Allen Personen, die mir während der Bearbeitung hilfreiche Unterstützung durch Rat und Tat gegeben haben und somit einen nennenswerten Beitrag zu einer erfolgreichen Fertigstellung meiner Diplomarbeit geleistet haben, möchte ich hiermit danken. Insbesondere dem Referenten Herrn Professor Dr.-Ing. Franz Roman Frontzek für seine überragende Betreuung, sowie Herrn Professor Dr.-Ing. Thomas Betz für die Übernahme des Korreferats und seine ebenso einzigartige Betreuung.

Ferner danke ich auch vielmals der solarSTEP GmbH & Co. KG, im speziellen Herrn Dipl.-Kfm. Enno Berner und Herrn Michael Jacobs, die mir die Bearbeitung und Fertigstellung der Diplomarbeit grundsätzlich ermöglichten und mir zusätzlich die Möglichkeit zur Übernahme der verantwortungsvollen Aufgabe gaben, ein Projekt einer Photovoltaik-Großanlage neben der Diplomarbeit zu planen und eigenständig zu leiten.

Kira Palacios, die mich seit

meinem 18. Lebensjahr entscheidend mitprägte. Unsere Liebe gibt mir diejenige Kraft und Glückseligkeit, die ich auch für das erfolgreiche Beenden meines Studiums des Wirtschaftsingenieurwesens benötigte. Hervorheben möchte ich ihre besondere Rücksicht auf meine zeitintensive Studiumszeit. Des Weiteren danke ich hiermit meinen Schwiegereltern Susanne und Angel Palacios für ihre Ratschläge und unterstützenden Taten in allen Hinsichten.

Ferner möchte ich meinen Brüdern Tamer und Timur für ihre stets tatkräftige Hilfe und ihr Verständnis in jeglichen Hinsichten, sowie in besonderem Maße meinen Eltern Penbe und für ihre vollste Unterstützung in allen Belangen, ihre beispiellose Geduld und ihren Beitrag zu dem, was ich heute bin, bedanken. Zudem danke ich gleichermaßen meinem Onkel , meiner Tante Gülseher, meiner Cousine Kiraz und meinen Cousins Tark und Tarkan für ihre Hilfsbereitschaft und verständnisvolle Art. Nicht zu vergessen sind meine Großeltern, Zekiye und sowie Samiye und Ahmet Öztürk, die als Gastarbeiter ohne Schulbildung nach Deutschland kamen und durch harte Arbeit die Basis für unter anderem meine Ausbildung schufen.

Für das Korrekturlesen möchte ich mich speziell bei Kira Palacios und meinem Arbeitskollegen, Herrn Oliver Feldmann, bedanken.

Ich bistattfinden kann. Aus diesem

Grund sage ich alhamdulillah (Gott sei Dank) für all die Möglichkeiten, die ich erhalten habe.

