PVT-Solarkraftwerk linth-arena sgu | ZHAW Institut für Umwelt und Natürliche Ressourcen IUNR

Auf dem Dach der linth-arena sgu (Sportzentrum mit Hallen- und Freibad, Mehrfachturnhalle, Kletterwand, Restaurant, Hotel, Sauna, Fitness, und vieles mehr) in Naefels (GL) wurde ein Solarkraftwerk mit Photovoltaik- (PV) und Hybrid-Modulen (PVT) mit einer elektrischen Leistung von ca. 230 kWp installiert. Der PVT-Teil der Anlage erzeugt neben Strom auch Wärme. Diese Wärme wird zum Vorheizen des Grundwassers in einem Tank genutzt welches den Wärmepumpen als Vorlauf dient. Durch diese Kombination erzielen die Solarmodule einen höheren Stromertrag und die Wärmepumpen benötigen weniger Strom.

Solarkraftwerk auf der linth-arena sgu in dem von der Fachgruppe Solartechnik erstellten 3D-Modell

Ziel

Im von der Forschungsgruppe Erneuerbare Energien geleiteten Pilot und Demonstrations Projekt (P&D Projekt) werden während 5 Jahren Betriebserfahrungen mit dieser neuen Art von Anwendung gesammelt. Der Ertrag von Wärme und Strom aus den PVT-Modulen wird ausgewertet, um Aussagen über die Wirtschaftlichkeit und Empfehlungen für zukünftige Anwendungen machen zu können.

Folgende Projektziele sind dabei die Schlüsselelemente des P&D Projektes:

Überprüfung der Hypothese «Hybridmodule erbringen gegenüber PV-Modulen einen elektrischen Mehrertrag von 10% pro Jahr»
Sammeln von Betriebserfahrungen bei der Integration von PVT-Modulen mit Grundwasser-Wärmepumpen zur Vorwärmung des Grundwassers
Abklärung welcher Anteil an der Wärmeproduktion die Nutzung von Umgebungswärme in Zeiten geringer beziehungsweise ohne Solarstrahlung hat
Erfahrungen sammeln bezüglich der optimalen Steuerung der Wärmepumpe (Maximierung der JAZ, evtl. unter Ausnutzung der Wetterprognose)

Auf einen Blick

Projektleiter: Jürg Rohrer
Projektteam: Kevin Arm, Jürg Rohrer
Projektfinanzierung: BFE, Kanton Glarus, Meyer Burger AG, Service7000 AG, Glarner Kantonalbank
Projektbeginn: 01.09.2014

Ausgangslage und Motivation

Die Energieallianz Glarus-Linth plante auf dem Dach der Lintharena-sgu die Erstellung einer PV-Anlage mit einer elektrischen Leistung von 230 kWp. Eine Studienarbeit am Institut für Umwelt und Natürliche Ressourcen (IUNR) der ZHAW in Wädenswil mit dem Titel «Optimiertes Energiekonzept für das Zentrum Lintharena sgu Näfels» (unveröffentlicht) zeigte, dass in dem Gebäude ganzjährlich ein grosser Wärmebedarf besteht.

Weitere Studienarbeiten am IUNR der ZHAW mit den Titeln «Konzeptentwicklung & Anlagendokumentation einer PVT-Testanlage» (unveröffentlicht), «Evaluation PVT-Module Lintharena» (unveröffentlicht) und «Potentialabschätzung von Solargewinnung in öffentlichen Bädern» (unveröffentlicht) haben gezeigt, dass der Einsatz von PVT-Modulen in der Lintharena-sgu vielversprechend wäre. Die entstehende Niedertemperatur-Wärme könnte jederzeit (auch im Sommer) verwendet werden. Mit der Wärme würde das das Wasser im Grundwassertank vorgewärmt, sodass die Wärmepumpen eine höhere Jahresarbeitszahl erreichen.

Hintergrundinformation zu PVT-Modulen

Im Projekt eingesetztes Hybrid-Modul (PVT) von Meyer Burger. Foto: Meyer Burger Technology AG

Hybrid- oder PVT-Module erzeugen auf derselben Fläche sowohl Strom als auch Wärme und erlauben deshalb pro Flächeneinheit mehr Energie zu ernten als reine PV-Module. Sie eignen sich insbesondere dann, wenn ein Wärmebedarf auch im Sommer besteht oder die Wärme gut saisonal gespeichert werden kann. Diese Idee wird seit über 30 Jahren verfolgt, konnte sich aber bisher auf dem Markt einerseits aus wirtschaftlichen, andererseits aus technischen Gründen nicht wirklich durchsetzen.

