PV and Snow: Maximierung des Winterstromes bei PV-Anlagen

PV and Snow: Maximierung des Winterstromes bei PV-Anlagen

Prof. Urs Muntwyler, Thomas Schott, Franziska Kuonen, Manuel Lanz, Eva Schüpbach Berner Fachhochschule BFH, Institut für Energie und Mobilität, Photovoltaik Labor (PV LAB)

Jlcoweg 1, CH-3400 Burgdorf, Schweiz

Tel. +4134 426 68 37, Fax +4134 426 68 13, urs.muntwyler@bfh.ch

Keywords: Energiestrategie 2050, Schnee, Winterertrag, Alpine PV - Anlagen

Einleitung

PV Anlagen wurden bis anhin zur Maximierung des Jahresertrags ausgelegt. Dies ergibt eine flach nach Süden ausgerichtete Empfängerfläche. Für den PV-Planer und Anlagenbesitzer war eine PV-Anlage dann ökonomisch vorteilhaft, wenn sie bei geringen Investitionskosten den maximal erntbaren Jahresertrag produzierte und somit hauptsächlich im Sommer bei der höchsten Sonneneinstrahlung arbeitete. Diese Doktrin wird aufgeweicht durch die Forderung eines hohen Eigenverbrauchs was Ost-West-Ausrichtungen und auch Nord-Süd-Ausrichtungen fördert.

Mit den durch den Klimawandel angeschobenen neuen Energiestrategien (z.B. Schweiz:

Energiestrategie 2050) hat sich der Fokus von „maximaler Jahresertrag, egal wann“ auf

„maximaler Winterertrag“ verschoben. Die Energiestrategie 2050 will Energien effizienter nutzen, die bestehenden AKWs nicht mehr ersetzen und neue Stromquellen aus erneuerbaren Energien fördern. Dies betrifft primär die Photovoltaik, wo Zahlen von 12 TWh an aufwärts geboten werdenⁱ. Dies ist gut zu erreichen. Schwieriger sind die ca. 4TWh zusätzlichen Winterstrom. Windenergie hat in der Schweiz eine mässige Akzeptanz und kommt kaum vorwärts. Unter Umständen müssen diese 4TWh auch noch durch PV ersetzt werden.

PV Anlagen mit hohem Winterertrag gefordert

Damit ist die Forderung nach PV Anlagen mit hohem Winterertrag wichtigⁱⁱ. Dazu sind bauliche Massnahmen gefragt, die sicherstellen, dass die PV-Module im Winter möglichst schneefrei bleiben. Neben dem Schnee ist aber auch Nebel ein „Verhinderer“ von PV-Strom in den Wintermonaten. Nebelfreie Lagen befinden sich in der Schweiz typischerweise über 1'000 m ü. M. weshalb PV-Anlagen in diesen Lagen von besonderem Interesse sind.

Der PV-Ertrag kann für bestimmte Zeiträume mit dem gewählten Standort, der Neigung und den Ausrichtungen der PV-Module geplant werden. Eine kostenoptimierte PV-Anlage im Schweizer Mittelland mit geringer Neigung produziert im Sommer etwa 30 % und im Winter 70 % der Jahresleistung. Mit einem Mix aus Installationen in der Alpenregion sowie im Schweizer Mittelland kann der gesamte Schweizer Produktionsmix in der Wintersaison auf z.B. 43,7 % verschoben werden.

Der jährliche Energieertrag von PV-Anlagen kann in alpinen Regionen der Schweiz, wo Produktionserträge von > 1'500 kWh/kWp möglich sind, stark verbessert werden. Dies ist eine Überproduktion von 50 % im Vergleich zu PV-Anlagen im Schweizer Mittelland. Dies funktioniert jedoch nur, wenn die PV-Oberfläche nicht mit Schnee bedeckt ist. PV-Anlagen mit geringer Neigung (unter 10°) können niedrige PR-Faktoren haben, wenn Schnee die PV- Module bedeckt. Da die Neigung niedrig ist, kann der Schnee während einer bestimmten Zeit auf der PV-Oberfläche liegenbleiben.