Juli 2010

Tanju Doganay

Inhaltsverzeichnis I

INHALTSVERZEICHNIS   

1  Einleitung  1

2  Prozessorientierte Betrachtung  4

2.1  Projektphasen  4

2.2  Projektaufwand  7

3  Grundlagen der technischen Planung  8

3.1  Allgemeines  8

3.2  Energetische Ertragsprognose  10

3.3  Photvoltaikgenerator auf Flachdächern  11

3.3.1  Exkurs: Dachkunde  12

3.3.1.1  Dachformen  12

3.3.1.2  Dachhaut  13

3.3.1.3  Flachdach  14

3.3.2  Statik und Standsicherheit  14

3.3.2.1  Lasteinwirkungen  15

3.3.2.2  Standsicherheits- und Tragsicherheitsnachweis  19

3.4  Montagesysteme  19

3.4.1  Dachbefestigung  20

3.4.1.1  Schwerlastverfahren (freistehende Anlage)  20

3.4.1.2  Verankerung (fest verbundene Anlage)  21

3.4.2  Aufständerung  21

3.4.2.1  Arten von Aufständerungen  21

3.4.2.2  Aerodynamische Montagesysteme  22

3.4.3  Zusammenfassung Montagesysteme  23

3.5  Photovoltaikmodule  24

3.5.1  Allgemeines  24

3.5.2  Modul- und Zellarten  24

3.5.2.1  Kristallines Silizium  26

3.5.2.2  Dünnschichtzellen  28

3.5.2.3  Hochleistungsmodule  29

3.5.3  Zellkenngrößen und Solarzellenkennlinien  30

3.5.4  Modulkenngrößen  33

3.5.5  Spektrale Empfindlichkeit  34

Inhaltsverzeichnis II

3.5.6  Einstrahlungsabhängigkeit und Temperaturverhalten  35

3.5.7  Elektrische Eigenschaften von Dünnschichtmodulen  38

3.5.8  Zusammenfassung elektrische Eigenschaften von Photovoltaikmodulen  42

3.5.9  Entscheidungskriterien  42

3.5.9.1  Technische Kriterien  43

3.5.9.2  Modulhersteller  46

3.5.9.3  Garantie mit Rückversicherung  46

3.5.9.4  Zertifizierungen  47

3.6  Wechselrichter  47

3.6.1  Allgemeines  47

3.6.2  Funktionsweise  48

3.6.3  Netz- und selbstgeführte Wechselrichter  50

3.6.4  Übersicht zu Kenngrößen, Kennlinien und weiteren Eigenschaften von  

Wechselrichtern   51

3.6.5  Anlagenkonzepte bei netzgekoppelten PV-Anlagen  53

3.6.5.1  Zentralwechselrichter  53

3.6.5.2  String-Wechselrichter  54

3.6.5.3  Multistring-Wechselrichter  54

3.6.5.4  Mittelspannungswechselrichter  55

3.6.6  Wechselrichterdimensionierung  56

3.6.6.1  Leistungsdimensionierung  56

3.6.6.2  Spannungsdimensionierung  58

3.6.6.3  Stromdimensionierung  59

3.6.6.4  Auslegungsoptimierung für Wechselrichter  59

3.6.6.5  Beispiel: Überprüfung einer Wechselrichterdimensionierung  60

3.6.7  Qualitätskriterien  61

3.7  Verschattungen  63

3.7.1  Allgemeines  63

3.7.2  Verschattungsarten  64

3.7.3  Verschattungsempfindlichkeit von Modulen bei Generatorverschaltung  65

3.7.4  Modulreihenabstand bei aufgeständerten PV-Generatoren  69

3.7.5  Lösungen bei Verschattung  70

3.8  Netzanschluss  72

Inhaltsverzeichnis III

3.8.1  Allgemeines  72

3.8.2  Netzanschlusspunkt  75

3.8.3  Freischaltstelle  76

3.8.4  Zähler und Messeinrichtung  77

3.9  Interne elektrische Verkabelung  78

3.9.1  Auslegung von Leitungen  78

3.9.2  Dimensionierung der Leiterquerschnitte.  81

3.9.3  Leitungsverluste  86

3.10  Gleichstrom-Hauptschalter und Generatoranschlusskasten  89

3.11  Blitz- und Überspannungsschutz  91

3.11.1  Grundlagen  91

3.11.2  Notwendigkeit des Blitzschutzes  92

3.12  Brandschutz  94

4  Montage und Installation von Photovoltaikanlagen  95

4.1  Allgemeines  95

4.2  Arbeiten am Generatorkreis  96

4.3  Montage auf Flachdächern  98

4.4  Modulmontage und verschaltung  99

4.5  Leitungsverlegung  100

4.6  Sicherheitsbestimmungen bei Arbeiten auf dem Dach  102

5  Langzeiterfahrungen  103

6  Checkliste  104

7  Fazit und Ausblick  108

Literaturverzeichnis   111

Tabellenverzeichnis   112

Abbildungsverzeichnis   114

Abk  ürzungsverzeichnis  116

SI  -Einheiten  117

Anlagenverezichnis   117

1 EINLEITUNG

Während im Jahre 1800 978 Millionen Menschen weltweit lebten, verdoppelte sich die Bevölkerungszahl nahezu innerhalb von 100 Jahren auf etwa 1,65 Milliarden. Doch Ende des 20. Jahrhunderts lebten auf der Erde bereits rund 6 Milliarden Menschen ¹⁾ . Experten zufolge soll die Zahl der Weltbevölkerung weiter steigen, sodass sich diese nach ihren Schätzungen im Jahre 2050 bis zu etwa 10,5 Milliarden vergrößern kann ²⁾ . Der daraus resultierende Energiebedarf der Menschheit sollte damit weiterhin steigen, welcher durch eine gezielte Energieerzeugung gedeckt werden muss. Bedingt dadurch, dass bei anhaltender Entwicklung des derzeitigen Verbrauchs die fossilen Energieressourcen in der nahen Zukunft aufgebraucht werden, ist die Bedeutung der Antwort auf die Frage, welche Stromgewinnungssysteme eine Alternative zur konventionellen Stromerzeugung darstellen, erheblich gestiegen. Insbesondere muss im Zuge der globalen Klimaerwärmung diese Erzeugung auch ökologisch vertretbar sein. Durch diesen Hintergrund ist die Nachfrage nach erneuerbare Energiesystemen in den letzten Jahren stetig gestiegen. Hierzu zählen u.a. Windkraft-, Wasserkraft-, Geothermie- und Photovoltaikanlagen. Letzteres nimmt aufgrund der Nutzung von nahezu unbegrenzter solarer Energie eine besondere Stellung ein.

Die Photovoltaik (PV) ist jene Technik, die das energiereiche Sonnenlicht mittels Solarzellen in elektrischen Strom umwandelt. Im Vergleich zur Ressourcenknappheit der herkömmlichen Hauptenergieträger, wie Kohle, Erdöl und Uran ³⁾ , nutzen Solarzellen Strahlungsenergie der Sonne, dessen Vorräte für menschliche Maßstäbe unendlich vorhanden sind ca. 5 Milliarden Jahre. Zudem steht das für die Zellenherstellung hauptsächlich verwendete Rohstoffmaterial Silizium im wahrsten Das faszinierende an der PV ist, dass die

höchste Energieform die Elektrizität entsteht, ohne Abgase oder schädliche Abfallprodukte zu produzieren. Diese Art von sauberer und umweltfreundlicher Nutzung der solaren Energie kennzeichnet sich dank der Solarzellen durch hohe Zuverlässigkeit und sehr geringem Wartungsaufwand aus. Mit einer Energierücklaufzeit von etwa 3,3 Jahren bis 2,7 Jahren in Mitteleuropa kann eine PV-Anlage zudem eine positive Energiebilanz aufweisen ⁴⁾ .

Als in Deutschland das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) im April 2000 eingeführt und damit die Amortisation einer PV-Anlage innerhalb ihrer Lebenszeit ermöglicht wurde, erfuhr die PV-Branche in Deutschland einen riesigen Boom. Im Ausland diente das erfolgreiche EEG als Vorbild für staatliche Subventionsprogramme, sodass insgesamt seit 1997 das weltweite Interesse und damit auch die Produktion von PV-Komponenten jährlich um 30 bis 40 % stiegen. Da die Branche so jung und doch so schnell gewachsen ist, sind die PV-Anlagen projektierenden Unternehmen vor der erhöhten

¹ Vgl. (32)

² Vgl. (21)

³ Es wird geschätzt, dass die Vorräte von Erdöl und Uran noch einige zehn und diejenigen von Kohle noch 100 Jahre reichen. ⁴ Vgl. (1 S. 10-25)

Herausforderung gestellt, die Anlagen gemäß dem Stand der Technik und gleichzeitig auch wirtschaftlich zu planen und zu errichten. In diesem Zusammenhang kann ein Leitfaden zur Projektierung, vor allem im Bereich von Großanlagen aufgrund ihres vergleichsweise höheren Aufwands, für Unternehmen hilfreich sein.

Die vorliegende Diplomarbeit zielt darauf ab, einen Leitfaden zur Planung und Errichtung von Photovoltaik-Großanlagen durch Auswertung von vorhandenen Literaturquellen zu erarbeiten. Die in dieser Arbeit erarbeiteten Hinweise bzw. Empfehlungen sollen dem Anlagenplaner und Installateur für ihre jeweilige Tätigkeit als unterstützendes Werkzeug dienen. Grundlegende Kenntnisse des Lesers über die Systemtechnik der Photovoltaik werden vorausgesetzt.

