Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen

Dipl.-Ing. Thomas Sandner hat nach einer Ausbildung als Energieanlagenelektroniker und dem Studium der Elektrotechnik eine zusätzliche Ausbildung als Energieberater mit Schwerpunkt Erneuerbare Energien abgeschlossen. Seit 1. September 2007 ist Herr Sandner Chief Executive Officer der abakus solar AG. Darüber hinaus ist er öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für Solarstromanlagen.

Inhaltsverzeichnis
Abkürzungen und Formelzeichen. 13
1 Einleitung und Motivation. 17
2 Grundlagen der Photovoltaik. 27
2.1 Der photovoltaische Effekt. 27
2.2 Von der Solarzelle zum Photovoltaikmodul. 30
2.2.1 Solarzellen. 30
2.2.1.1 Allgemeines. 30
2.2.1.2 Solarzellen aus kristallinem Silizium. 32
2.2.1.3 Dünnschichttechnologien für Solar zellen. 39
2.2.1.4 Weitere Technologien für Solar zellen. 4 4
2.2.1.5 Aufbau und Eig enschaften. 45
2.2.2 Verschaltung von Solarzellen. 59
2.2.2.1R eihenschaltung. 2.2.2.2 Parallelschaltung. 61
2.2.3 Photovoltaikmodule. 62
2.2.3.1Allg emeines. 2.2.3.2 Grundtypen. 6
2.2.3.3 Zertifikate und Qualitätssicherung. 67
2.2.3.4 Leistungsgarantie. 73
2.2.3.5 Energetische Amortisation – Energierücklaufzeit. 76
2.2.3.6 Umweltverträglichkeit und Recycling. 77
3 Photovoltaikanlagen. 79
3.1Grundsätzlic her uAfbau und kWuinrgsweise. 3.1.1 Netzgekoppelte Anlagen. 79
3.1.2 Inselanlagen. 8 3
3.2 Komponenten einer netzgekoppelten
3.2.1Der Photovoltaikgenerator und seinee Montag
am Gebäude. 86
3.2.1.1 Allgemeines. 86
3.2.1.2 Baurechtliche Aspekte und Genehmigung en. 8 7
3.2.1.3 Arbeitssicherheit. 93
3.2.1.4 Steildachmontage als dac hparallele
Aufständerung. 96
3.2.1.5 Steildachmontage als dac hintegriertes System. 1 02
3.2.1.6 Flachdachmontage. 1 05
3.2.1.7 Montage an der F assade. 1 13
3.2.1.8 Montage als Lic htdach. 1 16
3.2.2 Verkabelung und Bauteile auf der Gleichspannungsseite
. 11 7
3.2.2.1Allg emeines. 17. 3.2.2.2 Sperr- oder S trangdioden. 11 9
3.2.2.3 Generatoranschlusskasten, Gleichstromhauptleitung
und Strangsicherungen. 120
3.2.2.4 Kabel, Leitungen und Steckverbindungen. 123
3.2.2.5 Gleichstromhauptschalter (DC-Freischalter). 129
3.2.3.1Allg emeines. 31. 3.2.3.2 Maßnahmen zum Schutz vor direkten
Blitzeinschlägen. 134
3.2.4 Berührungsschutz auf der Gleichspannungsseite 135
3.2.5 Vorbeugender Brandschutz. 13 7
3.2.6 Wechselrichter. 14 1
3.2.6.1Allg emeines. 41. 3.2.6.2 Wechselrichterkonzepte. 142
3.2.6.3 Auslegung und Anpassung. 14 9
3.2.6.4 Elektromagnetische Verträglichkeit und
Geräuschentwicklung. 153
3.2.6.5 Anforderungen an einen netzgekoppelten
Wechselrichter. 154
3.2.7 Berührungsschutz auf der Wechselspannungsseite
. 16 4
3.2.8 Verkabelung und Bauteile auf der Wechselspannungsseite
. 165
3.2.9 Innerer Überspannungsschutz. 16 6
3.3 Anschluss an das S tromnetz. 16 7
3.4 Praktischer Aufbau einer aufgeständerten Photovoltaikanlage
an einem Steildach mitStringtechnologie
im Netzparallelbetrieb. 17 4
3.5 Komponenten zur Er höhung des Eig enverbrauchs. 178
10 Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis 11
4 Ortstermin und Auswahl der geeigneten Generatorfläche. 189
4.1V orbereitung. 8.9. 4.2 Ausrichtung und Neigung der Gener atorfläche. 190
4.3 Energieertrag. 193
4.4 Einfluss und Auswirkungen von Verschattungen
auf der Generatorfläche. 195
4.5 Einfluss von Verschmutzungen oder Schnee
auf der Generatorfläche. 201