Schnee auf PV Anlagen ist eine Herausforderung

Die Fragestellung, wie die PV-Produktion im Winter durch die Reduktion der Schneebedeckung von PV-Modulen gesteigert werden kann, steht im Mittelpunkt des PV-

Labors. Dabei werden einerseits aktive Massnahmen getestet, wie der Schnee entfernt werden kann. Dies wird sowohl im CH-Mittelland, in den alpinen PV-Anlagen des PV Labors auf dem Jungfraujoch (3‘500masl) und Birg (2‘500m als) und in der grossen Freiflächenanlage auf dem „Mont Soleil“ im Schweizer Jura auf 1‘200 m asl getestet. Die Resultate einer solchen Anlage werden wir vorstellen. Sie wurde 2017/ 2018 im PV Labor in Burgdorf und aktuell auf dem „Mont Soleil“ getestet.

PV Anlage Mont Soleil 560 kWp (1992), 50 Grad Neigung der Siemens M55 Module für erhöhten Winterertrag und schnelleren Schneeabrutsch.

Ertragsausfälle durch Schneebedeckung zwischen 0.54% (2001) - 7,9% (2012)

PV Fassaden-Anlagen auf dem

Jungfraujoch, Anlage rechts von 1993 mit

Siemens M 55 Modulen Ertragsausfälle durch Schnee zwischen 0,04% und 2,01% in 23 Jahren

PV Anlage „Tiergarten“ auf dem Dach des PV Labors der BFH-TI in Burgdorf, 60 kWp, Siemens M55HO, 30 Grad geneigt,

Inbetriebnahme: 1994

Ertragsausfälle durch Schnee zwischen 0.07% (2002) und 5% (2010) in 15 Jahren

Im Gebirge sind die Fassaden- und Balkon-Anlagen besonders interessant. So erntet die PV- Anlage auf dem Birg mehr als 50% des Jahresertrags im Winterⁱⁱⁱ. Weil die traditionellen Häuser in den Alpen ihre Fassade nach Süden richten, sind dort Balkonanlagen interessant.

Diese Doppelnutzung ist finanziell vorteilhaft, sofern das PV Modul gleichzeitig als Brüstungselement eingesetzt werden kann. Entsprechende Produkte werden aktuell entwickelt.

PV Fassadenanlagen auf der Bergstation

„Birg“ mit über 50% Winterertrag PV Balkonanlage im Oberwallis – hoher Winterertrag – hohe Eigenverbrauchsquote – kein Schneeproblem

Dass der Jahresertrag nicht leiden muss, zeigt unsere PV-Fassadenanlage auf dem Jungfrau- joch. Dort werden bis 1‘500 kWh/ kWp in der Fassade produziert. Möglich machen dies die tiefen Temperaturen und hohe Albedowerte mit massiven Schneereflektionen vor allem im Winter^iv. Diese hohen Erträge werden von gewissen PV Berechnungsprogrammen, wie PVGIS nicht erfasst.

PV Anlage auf der Bergbahn „Muottas Muragl“ auf über 2‘000 m.ü.Meer mit bis 1‘600 kWh/

kWp hohem Jahresertrag (Süden ist links)!

Standorte mit hohen Jahreserträgen finden sich viele im Alpenraum. Dabei sind Standorte be- vorzugt, die bereits eine bestehende elektrische Infrastruktur haben. Dies ist im Schweizer Alpenraum oft der Fall, sei es durch touristische Anlagen oder Kraftwerksbauten. So ist der aktuelle Schweizer Rekordhalter mit 1‘600kWh/ kWp, eine PV Anlage auf dem Fahrtrasse der Bergbahn „Muottas Muragl“ oberhalb von Pontresina im Engadin. Beachtung muss auch der baulichen Situation gegeben werden. Montagen mit Helikoptern und hochalpine Baustellen treiben die Kosten hoch uns sind daher auf ihren Kosten/ Nutzen zu hinterfragen.

PV Anlagen im alpinen Gebiet müssen darauf achten, dass der Schnee nicht den ganzen Winter über liegenbleibt. Dabei gibt es zwei Standardvarianten: senkrechte Anordnung und integrierte PV-Flächen ohne Profile zum schnelle Abrutschen des Schnees. Dazu muss unter der PV Anlage eine entsprechende Fläche freigehalten werden, damit die abrutschenden Schneemassen keine Zerstörung verursachen.