In der einschlägigen Literatur ist keine einheitliche Definition für Großanlagen gegeben, doch im Allgemeinen geht man ab einem Leistungsbereich von 100 kWp von Großanlagen aus. Da diese aufgrund der zur Verfügung stehenden Flächen zumeist auf Flachdächern von Industriebauwerken realisiert werden, liegt der Fokus dieser Arbeit auf PV-Anlagen die auf derartigen Dächern installiert werden, begrenzt auf den Standort Deutschland.

Photovoltaikanlagen auf Flachdächern nehmen einen besonderen Rang ein, denn die Solarmodule werden aus Ertragsgründen an einem Montagesystem (Unterkonstruktion) montiert und aufgeständert. Die Flachdachmontage hat die Vorteile, dass die Photovoltaikanlage eine hohe Vergütung nach EEG erhält, der Solargenerator optimal ausgerichtet und geneigt werden kann, die Module bei hohen Umgebungstemperaturen infolge guter Hinterlüftung weniger Leistung verlieren, die Module leichter demontiert, repariert sowie gewartet werden können und im Allgemeinen die Montage schnell und kostengünstig erfolgen kann 5) .

Anbieter ca. 3000 Typen von Solarmodulen an ^{6 )} . Dieser Sachverhalt sorgt dafür, dass der Anlagenplaner bzw. Investor der erhöhten Anforderung ausgesetzt ist, die geeigneten Module für das entsprechende Projekt auszuwählen. Professionelle Investoren beschäftigen aus diesem Grund - ⁷⁾ . Diese Diplomarbeit

bietet dem Praktiker Entscheidungskriterien, die bei der Auswahl von Modulen wichtig sind. Adäquat zu den Modulen bieten die Hersteller von Solarwechselrichtern eine ähnliche Produktvielfalt an. Von 820 Wechselrichtertypen ⁸⁾ muss der Anlageplaner entscheiden, ob für die zu installierende PV-Anlage beispielsweise ein- oder dreiphasig einspeisende Wechselrichter, die einen Transformator integriert haben oder transformatorlos arbeiten, eingesetzt werden. Welcher Wechselrichter eingesetzt werden sollte, ist prinzipiell projektabhängig zu entscheiden. Die hierbei zu beachtenden Punkte sind ein Teil dieser Diplomarbeit.

⁵ Vgl. (3 S. 185)

⁶ Vgl. (8 S. 52) ⁷ Vgl. (8 S. 53) ⁸ Vgl. (7 S. 10 f.)

Die vorliegende Arbeit gliedert sich in die folgenden sieben Teile: 1. Einleitung 2. Prozessorientierte Betrachtung 3. Grundlagen der technischen Planung 4. Montage und Installation von Photovoltaikanlagen 5. Langzeiterfahrungen 6. Checklisten 7. Fazit

In Kapitel 1 erfolgt eine kurze Einführung. Nach der Bestimmung der Zielsetzung und Vorgehensweise wird in Kapitel 2 hotovoltaika Phasen

untergliedert und beschrieben. Kapitel 3 umfasst die Grundlagen der technischen Planung von Photovoltaikanlagen. Hierbei werden zu den einzelnen Systemtechniken Entscheidungskriterien, wichtige Begriffe, Symbole sowie zu beachtende Normen beschrieben. Nachdem in Kapitel 4 wichtige Hinweise für Anlagenerrichter aufgelistet werden, erfolgt in Kapitel 5 eine kurze Zusammenfassung von Langzeiterfahrungen hinsichtlich Photovoltaikmodule und Wechselrichter. Kapitel 6 wird das Kernthema von Kapitel 3 mit praxistauglichen Checklisten abrunden. Kapitel 7 resümiert die Ergebnisse der Arbeit.

2 PROZESSORIENTIERTE BETRACHTUNG

2.1 PROJEKTPHASEN

Für Vorhaben, wie die Nutzung der Solarenergie durch Photovoltaikanlagen, ist der Projektentwicklungsprozess durch Komplexität gekennzeichnet. Grundsätzlich ist der Projekterfolg neben den technischen Aspekten vor allem von der Planungskompetenz abhängig. Für eine strukturierte Vorgehensweise ist es sinnvoll ein Projekt insgesamt in Phasen zu gliedern, auch wenn sie sich in der Praxis nicht klar voneinander abgrenzen lassen, da zwischen den Phasen Interaktionen herrschen. So kann eine erhöhte Überschaubarkeit des Projektes und damit eine größere Chance auf Projekterfolg erzielt werden. eruht darauf, dass die erforderlichen

Projektressourcen mit dem Projektverlauf stetig anwachsen. Finanzielle und zeitliche Investitionen in Projektentwicklungen sind allein bei steigender Chance des Projekterfolges in verantwortbarem Rahmen.

Die einzelnen Phasen Projektakquisition, technische Planung, Wirtschaftlichkeitsabschätzung und Finanzierung, Montage und Inbetriebnahme, Dokumentation und Abnahme werden im Folgenden kurz beschrieben (siehe Abbildung 1). Da die planerischen Aufgaben in starker Abhängigkeit zueinander sind, erfordern Photovoltaikanlagen, insbesondere Großanlagen, professionelles Knowhow und Erfahrung ⁹⁾ .

⁹ Vgl. (5 S. 722 ff.)

Projektakquisition

Damit eine PV-Anlage geplant und darauf aufbauend ein Angebot erstellt werden kann, ist eine Ortsbesichtigung erforderlich, wobei die Rahmenbedingungen für die PV-Anlage ermittelt werden.

technische Planung, Kostenkalkulation Fehler zu vermeiden ¹⁰⁾ .