4.6 Weitere relevante Aspekte beim Ortstermin. 202
5 Das Erneuerbare-Energien-Gesetz – EEG und
die Entwicklung der Photovoltaik in Deutschland. 205
5.1Entwic klung der tPohvooltaik in Deuhtlsacnd. 5.2 Das Erneuerbare-Energien-Gesetz – EEG. 207
5.3 Änderung des EEG im Jahr 20 12. 2 13
5.4 Sonstiges zu Förderungen. 2 15
6 Kaufmännische Themen. 217
6.1K osten und eiPser ebi Phtovoltaikanlagen. 1.7. 6.2 Bezugsmöglichkeiten für Photovoltaikkomponenten
und Hinweise für den Einkauf. 221
6.3 Fragen zur Wirtschaftlichkeit von Photovoltaikanlagen
aus Kundensicht. 222
6.3.1Wirtsc haftlichkeitsberechnungen. 6.3.2 Wirtschaftliche Aspekte. 237
7 Marketing und Kundenbindung. 241
7.1Allg emeines.4 1. 7.2 Werbung. 242
7.3 Beratung des Kunden und Angebotsunterlagen. 246
7.3.1 Unterstützung und Motivation für eine
Photovoltaikanlage. 246
7.3.2 Bindung zum Kunden und Angebotsunterlagen. 249
7.4 Qualitätssicherung bei Photovoltaikanlagen. 250
7.4.1Allg emeines. 7.4.2 Technische Qualität der Gesamtanlage. 251
7.4.3 Qualitätsaspekte bei der Auswahl
von Komponenten. 252
7.4.4 Überprüfung der Anlage nach der Fertigstellung. 255
7.4.5 Abnahme der Leistung und Vertrag
gegenüber dem Kunden. 256
7.4.6 Dokumentationsunterlagen zur Anlage. 259
7.4.7 Einweisung des Kunden in die Anlage. 260
7.4.8 Kontrolle und Wartung der Anlage. 261
Anhang. 265
Anhang 1Beispiel für eiknleis te/DCahteencerfassungsbogen
(Steildach). 265
Anhang 2 Link zu einer Vorlage zu einem Inbetriebnahmeprotokoll
(Stringtechnik). 267
Anhang 3 Erhebungsbogen der Energieerträge/
Energiebilanz. 268
Anhang 4 Software, Hilfsmittel für netzgekoppelte
Photovoltaikanlagen. 269
Anhang 5 Adressen und Ansprechstellen im Internet. 274
Anhang 6 Informationen und Richtlinien zu Förderungen. 277
Literatur. 279
Fachbücher. 279
Fachzeitschriften. 280
Relevante Normen und Vorschriften. 282
DIN VDE-Bestimmungen (DIN VDE-Klassifikation). 282
VDE Anwendungsregeln. 290
DIN-Normen. 291
VDI-Richtlinien / Technische Regeln. 293
Richtlinien der Netzbetreiber (VDN) in der jeweils
gültigen Fassung. 293
Berufsgenossenschaftliche Vorschriften (BGV), Regeln (BGR)
und Informationen (BGI). 293
Richtlinien des Verbandes der Sachversicherer (VdS). 294
Stichwortverzeichnis. 295

3 Photovoltaikanlagen 3.1 Grundsätzlicher Aufbau und Wirkungsweise Bei Photovoltaikanlagen wird zwischen netzgekoppelten Anlagen und sog. Inselanlagen, die nicht an ein Verbundnetz angeschlossen sind, unterschieden. Eine netzgekoppelte Anlage speist ihre Energie in ein verzweigtes und großflächiges Stromnetz, das in der Regel mit Wechselstrom betrieben wird. Inselanlagen versorgen hingegen nur die Verbraucher, die ihnen auch direkt zugeordnet werden können und arbeiten meist auf der Basis von Gleichstrom. Die mittlerweile in Deutschland ebenfalls üblichen netzgekoppelten Anlagen mit Batteriespeicher stellen quasi eine Verknüpfung zu einer Inselanlage dar. Hierbei wird nicht die vollständige Autarkie angestrebt, sondern vielmehr ein wirtschaftlich sinnvoller Weg zur höheren Ausnutzung des lokal erzeugten Solarstroms. 