Alpine PV Anlage im Wallis über 1‘000 m.ü.M mit integrierter PV Anlage

Steile Neigung und integrierte PV Anlage lässt Schnee schnell abrutschen

PV Fassade in der Skistation „Trockener

Steg“ 2‘939 m.ü. Meer bei Zermatt (Wallis) Autogarage in St. Moritz mit PV Fassade und aufgeständerter Flachdach-PV Anlage die die Module über den Schnee hält.

Im Oberengadin (>1‘500 m.ü.M) sieht man öfter Solaranlagen, die aufgeständert auf Flach- dächern platziert sind. Die Supportstruktur hebt die Sonnenkollektoren/ PV-Module ca. 1 m über das Dach hinauf, so dass sie nicht vom Schnee bedeckt werden können. Das ergibt einen zusätzlichen Bauaufwand, der Winterertrag ist aber gesichert.

Aktive und passive Methoden zur Beseitigung des Schnees Am PV-Labor der Berner Fachhochschule

werden zurzeit Versuchen gemacht mit aktiven und passiven Massnahmen, zur Befreiung von PV-Flächen vom Schnee.

Dabei werden einerseits Methoden unter- sucht, mit denen der Schnee möglichst schnell abrutschen kann. Das bedingt eine Fläche ohne Rahmenprofile und ohne

„Schneestoppern“ aller Art. Der Raum unter der PV Fläche muss gesichert wer- den, damit durch die Schneerutsche keine Beschädigungen erfolgen.

Profile bei PV Modulen können den Schnee für längere Zeit stoppen (Foto: Hans Hauri)^v

An der Anlage Mont Soleil werden im Winter 2018/ 2019 eine de-icing box von Solutronic erprobt. Es soll ermitteln werden, wann durch Aufheizen der PV Fläche der Schnee optimal zum Abrutschen gebracht werden kann.

PV Feld auf dem Mont-Soleil mit Fläche mit „de-icing box“ (links) und Vergleichsfläche (rechts)

Schneedruck verlangt stärkere PV-Module

Der Schneefall variiert in der Schweiz je nach Region. Je höher, umso mehr Schnee und damit Schneedruck auf der PV Fläche. Dies kann nach den Regeln der Schweizerischen Vereinigung der Architekten und Ingenieure SIA berechnet werden. Die Formel berücksichtigt die Dach- form, Neigung, die Windexposition, die Umgebungs-temperatur und bestimmt den Schnee- druck. Die Formel kann bis auf 2‘000 m.ü.M angewandt werden:

𝑞𝑘= 𝜇𝑖∗ 𝐶𝑒∗ 𝐶𝑇∗ 𝑠𝑘

𝑠𝑘= [1 + (ℎ0

350)

2

] ∗ 0.4 𝑘𝑁 𝑚⁄ ²

Je nach Region ist die Schneeintensität unterschiedlich. Hierfür wird eine Korrektur eingeführt, gemäss einer angepassten Schweizerkarte:

Karte mit Höhen-Korrekturfaktor aufgrund der lokalen Wetterbedingungen q_k = Characteristic value of snow load (kN/m²) µi = Roof shape coefficient

Ce = exposition coefficient C_T = Temperature coefficient

sk = Characteristic snow load on the ground (kN/m²) h₀ = corrected reference height (m a.s.l.)

Es empfiehlt sich bei solch exponierten PV – Anlagen einen erfahrenen Statiker beizuziehen.

In der Vergangenheit sind verschiedentlich Schäden aufgetreten. Durch die Klimaerwärmung werden Extremereignisse noch zunehmen, so dass auch „bisher genügende Vorkehrungen“

nicht mehr ausreichen.

Mit PV Modulen mit 2‘500N/m² und auch mit 5‘400 N/m² Schneedruck reichen dann nicht mehr aus. Verschiedenen Hersteller bieten nun PV – Module mit höheren Auflastungen an (Stand August 2018):

Hersteller Produktenamen Aufbau Nennleistung Getestete Last

Megasol NICER und LEVEL Glas - Glas 13000 N/m²

NICER Glas - Folie 8000 N/m²

Solarworld Sunmodule Plus (mit 3-

Profil System) Glas - Folie 280 - 300 Wp 8500 N/m² Sunmodule Bisun protect

(mit 3-Profil System) Glas - Glass 280 / 290 Wp 8500 N/m2 S-Energy SN 60-Cell mit 40mm