Generell erfolgt in dieser Phase die Feststellung, ob sich das vorgesehene Gebäude für die Installation einer PV-Anlage eignet. Hierbei spielen folgende Kriterien eine wichtige Rolle: die standortabhängige Stärke der Sonneneinstrahlung (siehe Kapitel 3.2) der Zustand sowie die Statik des Flachdaches (siehe Kapitel 3.3) und der Verschattungsgrad der Dachfläche (siehe Kapitel 0) die Infrastruktur des Stromnetzes (siehe Kapitel 3.8)

Eine Dachfläche kann für eine Photovoltaikanlage aus Verschattungsgründen und die damit verbundenen wirtschaftlichen Nachteilen dann ungeeignet sein, wenn sich beispielsweise relativ viele Oberlichter, Rauch- und Wärmeabzugsanlagen (RWA) etc. auf der Dachfläche installiert sind oder sich in der direkten Umgebung höhere Bauwerke befinden. In dünn besiedelten Gebieten ist die Wahrscheinlichkeit höher, dass der Anschluss ans Stromnetz einen verhältnismäßig hohen wirtschaftlichen Mehraufwand erfordern kann.

Für eine gut durchführbare Planung sind bei der Vorortbesichtigung und der damit verbundenen Datenaufnahmen folgende Punkte wichtig ¹¹⁾ : Vorgaben technischer Art (Modulart, Anlagenkonzept, Montageart etc.), Kunde wünscht bestimmte PV-Leistung oder bestimmten Energieertrag, Vorgaben ästhetischer Art, z.B. vom Objekteigentümer, -besitzer, Finanzrahmen des Bauherren, Angaben zum Dach, Angaben zur Verschattung,

Montageorte ( z.B. für Wechselrichter, G und Freischalteinrichtung), Berücksichtigung der Zugänglichkeit, insbesondere für erforderliche Hilfsmittel wie Kran, Gerüst usw.

Falls die vorgesehene Dachfläche erst vom Gebäudeeigentümer gepachtet werden muss, stellt der nächste Schritt in der Projektentwicklung in der Regel die vertragliche Übereinkunft mittels Ausarbeitung von Pacht- oder Gestattungsverträgen mit dem Gebäudeeigentümer dar. Das Projekt erhält mit dieser Phase ein Fundament, worauf die weiteren Projektschritte aufgebaut werden können.

Technische Planung

Bevor das Vorhaben dem zuständigen Netzbetreiber (EVU) zur Netzverträglichkeitsprüfung (d.h. es wird für einen bestimmten Einspeisepunkt überprüft, ob das Netz ohne technischen Ausbau eine bestimmte Anlagennennleistung verträgt) vorgelegt wird, wird die technische Vorplanung

¹⁰ Vgl. (1 S. 4-3)

¹¹ Vgl. (1 S. 4-3)

durchgeführt. Hierzu wird die Anlage durch Ermittlung ihrer Nennleistung grob definiert. Hierfür sind folgende Fragestellungen zu klären:

Welches Montagesystem ist für die Dachfläche zu wählen (siehe Kapitel3.4)? Welche Module sind für den Standort und das Montagesystem geeignet (siehe Kapitel 3.5)?

Nachdem die Anlagennennleistung bestimmt worden ist, kann nun vom EVU eine Netzverträglichkeitsprüfung d.h. es wird für einen bestimmten Einspeisepunkt überprüft, ob das Netz ohne weitere Maßnahmen eine bestimmte Anlagennennleistung prinzipiell verträgt verlangt werden. Für die Durchführung der technischen Feinplanung der Anlage, sollte vorerst der Netzanschluss mit dem lokalen Energieversorgungsunternehmen (EVU) durchgeplant werden. Wie oben erwähnt kann es hierbei notwendig sein das Stromnetz auszubauen, damit die erzeugte Energie der Anlage ins Netz eingespeist werden darf. Im Falle von Netzverstärkungsmaßnahmen besteht die Möglichkeit, dass Genehmigungen eingeholt werden müssen.

Wirtschaftlichkeitsabschätzung und Finanzierung

Da eine Photovoltaikanlage neben dem ökologischen Aspekt als eine Kapitalanlage dient, wird in der Regel die Wirtschaftlichkeit einer Anlage schon in der Anfangsphase des Projektes abgeschätzt, um sicherzustellen, dass die Projektverfolgung noch einen wirtschaftlichen Sinn macht (Ertragsprognose).

Darüber hinaus muss der Punkt der Finanzierung geklärt sein, denn schließlich ist die Liquidität die Voraussetzung, dass die Projekttätigkeiten weitergeführt werden können. Beachtliche Mittel sind meistens schon in frühen Phasen des Projektes notwendig, wie z.B. für den Einkauf von Modulen, die den größten Teil der Anlagensystemkosten ausmachen. Darüber hinaus kann ohne finanzielle Ressourcen kein bindender Vertrag mit Lieferanten für die Photovoltaikanlage abgeschlossen werden, sodass man in der Regel keinen verbindlichen Liefertermin erhalten wird.

Montage und Inbetriebnahme

Die Bauausführung als letzte Phase in der Projektentwicklung steht für die Umsetzung der getätigten Planungen. Dieser Abschnitt lässt sich im Prinzip von den Planungstätigkeiten abgrenzen, so dass die Schwerpunktkompetenzen der zuständigen Personen hierbei in anderen Bereichen liegen. Der Bau einer Photovoltaikanlage an sich nimmt relativ viel Zeit in Anspruch (siehe Kapitel 2.2). Der Abschluss der Bauausführungsphase ist in der Regel mit der Netzeinspeisung der Photovoltaikanlage gekennzeichnet.

Übergangslos findet die Inbetriebnahme der Photovoltaikanlage statt, bei der es für den Anlagenbetreiber empfehlenswert ist, den Akt der Inbetriebnahme mit eigenem Personal mitzuverfolgen. Denn in vielen Fällen zeigt sich eine erhöhte Anzahl an Mängeln, deren Beseitigung notwendig ist.

2.2 PROJEKTAUFWAND

Je nachdem ob es sich um eine Klein- oder Großanlage handelt, ändert sich der prozentuale Zeitaufwand für die o.g. Projektphasen. Abbildung 2 verdeutlicht diesen Zusammenhang, denn speziell die Planungsphase für große PV-Anlagen ist in Relation zu Kleinanlagen mit deutlich mehr Aufwand verbunden.