Man unterscheidet zwischen abdeckten Hybridmodulen für die Wärmeerzeugung bei hohen und unabgedeckten Hybridmodulen für die Wärmeerzeugung bei niedrigen Temperaturen. Am häufigsten werden unabgedeckte Hybridmodule im Zusammenhang mit Erdwärmesonden und einer Wärmepumpe zur Gebäudeheizung und Warmwassererzeugung eingesetzt. Dadurch sollen Erdwärmesonden regeneriert werden und im Winter höhere Temperaturen für die Wärmepumpe liefern, sodass ihre Jahresarbeitszahl (JAZ) verbessert wird. In der Schweiz wird dieses Konzept von der ETHZ (Prof. Hj. Leibundgut) und der Firma Meyer Burger AG beziehungsweise 3S propagiert. Mehrere Pilotanlagen sind bereits in Betrieb.

Das Problem der saisonalen Wärmespeicherung entfällt, wenn die Wärme auch im Sommer verwendet werden kann. Dies ist typischerweise zum Beispiel bei Spitälern, Sportzentren, Hallenbädern der Fall. Nicht publizierte Untersuchungen der ZHAW Wädenswil haben gezeigt, dass Hybridmodule beim heutigen Preisstand für die meisten Anwendungen selbst ohne Wärmespeicherung nicht wirtschaftlich sind. Die gleichzeitige Nutzung der solaren Wärme wäre energetisch sinnvoll, der energetische Mehrertrag vermag aber die höheren Kosten der Hybridmodule gegenüber PV-Modulen nicht zu kompensieren. Von den Herstellern wird demgegenüber häufig argumentiert, die elektrische Leistungsverbesserung und der Wärmeeertrag seien in der Praxis so hoch, sodass sich der Einsatz von Hybridmodulen bereits heute wirtschaftlich lohne. Mit diesem Projekt soll deshalb auch die Wirtschaftlichkeit des Konzeptes überprüft werden.

Erwartete Erkenntnisse des Projekts PVT-Solarkraftwerk lintharena sgu

Prinzipschema Solarkraftwerk linth-arena sgu, vergrösserte Ansicht — Prinzipschema Solarkraftwerk linth-arena sgu

Die neue Technologie der Hybrid-, beziehungsweise Kombimodule wird von den Herstellern als grosse Verbesserung der Flächenausnutzung von Solaranlagen angepriesen. Bisher sind aber erst wenige Anlagen in Betrieb und die Aussagen bezüglich Mehrertrag lassen sich mit theoretischen Überlegungen nicht immer nachvollziehen.

Mit der Kombination der zwei Technologien sollen die Flächenwirkungsgrade von elektrisch 15 – 20 % und thermisch rund 55% auf zusammen rund 70% erhöht werden können. Ausserdem hat die Kühlung zusätzlich eine Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrades, besonders in den einstrahlungsstarken Sommermonaten, zur Folge.

Die Effizienz einer Solaranlage ist jedoch nicht allein von der Ausbeute der solaren Einstrahlung, sondern auch von einer optimalen Nutzung der damit produzierten Energie abhängig. Der elektrische Ertrag ist zum Beispiel vom optimalen Betrieb im Maximum Power Point (MPP) und dem Wirkungsgrad des Wechselrichters abhängig. Dazu gibt es bereits ausgereifte Technologien und ausführliche Analysen. Die Verwendung der thermischen Energie ist abhängig von der Einbindung ins Gebäude-Energie-Konzept:

Vom Schweizer Marktführer 3S wurden nach eigenen Angaben bisher keine PVT-Anlagen in Verbindung mit Grundwasser-Wärmepumpen realisiert. Bei den bisher realisierten Konzepten mit Erdsonden dienen die Erdsonden als Wärmesenke für die Kühlung der PVT-Module. Bei einer Kombination mit einer Grundwasser-Wärmepumpe kann ein Wärmebedarf auch während Zeiten niedriger Solareinstrahlung (zum Beispiel. in der Nacht oder bei Regen) vorhanden sein. Es stellt sich deshalb die Frage, inwiefern die Ernte von Niedertemperatur-Wärme aus der Umgebungsluft beziehungsweise Niederschlägen bei geringer solarer Einstrahlung mit unabgedeckten PVT-Modulen möglich ist. Dies ist im In- und Ausland noch weitgehend unerforscht.