3.1.1 Netzgekoppelte Anlagen Diese Anlagen arbeiten als „kleine Kraftwerke“ innerhalb eines Hausnetzes oder im Netzverbund der Elektrizitätsversorgungsunternehmen (EVU) bzw. innerhalb des Netzes für die allgemeine Versorgung. Nach dem „Gesetzes für den Vorrang Erneuerbarer Energien (Erneuerbare-Energien-Gesetz – EEG)“ sind zwei Arten der Netzeinspeisung bei einer Photovoltaikanlage möglich. Insbesondere für Anlagen mit kleinerer Leistung hat der Gesetzgeber im Jahr 2009 die Möglichkeit geschaffen, die Photovoltaikanlage auch für den Eigenverbrauch zu nutzen und nur die überschüssige Energie in das allgemeine Netz einzuspeisen. Diese Eigenverbrauchsregelung war zu Beginn auf Anlagen mit einer Leistung von max. 30 kW beschränkt und die Erweiterung auf Anlagen mit bis zu 500 kW Überarbeitung hatte nur sehr kurz Bestand, weil die Regelung mit der kurzfristigen Gesetzesänderung Anfang 2012 wieder entfallen ist. Hier wurde neben der „eingesparten“ Bezugsenergie noch ein zusätzlicher Bonus für die selbst genutzte Energie gezahlt. Überstieg der selbst genutzte Anteil 30 % der erzeugten Jahresenergie der Photovoltaikanlage, erhöhte sich der Bonus sogar noch für den über 30 % liegenden Anteil. Durch die stark abgesenkten Vergütungssätze bei der Gesetzesänderung im Frühjahr 2012 ist vor allem bei kleineren Anlagen die direkte Nutzung des Solarstroms eigentlich günstiger, weil die Strombezugskosten oft höher als die Einspeisevergütung sind. Ferner wurde im Gesetz festgelegt, bei Photovoltaikanlagen mit einer Leistung von größer 10 kW und kleiner 1 MW wird generell nur noch einen Anteil von 90 % der eingespeisten Energie pro Kalenderjahr auf Basis des EEG zu vergüten. Bei dieser als Marktintegrationsmodell bezeichneten Regelung werden mehrere Möglichkeiten genannt, wie die verbleibenden 10 % genutzt bzw. vermarktet werden können. Der einfachste und unkomplizierteste Fall ist sicher der, bei dem ein Anteil von mindestens 10 % direkt gebäudeintern verbraucht wird. Solange diese Betrachtung nur über die Jahresenergiemenge erfolgt, dürfte das in den Fällen ohne weitere Technik bzw. weiteres Energiemanagement gegeben sein, bei denen Gebäudenutzer und Betreiber bzw. Eigentümer der Photovoltaikanlage identisch sind. Dabei ist ferner darauf zu achten, die Größe der Photovoltaikanlage an den jeweiligen Verbrauch anzupassen, d. h. die Anlage darf nicht zu groß im Verhältnis zum Verbrauch sein oder der Verbrauch muss überwiegend dann stattfinden, wenn die Photovoltaikanlage Strom liefert. In diesem Fall erhöht die neue Regelung den bisher geringen Aufwand bei der Abrechnung und Vergütung einer Photovoltaikanlage kaum, da für die restlichen 10 % lediglich der jeweilige Strombezugspreis angesetzt werden muss. Um dieses zu erfassen, muss allerdings im Rahmen der Installation bei den Zählern ein erhöhter Aufwand betrieben werden. Das gilt auch für eine Photvoltaikanlage, bei der ein Eigenverbrauch gewünscht ist, wenn beispielsweise der Strombezugspreis höher als der Vergütungssatz nach dem EEG ist. Bild 3.1 zeigt eine Photovoltaikanlage in dieser Betriebsart, wofür neben dem Zähler für die Erfassung der erzeugten Energiemenge auch ein Zweirichtungszähler zur Netzseite erforderlich ist, der den Strombezug und die überschüssige Einspeisung ins allgemeine Netz erfasst. Kann der Betreiber der Photovoltaikanlage den Strom nicht selbst nutzen, muss er die 10 % außerhalb des durch das EEG vergüteten Stroms praktisch anderweitig verkaufen oder zunächst mit einer 10 % geringeren Vergütung rechnen. Da die notwendige Aufteilung für die Abrechnung rechnerisch ermittelt werden kann, wird hier eine sog. Volleinspeisung stattfinden, d. h. die gesamte Energie aus der Photovoltaikanlage wird über