Abbildung 2: Vergleich zwischen dem Zeitaufwand für PV-Kleinanlagen und derjenigen für PV-Großanlagen 12)

Hieraus kann abgeleitet werden, dass für Großanlagen die Anlagenplanung eine besonders wichtige Projektphase darstellt, die mit besonderer Sorgfalt durchzuführen ist. Denn die höheren Investitionssummen für Großanlagen führen dazu, dass sich hieraus auch größere wirtschaftliche Risiken ergeben.

¹² (22 S. Materialien/Kalkulation)

3 GRUNDLAGEN DER TECHNISCHEN PLANUNG

3.1 ALLGEMEINES

Grundsätzlich ist die Dimensionierung einer PV-Anlage von folgenden Punkten abhängig: Dachgröße, -neigung und -ausrichtung Verschattungsverhältnisse

Vorgaben technischer Art (z.B. vom Anlagenbetreiber, EVU) Projektbudget des Bauherren

Vorgaben ästhetischer Art (z.B. vom Objekteigentümer, -besitzer) Netzeinspeisepunkt

Ablauf der Anlagenplanung

Die folgende Beschreibung des Planungsablaufs (siehe Abbildung 3) ist beispielhaft und bezieht sich auf das Unternehmen solarSTEP GmbH & Co. KG (solarSTEP):

Nachdem die Anlagenleistung grob ermittelt und für die Rendite der PV-Anlage ein wirtschaftlich sinnvolles Ergebnis (z.B. über 7 % Anlagenrendite) prognostiziert wurde, wird in der Regel anschließend ein Vor-Ort-Termin mit dem lokalen Energieversorgungsunternehmen (EVU) vereinbart. Hierbei kann auch der potentielle Einspeisepunkt bzw. die Einspeisepunkte festgelegt werden. Hierauf folgt grundsätzlich eine Netzverträglichkeitsprüfung für den oben definierten Punkt. Im Falle der Anlagenrealisierung stellt die schriftliche Zusage vom EVU hinsichtlich der Netzeinspeisung eine wichtige Grundlage für das gesamte Projekt dar. Die PV-Anlage muss, wenn nötig, auf die von der EVU vorgegebene Leistung angepasst werden, d.h. der Modulverlegungsplan auf der Dachfläche ist zu ändern. Nun kann die Anlage beim EVU angemeldet werden. Nach der genauen Leistungsermittlung können nun für ein gewähltes Wechselrichterkonzept die geeigneten Wechselrichter, die rechtzeitig lieferbar sind, ausgewählt und dimensioniert werden. Falls die Wechselrichter mit der geplanten Modulanzahl nicht optimal dimensioniert werden können (siehe Kapitel 3.6.6), muss die Modulanzahl entsprechend reduziert werden. Darauf folgend kann der Stringplan durchgeführt und bei Bedarf Generator-anschlusskästen (z.B. bei Einsatz von Zentralwechselrichtern im großen Leistungsbereich) beim jeweiligen Lieferanten bestellt werden.

Da solarSTEP als Generalunternehmen die Projekte abwickelt, haben die von solarSTEP beauftragten Elektrounternehmen die restlichen Elektroplanungen, wie die Dimensionierung der DC- und AC- Leitungen, der Schutzeinrichtungen usw., durchzuführen.

3.  Grundlagen der technischen Planung  9

   13

Abbildung  3: Flussdiagramm zur Anlagenplanung bei solarSTEP  

13  Vgl (22 S Materialien DVD )  

3.2 ENERGETISCHE ERTRAGSPROGNOSE

Die Jahressummen der Globalstrahlung betragen im Schnitt in Deutschland zwischen ca. 940 kWh/m² und 1.200 kWh/m². Als vereinfachte Regel ist nach Abbildung 4 ist zu sagen, dass die Sonneneinstrahlung von Süd- zu Nordwestdeutschland abnimmt.

Zur überschläglichen Ertragsprognose von PV-Anlagen wird in der Praxis häufig die spezifische Jahresenergie bezogen auf ein kWp verwendet ( ). Diese Kennzahl basiert auf Stromertragsdaten, die beispielsweise auf der Webseite www.pv-ertraege.de zu jeder Region in Deutschland entnommen werden können. Die folgende Tabelle listet die Werte der letzten fünf Jahre zum einen für die Region Frankfurt/Main, Darmstadt, Wiesbaden, Saarbrücken, Kaiserslautern sowie Mannheim und zum anderen für München, Garmisch-Partenkirchen, Traunstein, Landshut, Augsburg, Friedrichshafen sowie Ulm auf:

¹⁴ (16)

Tabelle 1: Die spezifische Jahresenergie in kWh/kWp für den PLZ-Bereich 6000-6999 und 8000-89999 16)

Bei genauen Ertragsgutachten sind die Jahresdurchschnittswerte als Berechnungsgrundlage in der Regel nicht ausreichend, da für den Ertrag einer PV-Anlage Faktoren, wie z.B. Auswahl und Dimensionierung der Wechselrichter, Modultyp, Verschattungen, Leitungsdimensionierung, entscheidend sind. Diese Einflussgrößen müssen projektspezifisch begutachtet werden, um daraus den Anlagenertrag verlässlich zu prognostizieren. Verschiedene Unternehmen und Institutionen, wie z.B. das Fraunhofer ISE, bieten derartige Dienstleistungen an 17) .

Die solare Einstrahlung ist in Deutschland bei einer Südausrichtung (Azimutwinkel 0°) bei ca. 35° Modulneigungswinkel am größten (siehe Abbildung 5). Der Grund hierfür liegt darin, dass bei dieser Neigung über ein gesamtes Jahr das Optimum an Solarstrahlung auf die Modulfläche eintrifft.

Abbildung 5: Jahressumme der Globalstrahlung in Berlin in Abhängigkeit von Azimut und Neigung in kWh/m² 18)

3.3 PHOTVOLTAIKGENERATOR AUF FLACHDÄCHERN

Grundsätzlich können auf allen Teilen der Gebäudeoberfläche, die für direktes Sonnenlicht zugänglich sind, PV-Anlagen installiert werden. Hierzu zählen flache und schräge Dächer sowie Fassaden, wobei man additives von integrativen Lösungen unterscheidet. Zudem dienen prinzipiell

¹⁵ Postleitzahl (PLZ)

¹⁶ (17) ¹⁷ Vgl. (24) ¹⁸ (1 S. 2-19)

auch brachliegende Freiflächen zur Installation von PV-Anlagen. Die folgende Abbildung stellt eine Übersicht über alle möglichen Montagearten für PV-Anlagen dar.

