Module

Solarstromerzeugung der einzelnen Modulflächen

Vergleichende Analyse des Stromertrags von Modulen mit unterschiedlicher Zelltechnologie (mono-, polykristallin, amorph) und Ausrichtung:
Säulendiagramm

Detailansicht in hoher Auflösung

  • Die Stromerzeugung der 54,7 kWp Photovoltaikanlage lag im Jahr 2017 bei 44.750 kWh.
  • Der durchschnittliche Solarertrag je kWp installierter Leistung sank im Vergleich zum Jahr 2015 von 940 kWh/kWp und im Jahr 2016 von 885 kWh/kWp auf 820 kWh/kWp im Jahr 2017. Die Unterschiede in den Solarerträgen lassen sich zum einen auf die Globalstrahlungswerte (Agrarmeteorologische Messstation am Standort Grub: 2015: 1.236 kWh/m²; 2016: 1.113 kWh/m²; 2017: 1.215 kWh/m²) zurückführen, zum anderen sind die Ertragseinbußen durch Verunreinigungen der Solarmodule verursacht.
  • Die Erträge der Module mit entsprechend vergleichbaren Zelltechnologien lagen auf der Süd- und Westseite um 26 bis 30 % über denen auf der Nordseite und um 12 bis 18 % über denen auf der Ostseite.
  • Die Solarerträge, bezogen auf die Modulfläche, waren bei den Hochleistungsmodulen (monokristalline Zelltechnologie) mit 199 kWh/m² in 2015, 170 kWh/m² in 2016 und 167 kWh/m² in 2017 am höchsten.
  • Die Stromerzeugung der multi- bzw. polykristallinen Modulflächen lag in 2015 zwischen 129 kWh/m² auf der Ostseite und 161 kWh/m² auf der Südseite, in 2016 zwischen 123 kWh/m² auf der Ostseite und 135 kWh/m² auf der Südseite, in 2017 zwischen 112 kWh/m² auf der Ostseite und 126 kWh/m² auf der Südseite.
  • Die Erträge der Dünnschichtmodule mit CIS Technologie lagen in 2015 zwischen 92 kWh/m² auf der Nordseite und 131 kWh/m² auf der Süd- bzw. Westseite, in 2016 zwischen 86 kWh/m² auf der Nordseite und 110 bzw. 115 kWh/m² auf der Süd- bzw. Westseite, in 2017 zwischen 76 kWh/m² auf der Nordseite und 96 bzw. 103 kWh/m² auf der Süd- bzw. Westseite.
  • Die Module mit mikroamorpher Zelltechnologie auf Siliziumbasis erzeugten am wenigsten Solarstrom und erreichten 61 kWh/m² auf der Nordseite und 83 kWh/m² auf der Südseite im Jahr 2015, 58 kWh/m² auf der Nordseite und 73 kWh/m² auf der Südseite im Jahr 2016, 53 kWh/m² auf der Nordseite und 65 kWh/m² auf der Südseite im Jahr 2016.

Eigenstromverbrauch

Ein wichtiger Aspekt für die wirtschaftliche Einordnung von Praxisanlagen ist die monetäre Bewertung der Stromproduktion. Die Vergütung für den in das öffentliche Netz eingespeisten Solarstrom bei Anlagengrößen über 10 kWp bis 40 kWp liegt aktuell (10/2017) bei 11,96 ct/kWh, bei PV-Anlagen größer 40 kWp bei 10,69 ct/kWh. Der Preis für aus dem Netz bezogenen Strom liegt je nach Tarif bei durchschnittlich 26 ct/kWh. Auch wenn seit 1.8.2014 für neue Anlagen eine Eigenverbrauchs-Umlage in die Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen mit einbezogen werden muss, unterstützt ein hoher Eigenverbrauch einen ökonomischen Betrieb von PV-Anlagen.

Aktuelle Vergütung für Photovoltaik(PV)-Anlagen

Lastprofil (in kW) für einen Sommertag - Gegenüberstellung der Verbrauchsbereiche gegenüber der Erzeugungskurve durch die PV-AnlageZoombild vorhanden

Tageslastprofil im Sommer
In nebenstehender Abbildung ist ein Tageslastprofil der Solarstromerzeugung im Sommer und der Stromnutzung dargestellt. Die Stromverbrauchswerte des Milchviehstalls, unterteilt in die Milchgewinnung des automatischen Melksystems (AMS), des Fischgrätenmelkstands (FG), der Verbrauchsbereiche im Stall (Beleuchtung, Fütterung, …) und des Kälberstalls sind der PV-Stromerzeugung gegenübergestellt. Insgesamt wurde 276,6 kWh Solarstrom erzeugt und im Bereich des Milchviehbetriebes 226,2 kWh Strom verbraucht. Es konnte ein Eigenverbrauchsanteil von ca. 40 Prozent erreicht werden.
Im Jahr 2017 erzeugte die 54,7 kWp Photovoltaikanlage insgesamt 44.750 kWh Solarstrom. Im Milchvieh- und Kälberstall konnten davon 31.210 kWh direkt verbraucht werden. Daraus errechnet sich ein Eigenstromverbrauchsanteil von 70 % über das ganze Jahr.
Um den gesamten Strombedarf zu decken konnte größtenteils auf die Stromproduktion der Hof-/Versuchsbiogasanlage in Grub zurückgegriffen werden.

Möglichkeiten zur Optimierung des Eigenstromverbrauchs:

  • Lastverschiebung: Anpassung des Stromverbrauchs an die Stromerzeugung
  • Ausrichtung der PV-Anlage: Verlängerung der solaren Einstrahlungszeiten (Ost-West)
  • Technische Ausstattung: Automatisierung (Melk-, Fütterungs-, Entmistungssysteme)
  • Auslegung der Anlagengröße an den Energieverbrauch (Abdeckung der Grund-, Spitzenlast)
  • Speicherung und bedarfsbezogene Nutzung: Batteriespeicher, Eisspeicher für die Milchkühlung
Ein Solarstromspeicher (Lithium-Ionen, Blei-Säure) mit einer nutzbaren Speicherkapazität von 20 KW könnte am Beispiel der Anlage in Grub den Eigenverbrauchsanteil um ca. 10 % erhöhen. Unter derzeitigen Bedingungen wäre die Wirtschaftlichkeit für den Einzelfall zu prüfen.

Fazit

Mit der zeitlich aufgelösten Erfassung des Stromertrags der Photovoltaikanlage und des Stromverbrauchs der einzelnen Verbrauchsbereiche im Milchviehstall kann neben einer Bewertung des Ertragsniveaus der unterschiedlichen Zelltechnologien auch der mögliche Eigenverbrauch abgeleitet werden.
Ein rationeller Energieeinsatz mit Anwendung der effizientesten Techniken und der Nutzung regenerativer Energieträger trägt zu einer stabilen und zukunftsorientierten ökonomischen Gestaltung des Betriebes, einer nachhaltigen Sicherung der weltweiten Rohstoffressourcen und zur Minderung der Kohlendioxid- und Treibhausgasemission bei.
An der PV-Anlage Grub werden die Daten und Grafiken zur Solarstromproduktion der einzelnen Modulflächen, zum Stromverbrauch des Milchviehstalls und der Eigenstromnutzung tagesaktuell aufgezeichnet und können hier eingesehen werden:

Weiterführende Informationen

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