Ertragsprognosen großer Photovoltaikanlagen

von Prof. Dr. Gerd Becker, Florian Horschke

Von Investoren und Projekt entwicklern werden bereits im Planungsstadium großer Photovoltaik anlagen ( PV-Anlagen) Ertragsgutachten gefordert. Sie geben Aussagen über den langfristig während der Lebensdauer der Anlage zu erwartenden Ertrag und nennen die dabei auftretenden Risiken. Prof. Dr. Gerd Becker und Florian Horschke berichten über Ertragsprognosen und langfristige Erträge für netzgekoppelte PV-Anlagen.

Kennziffern zur Beurteilung

Zur Beurteilung des Anlagenbetriebes haben sich zwei Kennwerte durchgesetzt. Zum einen ist dies der spezifische Ertrag, also der auf die Anlagengröße normierte Energieertrag in der Einheit kWh/kWp oder kWh/kW. Hiermit sind Vergleiche der Energieerzeugung von PV-Anlagen möglich. Er unterliegt sowohl jährlichen Schwankungen durch die meteorologischen Bedingungen am Standort sowie auch der technischen Verfügbarkeit der Komponenten. Der zweite ist die Betriebs- oder Anlagengüte oder Performance Ratio (PR). Die PR ist definiert als das Verhältnis zwischen dem tatsächlichen Ertrag der Anlage und dem theoretisch möglichen maximalen Energieertrag. Werte von über 80 % sind an guten Standorten mit kristallinen Modulen anzustreben.

Ertragsgutachten

Der Investor strebt maximale „garantierte“ Erträge über einen langen Zeitraum an. Der unabhängige Ertragsgutachter muss in seinem Gutachten Angaben zum langjährigen Ertragsmittelwert und seiner möglichen Schwankung sowie der Betriebsgüte PR machen. Er muss beurteilen ob Technik und Standort geeignet sind und Angaben zu Wartung und Instandhaltung machen. Es sollten Vergleichserträge angegeben werden.
Umfassend und neutral sind alle möglichen Risiken wie beispielsweise Degradation, aber auch lange Winter mit Schneefall oder der langjährige Klimawandel mit zu berücksichtigen. Jedes Ertragsgutachten besteht aus mehreren Teilen. Diese behandeln den Standort mit seinen meteorologischen Gegebenheiten, die Technik, die Prognose des Ertrages mit nachvollziehbaren Simulationsrechnungen, die Bewertung des Ergebnisses mit Angabe der Schwankungsbreite und Unsicherheit sowie aller Risiken und letztlich Quellenangaben und Screenshots der Simulationssoftware. Je nach Gutachter können die Inhalte der einzelnen Teile variieren.
Ein verschattungsfreier oder verschattungsarmer Standort ist die Grundlage einer jeden PV-Anlage. Bei größeren Anlagen ist eine Begehung des Standortes mit entsprechender Dokumentation im Gutachten unabdingbar. Primär ist dabei Verschattung zu prüfen und ggf. messtechnisch aufzunehmen, manchmal erkennt man weitere Risiken, wie etwa Verschmutzung entlang einer Autobahn oder Emissionen von Industriebetrieben. Gelegentlich besteht die Gefahr, dass in späteren Zeiten durch Baumaßnahmen oder Bewuchs Verschattung eintritt.

Die wichtigste Bedingung für guten Ertrag ist die zu erwartende jährliche mittlere Globalstrahlung am Standort, aber auch die Umgebungstemperatur hat Einfluss. Für beide Größen liefert in Deutschland der Deutsche Wetterdienst DWD Monatswerte (i. d. R. die Globalstrahlung auf die horizontale Ebene) für zahlreiche Standorte. Daneben gibt es weitere Quellen wie beispielhaft die Software METEONORM oder das online nutzbare System PVGIS. Es sind zudem Strahlungsdaten auf der Grundlage von Satellitenbildern verfügbar, Satel-Light ist ein Beispiel. Bei allen Quellen ist zu berücksichtigen, dass die Daten für verschiedene Zeiträume ermittelt wurden. Nach der Erfahrung reichen Stundenmittelwerte von Globalstrahlung und Umgebungstemperatur möglichst langer Zeiträume als Eingangsgröße für die unten angesprochene Simulation aus. Selten liegen für den gewählten Standort Zeitreihen mit stündlichen Werten von Globalstrahlung und Umgebungstemperatur vor. Daher werden mit statistischen Methoden synthetische Stundenmittelwerte generiert, bei diesem Schritt erfolgt auch die Umrechnung auf die geneigte oder nachgeführte Modulebene mit anerkannten Modellen. Die Verschaltung der Module und die Anpassung an den Wechselrichtern müssen geprüft werden. Oft sind Kontakte zum Projektierer erforderlich. Die Kennlinien der zertifizierten Module und Wechselrichter sowie der anderen Komponenten sind darzustellen und zu erklären. Essenziell ist das Teillastverhalten der Module. Das Moduldatenblatt enthält diese Angaben oft nicht, es ist nachzufragen, ggf. ist eine Messung durchzuführen. Sind alle geometrischen Daten zur Aufstellung und Montage des photovoltaischen Solargenerators bekannt, so kann abgeschätzt werden, welcher Minderertrag aufgrund ggf. auftretender Fremd- und Eigenverschattung auftritt. Gerade bei diesem Punkt erweist sich eine Begehung als sehr nützlich.