Die additive Lösung kennzeichnet sich dadurch aus, dass die Befestigung des PV-Generators mit einer metallischen Unterkonstruktion auf dem Dach bzw. vor der Fassade erfolgt. Die PV-Anlage, die hier ausschließlich die Funktion der Stromerzeugung hat, wird auf diese Weise ein technischer Zusatzbaukörper auf bzw. an dem Gebäude deshalb auch die Bezeichnung additiv. Dahingegen hat die PV-Anlage bei der integrativen Lösung neben der funktionalen Eigenschaft der Stromerzeugung weitere Funktionen wie Wetterschutz, Wärmedämmung, Schallschutz, Sonnenschutz oder Sicherheit. Hier dient die PV-Anlage als Ersatz für Bauteile des Daches bzw. der Fassade, wodurch sie insgesamt ein Teil der Gebäudehülle wird ²⁰⁾ .

3.3.1 EXKURS: DACHKUNDE

3.3.1.1 Dachformen

Zu den Dachgrundformen zählen Flachdach, Satteldach, Pultdach, Giebeldach, Krüppelwalmdach, Walmdach, Zeltdach, Tonnendach, Mansarddach und Scheddach ²¹⁾ . Abhängig von der Neigung können Dächer folgendermaßen untergliedert werden ²²⁾ :

Prinzipiell können alle Dachflächen, die nicht nach Norden ausgerichtet sind, für Installation von PV-Generatoren genutzt werden. Da der Fokus dieser Ausarbeitung speziell auf Flachdächern liegt, wird im Folgenden nur der Dachtyp mit geringer Neigung betrachtet.

¹⁹ Vgl. (1 S. 8-5)

²⁰ Vgl. (1 S. 8-5) ²¹ Vgl. (1 S. 8-7) ²² Vgl. (1 S. 8-6)

3.3.1.2 Dachhaut

Die Bezeichnung Dachhaut bezeichnet einen Teil eines Daches, der als schützendes Mittel gegen Witterungseinflüsse dient. Die Dachhaut wird grundsätzlich zwischen Dacheindeckung und Dachabdichtung unterschieden: a) Dacheindeckung (ableitende Deckung) Einsatzbereich: geneigte Dächer

Durch Einsatz von Elementen wie Ziegeln, Dachsteinen, Faserzementplatten, Schindeln, Schiefer, (Well-) Platten oder Blechen und der Einhaltung der Fachregeln des Deutschen Dachdeckerhandwerks wird das Dach regensicher aber nicht wasserdicht. b)Dachabdichtung (abdichtende Deckung) Einsatzbereich: Flachdächer

Flachdächer müssen unbedingt eine Schicht über ihre komplette Dachfläche haben, die absolut wasserundurchlässig ist. Hierzu werden z.B. Bitumendachbahnen, Kunststoffdachbahnen oder Flüssigabdichtungen ²³⁾ eingesetzt. Die Dachabdichtung umfasst auch An-und Abschlüsse, Durchdringungen und Fugenausbildungen ²⁴⁾ .

Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht über die verschiedenen Arten der Dachabdichtung und der Aspekte, die bei PV-Anlagen zu beachten sind.

²³ Diese Abdichtungsmethode verwendet Kunststoffe, wie ungesättigtem Polyester (UP), Polyurethan (PUR) oder Polymethylmethacrylat (PMMA), die flüssig aufgebracht und dann ausgehärtet gelassen werden. ²⁴ Vgl. (1 S. 8-9)

²⁵ Asbestproblem, Sondermüll bei Herstellung bis 31.12.1990

3.3.1.3 Flachdach

Flachdächer haben in der Photovoltaik eine besondere Stellung, da die Photovoltaikanlagen aus Ertragsgründen aufgeständert werden müssen, wozu Montagesysteme benötigt werden. Die grundsätzlichen Vor- und Nachteile von Anlagen auf Flachdächern sind in der folgenden Tabelle aufgelistet.

3.3.2 STATIK UND STANDSICHERHEIT

Nach einer Grundregel aller Landesbauordnungen (LBO) muss die Standsicherheit einer baulichen Anlage und somit der Photovoltaikanlage gewährleistet sein. Das Montagesystem muss so dimensioniert werden, dass die Photovoltaikanlage den am Einsatzort anzunehmenden Lasteinwirkungen standhält also nicht abhebt, umkippt, abrutscht oder ähnliches. Ebenfalls von großer Bedeutung ist, dass die Konstruktion des Daches ausreichend bemessen ist, um die aus der PV-Anlage resultierenden Zusatzlasten aufnehmen zu können. In diesem Zusammenhang beinhaltet die DIN 1055 Einwirkungen auf Tragwerke die verbindlichen bautechnischen Regeln ²⁸⁾ . Sie definiert die anzusetzenden Lasten und gibt die Planungs- und Berechnungsgrund-lagen an. Die folgende Ausarbeitung basiert auf die Teile 100, 4 und 5, die vollständig überarbeitet wurde und spätestens seit Januar 2007 in allen Bundesländern bauaufsichtlich eingeführt worden ist ihre Anwendung ist damit verbindlich ²⁹⁾ .

²⁶ Vgl. (1 S. 8-10)

²⁷ Vgl. (12) ²⁸ Vgl. (4 S. 113) ²⁹ Vgl. (1 S. 8-15)

3.3.2.1 Lasteinwirkungen

Grundsätzlich werden Lasten wie folgt eingeteilt: ständig wirkende Lasten (z.B. Eigengewicht der PV-Anlage) nicht ständig wirkende, teilweise umweltabhängige Lasten (z.B. Wind und Schnee)

Nach den Regeln der Technik muss eine Zusammenstellung der o.g. Lasten in verschiedenen Lastfällen erfolgen. Der ungünstigste Fall muss dann als Basis für die Dimensionierung des Bauwerks oder Bauteils hier PV-Anlage dienen. Prinzipiell wirken an den Modulen folgende Kräfte: Druckkräfte resultiert aus dem Staudruck des Windes, der Schneelast, dem Eigengewicht des PV-Generators (Module und Unterkonstruktion). Sogkräfte ergibt sich aus der Sogwirkung des Windes.