Dicke

Glas – Folie 255 – 300 Wp 8400 N/m²

Heckert Solar NeMo 2.0 60M und 60P Glas – Folie 270 – 310 Wp 8100 N/m² Meyer-Burger Megaslate alpin Glas - Folie 110 – 190 Wp 8000 N/m²

Eternit Integral 2 Glas - Glas 8000 N/m²

S-Alpin S-ALP S8 Glas - Folie 270 – 275 Wp 8000 N/m² Energetica PV E-2000 Glas – Folie 230 – 245 Wp 8000 N/m²

SI-Module Enduro Glas - Glas 7200 N/m²

SI-Saphir Glas - Glas 155 – 180 Wp 7200 N/m² LG NeOn R / NeOn 2 / NeOn

2 Black Glas – Folie 325 – 360 Wp 6000 N/m² Solarwatt Vision 36M Glas Glas- Glas 165 / 170 Wp 6000 N/m² PV Module mit erhöhter Festigkeit (nach Angabe Hersteller)

Entsprechend den erhöhten Festigkeiten der Module, muss auch die Unterkonstruktion und das Dach die erhöhten Lasten aufnehmen können.

Stromknappheit im Frühling – ideal für alpine PV

Analysiert man den Strombedarf der Schweiz, so stellt man fest, dass dieser vor allem im Frühling virulent ist. Die Schweizer Stromversorgung basiert aktuell zu ca. 60% auf der Wasserkraft. Dazu gehört ein grosser Kraftwerkspark mit Staudämmen in den Alpen. Hier wird das im Sommer und Herbst anfallende Wasser für den Winter gespeichert. Wird viel Wasser gebraucht und erfolgt die Schneeschmelze spät, so kann der Füllstand der Speicher- seen auf kritische Tiefstwerte setzen.

Hier kann ein massiver Ausbau der Photovoltaik mit bereits hohen Erträgen ab März die Lücke decken. Der PV Strom ist also primär in den Frühlingsmonaten März – Mai gefragt. Ab Mai/ Juni erreicht dann die Schneeschmelze in den Alpen ihr Maximum was die Wasserkraft beflügelt. PV Anlagen in den Alpen können so „designt“ werden, dass sie hohe Erträge in den Monaten liefern, in denen der Strom benötigt wird. Im Folgenden Beispiel wird eine PV An- lage in St. Moritz (1‘700 m.ü.M.) mit 60 Grad Neigung berechnet (5 kWp). Der Ertrag erreicht im März seinen Höhepunkt. Die drei ertragsstärksten Monate sind Februar – April. In diesen Monaten erreichen die Füllstände der Stauseen das Minimum. Die Schweizer Wasserkraft und die Photovoltaik sind also ein ideales Tandem.

PV Anlage in St. Moritz mit 60 Grad Neigung (links) mit Maximalertrag in den Monaten Februar-April; mit 30 Grad Neigung sind die stärksten Monate von März-Juli.

Damit dieser Mix funktioniert, müssen entsprechend viele PV Anlagen oberhalb der Nebel- grenze des Schweizer Mittellandes installiert sein. Das sind für die Schweiz (8 Millionen Einwohner) PV-Anlagen mit über 10TWh, idealerweise über 20TWh davon die Hälfte mit einer Präferenz zu einer erhöhten Produktion im Winter bzw. im Frühling bevorzugt in höher gelegenen oder südlichen Standorten.

Verdankung:

"Diese Forschungsarbeit ist Teil der Aktivitäten im Swiss Centre for Competence in Energy Research "SCCER-FURIES" (Future Swiss Electrical Infrastructure), finanziert von Innosuisse (Schweizerische Agentur für Innovationsförderung - SCCER Programm). Ebenfalls wird die finanzielle Unterstützung der Berner Fachhochschule BFH in Burgdorf (Schweiz) hier freund- lich verdankt.

i Erneuerbare Energien in der Energiestrategie 2050, Urs Muntwyler, Pro Aqua Vita, 2018

ii Heinrich Häberlin, Wie mit PV-Strom durch den Winter?, interner Bericht „PV and Snow“, 10/ 2018, PV Labor

iii PV Langzeitmessung von PV Anlagen, PV Labor BFH-TI, 2018

iv Franziska Kuonen, Thomas Schott et al. Longterm measurement of PV installations – toward 40 years lifetime!, Eurosun 2018

v Hans Hauri, Erneuerbare Energien, Nr. 5, Oktober 2014