Nach diesen vorbereitenden Schritten wird der mittlere Ertrag eines Jahres mit den Stundenmittelwerten von Globalstrahlung und Umgebungstemperatur für die vorgegebene technische Konfiguration mittels Simulation bestimmt. Je nach Gutachter kann dies mit einem, aber auch mit drei verschiedenen Simulationswerkzeugen erfolgen. Für eine belastbare Ertragsprognose sollten anerkannte professionelle Zeitschrittsimulationsprogramme und/oder Simulationssysteme herangezogen werden. Der Einstellung der Parameter der Simulation sollte genügend Aufmerksamkeit gewidmet werden, denn besonders sie bestimmen die Qualität des Ergebnisses. Bei oder nach der Simulation sind weitere Effekte wie Verschattungen zahlenmäßig zu berücksichtigen. Letztlich ist das erzielte Ergebnis – also Ertrag und Performance Ratio – kritisch zu hinterfragen. Weitere Risiken sind darzustellen, hier sind beispielhaft der Ausfall von Komponenten, Degradation, Mismatch und Schnee auf den Modulen zu nennen. Damit kann die Angabe des langfristig zu erwartenden Ertrages erfolgen. Es sind u.a. Schwankungsbreite, statistische Verteilung, Unsicherheit und Vergleichserträge anzugeben.

Praxistest: Wie genau sind Ertragsgutachten?

Bei einer im Jahr 2008 durchgeführten Analyse von Betriebsdaten von zwölf Photovoltaikanlagen im Megawattbereich wurden die tatsächlichen Energieerträge mit den gutachterlichen Vorhersagewerten verglichen, die Abbildung zeigt die Resultate. Die ausgewählten Anlagen (Bezeichnungen mit römischen Ziffern) weisen alle sehr ähnliche technische Rahmenbedingungen auf, genutzt werden zwei unterschiedliche Modultypen (kristallines Silizium xCSi und Cadmium-Tellurit-Dünnschicht CdTe) in Kombination mit Zentralwechselrichtern. Die Anlagen befinden sich alle im süddeutschen Raum und sind Freiflächenanlagen mit verschattungsfreier Südausrichtung. Bei der Auswertung wurden die Energieerträge der Zähler der Netzbetreiber sowie reale Einstrahlungswerte von meteorologischen Instituten herangezogen. Als Sollwerte wurden die in den jeweiligen Ertragsgutachten genannten Energieerträge einstrahlungskorrigiert, um den Einfluss der schwankenden Einstrahlungswerte über die Jahre auszugleichen und den Sollertrag für das jeweilige Jahr zu bestimmen. Es wurden nur diejenigen Anlagen betrachtet, die einen störungsfreien Betrieb aufwiesen. Der Abbildung ist zu entnehmen, dass sich bei den ausgewerteten kristallinen Anlagen ein Mehrertrag gegenüber dem Ertragsgutachten von bis zu ca. +8 % ergibt.
Für die Dünnschichtanlagen lagen die Unterschiede zwischen ca. +3 % und –1 %. Bei einer weiteren Untersuchung im Jahr 2010 festigten sich diese Ergebnisse. Die Gutachter schätzen das Betriebsverhalten also sehr gut ein, aber es gibt noch Optimierungsmöglichkeiten.

Maßnahmen für langfristig hohe Erträge

Um langfristig hohe Erträge zu gewährleisten, sind drei Gruppen von Parametern einzuhalten. Eingangs erwähnt wurde ein verschattungsfreier oder verschattungsarmer Standort. Bei der Auswahl der Komponenten sind einige Themen zu beachten. Es muss zum Beispiel auf die korrekte Anpassung des Solargenerators an die Wechselrichter, Module mit gutem Teillast- und Temperaturverhalten, Wechselrichter mit hohem Wirkungsgrad und hoher Zuverlässigkeit geachtet werden. Diese allein garantieren aber dennoch keinen optimalen Aufbau der Anlage, hinzu kommen ausführliche Tests bei Inbetriebnahme (besonders Leistungsmessung der Module), und ein umfassender Probebetrieb.
Der langfristige Betrieb einer PV-Anlage kann nicht ohne eine gute Betriebsführung sowie Instandhaltung und Wartung gewährleistet sein. Hierzu ist insbesondere ein kontinuierliches Anlagenmonitoring (24/7) in Verbindung mit schnellen Reaktionszeiten des Betriebsführers und ein ausführliches Berichtswesen zu nennen. Es muss zu jeder Zeit gewährleistet sein, dass das Entstehen von Problemen frühzeitig erkannt und Maßnahmen zur Behebung getroffen werden. Einen weiteren wichtigen Aspekt der Betriebsführung stellen nicht nur die technischen Komponenten dar, sondern auch die Grünflächenpflege. Funktioniert diese nicht, kann dies zu erheblichen Ertragsverlusten durch Verschattung sowie zu langfristiger Schädigung der Solarmodule durch „Hot-Spot“-Bildung führen. Wird den genannten Punkten umfassend Sorge getragen, so steht einem langjährigen Betrieb mit Erreichen (und ggf. Übertreffen) der vom Ertragsgutachter bestimmten Erträge nichts im Wege.