Die folgenden Aufführungen erläutern die Eigenlasten der PV-Anlage, die Windlasten und die Schneelasten ³⁰⁾ .

Eigenlasten

Die Eigenlasten sind ausschließlich abhängig vom Gewicht der Bauteile, sodass sie größenmäßig gut definierbar sind. Die Last des PV-Generators wird in der Regel von den Modulen und der Unterkonstruktion bestimmt. Das Eigengewicht der Module liegt etwa zwischen 0,12 kN/m² und 0,3 kN/m². Dahingegen variieren die Eigengewichtslasten des Montagesystems in erhöhtem Maße. Je nachdem welches System verwendet wird (siehe Kapitel 0), können die Flächenlasten beispielsweise ca. 10 kg/m² oder sogar über 100 kg/m² betragen. Die Information über die exakten Werte sind entweder in den technischen Datenblättern enthalten oder beim Hersteller zu erfragen.

³⁰ (1 S. 8-15)

³¹ Vgl. (28)

aerodynamischen Druckbeiwert und dem Staudruck des Windes q . Ein positives Vorzeichen der Windkraft bzw. des -Wertes bedeutet Druck und negatives Vorzeichen Sog.

Der Geschwindigkeitsdruck ist abhängig von der Windzone (siehe Abbildung 7) und der Gebäudehöhe sowie vom Gelände in der Umgebung (siehe Abbildung 8).

Die folgende Tabelle beinhaltet die vereinfachten Geschwindigkeitsdrücke nach DIN 1055-4:2005-03.

Tabelle 5: Vereinfachte Geschwindigkeitsdrücke in kN/m² für Bauwerke bis 25m Höhe nach DIN 1055-4:2005-03

Der Außendruckbeiwert ist abhängig von der Dachform und der Größe der Lasteinwirkungsfläche. In Tabelle 6 sind die entsprechenden Werte für Flachdächer zu entnehmen.

Da auf die komplette Dachfläche gesehen die Lasteinwirkungen unterschiedlich sind, werden nach DIN 1055 Flachdächer in vier Bereiche eingeteilt (siehe Abbildung 9): F: Ecke G: Außenrand H: Innenrand I: Innenbereich

Sogkräfte sind an den Kanten zwischen Wänden und Dachflächen am größten und nehmen insgesamt von den Eckbereichen des Daches über den Randbereich zur Mitte ab. Auch Druckkräfte variieren je nach Dachbereich. In der Praxis müssen deshalb in den sensiblen Dachbereichen die Flächenlasten pro m² des Montagesystems höher gewählt werden, um die Standsicherheit des PV-Generators gewährleisten zu können. Diese Dimensionierungen sollten grundsätzlich Statiker durchführen. Die Höhe der Lasten ist vom jeweiligen Montagesystem abhängig.

Tabelle 6: Außendruckbeiwerte bei Flachdächern für Lasteinzugsflächen über 10 m² (aus DIN 1055-4, Tabelle 4).

Aus Tabelle 6 sind die Außendruckbeiwerte abhängig von der Attikahöhe für die einzelnen Dachbereiche zu entnehmen. Da Attiken die Windgeschwindigkeit auf der Dachfläche reduzieren, hat die Attika grundsätzlich eine lastmindernde Wirkung und somit positiven Einfluss auf die Lasteinwirkungen des Windes auf eine Photovoltaikanlage.

Schnee

Besonders in schneereichen Regionen wird das Montagesystem aufgrund von Schneelasten vor erhöhten Herausforderungen gestellt.

Die Schneelast wird ebenfalls auf der Grundlage der DIN 1055 berechnet ³²⁾ . Der rechnerische Wert s lässt sich aus dem Produkt von der standortabhängigen Regelschneelast und dem aus der Dachneigung resultierenden Abminderungsfaktor ermitteln:

Aufgrund der geringen Dachneigung bei Flachdächern ist der Abminderungswert 1 (vgl. Tabelle 7).

³² r NN liegen, müssen in der Regel in jedem Einzelfall von der zuständigen (1 S. 8-20)

Die Schneelastzonenkarte nach DIN 1055-5 teilt Deutschland in drei Zonen ein, die sich durch unterschiedliche Größen an Schneelast kennzeichnen (siehe Abbildung 10). Die standortabhängige Regelschneelast ist abhängig von der Höhe des Geländes über dem Meeresspiegel sowie der Schneelastzone (siehe Tabelle 8).

Lastkombinationen 33)

Eigengewicht, Wind und Schnee treten gleichzeitig und unabhängig voneinander auf und müssen entsprechend ihrer Auftretenswahrscheinlichkeit zu so genannten Lastkombinationen zusammengefasst werden, um das Montagesystem zu dimensionieren und die Tragfähigkeit der bauseitigen Anbindung nachzuweisen. Da die Wahrscheinlichkeit sehr gering ist, dass die größte anzunehmende

³³ (1 S. 8-23)

Windgeschwindigkeit mit der höchsten Schneelast zusammentrifft, darf jeweils eine der beiden Einwirkungen über einen Kombinationswert in Höhe von 0,6 (Windlast) bzw. 0,5 (Schneelast) abgemindert werden. Zudem gilt für die ständige Eigenlast ein Teilsicherheitsbeiwert von 1,5 bzw. 0 bei ungünstiger bzw. günstiger Auswirkung. Somit ergeben sich nach DIN 1055-100 drei kritische Lastkombinationen mit folgendem Bemessungswert der Beanspruchung :

Lastkombination 1

(Schneelast vorherrschend)

Lastkombination 2

(Windlast vorherrschend)

Lastkombination 3

(abhebende Windeinwirkung)

3.3.2.2 Standsicherheits- und Tragsicherheitsnachweis

Der Nachweis, dass die Dimensionierung des Montagesystems hinsichtlich der Standsicherheit ausreichend sowie die Tragfähigkeit gegeben ist, sollte grundsätzlich von Statikern nach DIN 1055 erbracht werden. Dieser Beleg ist u.a. dann erforderlich, wenn die Installation einer PV-Anlage eine Baugenehmigung erfordert.

Da der Bauherr und sein Auftragnehmer für die Standsicherheit des PV-Generators verantwortlich sind, ist es für die Betroffenen aus versicherungstechnischen und haftungsrechtlichen Gründen empfehlenswert, eine ordentliche Dokumentation über die Standsicherheit zu verfügen ³⁴⁾ .

3.4 MONTAGESYSTEME

Abgesehen davon, dass Flachdächer ein großes Potenzial ungenutzter Flächen bieten, sind Flachdächer für die Installation einer PV-Anlage gut geeignet. Der Grund liegt darin, dass eine optimale Planung des PV-Generators hinsichtlich Ausrichtung und Neigungswinkel erfolgen kann. Allerdings erfordern Arbeiten auf Flachdächern aufgrund der leicht verletzbaren Dachhaut besondere Vorsicht. Bei nicht fachgerechter Installation können die Folgen Dachundichtigkeit und damit gegebenenfalls große Bau- bzw. Inventarschäden sein. Problematisch sind beispielsweise scharfkantige Gegenstände wie Dachpappenstift oder verbogene Metallreste, die sich leicht in die Dachhaut eintreten ³⁵⁾ .

Grundsätzlich lassen sich Flachdachmontagesysteme in Aufdach- und Indachsysteme unterteilen. Diese Ausarbeitung fokussiert sich auf die Aufdachmontage, die sich in ihrer Dachbefestigung, Aufständerung sowie Modulbefestigung unterscheidet (siehe Abbildung 11).

³⁴ Vgl. (1 S. 8-23)

³⁵ (1 S. 8-43)

Im Folgenden werden drei marktrelevante Systeme dargestellt und darauf aufbauend in Kapitel 3.4.3 verglichen: Schwerlastverfahren Verankerungssystem mit Dachdurchdringung Aerodynamische Systeme

3.4.1 DACHBEFESTIGUNG

3.4.1.1 Schwerlastverfahren (freistehende Anlage)

Dieses System zeichnet sich dadurch aus, dass die Gestelle schwimmend verankert werden. Das bedeutet, dass bei diesem Montagesystem kein mechanischer Verbund mit der Dachkonstruktion bzw. dem Tragwerk erfolgt. Vielmehr wird die Standsicherheit des Systems mittels Eigengewicht und zusätzlich beschwerenden Elementen, wie z.B. Gehwegplatten, Betonschwellen oder Kies, realisiert bis

, sodass die Realisierbarkeit von ballastierten Montagesystemen stark von hinreichenden Tragreserven der Dacheindeckung sowie der Dachkonstruktion abhängig ist ³⁷⁾ .

³⁶ (1 S. 8-43)

³⁷ (1 S. 8-43 ff.)

3.4.1.2 Verankerung (fest verbundene Anlage)

Wenn ballastierte Montagesysteme aufgrund ihres Eigengewichtes aus statischen Gründen nicht möglich sind, kann der PV-Generator als Alternative an der Dachkonstruktion verankert werden (siehe Abbildung 13). Die Montage des Gestells erfolgt auf Traversen, deren Befestigung entweder an der obersten Geschossdecke oder an der Attika durchgeführt wird. Enorm wichtig ist es hierbei die Abdichtung der Dachdurchdringungspunkte nach den Flachdachrichtlinien des Dachdecker-handwerks, der DIN 18195 (Bauwerksabdichtung) und ATV DIN 18336 (VOB-C Abdichtungs-arbeiten) fachgerecht vorzunehmen. Ein besonders günstiger Fall für die Eindichtung der Krafteinleitungspunkte des PV-Generators sind hierbei Dachsanierungsarbeiten.

3.4.2 AUFSTÄNDERUNG

3.4.2.1 Arten von Aufständerungen

Auf dem Markt werden vielfältige Montagesysteme für Flachdächer angeboten ⁴⁰⁾ : starre Aufständerung, Aufständerung mit Nachführung sowie

Gestelle mit unterschiedlicher Bauhöhe (z.B. mehrere Modulreihen übereinander)

³⁸ (1 S. 8-44)

³⁹ (1 S. 8-46) ⁴⁰ Vgl. (1 S. 8-47)

Da an den Dachkanten die größten Windlasten herrschen, muss unbedingt bei der Anlagenplanung der herstellerabhängige Mindestabstand des Generatorgestells zur Dachkante berücksichtigt werden. Dieser liegt bei mindestens ca. 1,2 m von der Gebäudelängsseite und bei etwa 1,5 m von der Gebäudeschmalseite. Im Folgenden wird sich diese Diplomarbeit auf die starre Aufständerung von aerodynamischen Montagesystemen fokussieren.

3.4.2.2 Aerodynamische Montagesysteme

Das Besondere an den aerodynamischen Systemen ist, dass sie ohne Dachdurchdringung installiert werden und keine bzw. nur wenig Auflast benötigen. Das Montagesystem ist quasi selbsttragend. Der Grund beruht auf der Tatsache, dass sich diese Gestellart die Kraft des Windes zu Nutze macht und einerseits durch ihre Aufständerung, andererseits durch ihre Form die Reduzierung der Windkräfte bewirkt. Das Merkmal des Systems sind die schrägen Rückwände, die Seitenwände und das Verbinden der einzelnen Modulreihen (siehe Abbildung 14), wodurch insgesamt die einwirkenden Windkräfte verringert und somit die benötigte Flächenlast des Montagesystems zur Standsicherheit um bis zu 85 % minimiert wird ⁴¹⁾ .

Aufgrund der geringen Flächenlast dieser Systeme je nach Hersteller können sie unter 10 kg/m² liegen sind sie für Flachdächer mit geringer Lastreserve besonders geeignet. Die Einsatzmöglichkeiten auf einer Dachhaut aus Kunststoff-Folie, Bitumen, Kies oder auf Gründächern sind durchaus gegeben und variieren zwischen den Herstellern. Zudem haben manche Montagesysteme z.B. solarSTEP light die Eigenschaft, dass sie beispielsweise im Falle einer

⁴¹ Vgl. (1 S. 8-49)

⁴² (20)