Deshalb sollen in diesem Projekt Erfahrungen bezüglich Betrieb und Effizienz von Hybridmodulen unter realen klimatischen Bedingungen gesammelt werden, insbesondere in Bezug auf die thermische Einbindung in einem Grundwasser-Wärmepumpensystem.

Vorgehen

Abschätzung des Potentials und der Machbarkeit (abgeschlossen)
Diverse nicht publizierte Untersuchungen der ZHAW Wädenswil haben gezeigt, dass im Zentrum linth-arena sgu in Näfels auch im Sommer ein grosser Wärmebedarf besteht und der Einsatz von PVT-Modulen vielversprechend wäre.
Projekteingabe P&D beim Bundesamt für Energie und Sponsorensuche (abgeschlossen)
Die neue Technologie der Hybrid-Module lässt sich zurzeit noch nicht wirtschaftlich installieren. Neben der finanziellen Unterstützung des P&D-Projektes durch das BFE mussten zusätzliche Sponsoren für die Installation des PVT-Teils (inkl. Messeinrichtungen und Auswertungen) gesucht werden.
Projektierung der PVT-Anlage (abgeschlossen)
In Zusammenarbeit mit der Energieallianz Glarus-Linth und Meyer Burger wurde das komplette Solarkraftwerk von der Fachgruppe Solartechnik geplant und ausgeschrieben. Die Projektierung reichte von der Dimensionierung eines optimalen Hybrid-Modul-Anteils (um die Wärme ganzjährig nutzen zu können) bis zur Baueingabe und Ausschreibung des gesamten Solarkraftwerkes.
Projektleitung und Ausführungsbegleitung (abgeschlossen)
Bei der Projektausführung hat die Fachgruppe Solartechnik in Zusammenarbeit mit der Energieallianz Glarus-Linth die Projektleitung übernommen. Aufgrund der neuen Technologie und den teilweise unterschiedlichen Ansprüchen der Projektbeteiligten entstand viel Koordinationsarbeit.

Der elektrische Teil des Solarkraftwerkes auf der linth-arena sgu ging Ende März 2015 in Betrieb. Der thermische Teil wurde schrittweise bis Ende April 2015 in Betrieb genommen.
Aufnahme von Messwerten (laufende Arbeiten)
Für das P&D Projekt werden diverse Messdaten während mindestens 5 Jahren aufgenommen und ausgewertet. Das Messkonzept basiert auf zwei Ansprüchen:

Es sollen einerseits die Herstellerangaben bzgl. Effizienzerhöhung, thermischer Nutzung der Umgebungswärme (Nutzung der Anlage auch ohne Sonneneinstrahlung wie zum Beispiel in der Nacht oder bei Schneebedeckung), Nutzung der Kondensationsenthalpie, etc. überprüft werden.

Andererseits sollen verschiedene Betriebszustände (zum Beispiel hohe Einstrahlung/ Umgebungstemperatur, Schneebedeckung PVT-Module, Einfluss von Wind) gemessen und ausgewertet werden können. Ausserdem sollen verschiedene Prozesse zur Ertragsoptimierung wie zum Beispiel Durchfluss-steuerung, Kühlung der Solarmodule, Schneeschmelzung, Einbezug der Wetterprognose, Eigen-verbrauchsoptimierung und dergleichen bezüglich ihrer Wirkung und der damit verbundenen Wirtschaftlichkeit überprüft und ausgewertet werden.

Für das oben beschriebene Mess- und Steuerkonzept müssen diverse Messgrössen erfasst und Regelgrössen gesteuert werden können. Folgende Messgrössen werden aufgezeichnet: Sonneneinstrahlung, Klimadaten, Elektrische Messgrössen der PVT- / PV-Module, Fluidtemperaturen und Fluidgeschwindigkeiten.

All diese Mess- und Regelgrössen lassen sich über ein Leitsystem einsehen, beziehungsweise verändern. Bei Fehlern oder Ausfällen wird das Projektteam per Email und SMS alarmiert. Vor Ort wurde als Information für die Besucher auf einem Touch-Screen eine Anzeige der aktuellen Ergebnisse und der Projektinformationen installiert.
Auswertung der Messwerte und Publikation der Ergebnisse (laufende Arbeiten)
Die Teilauswertungen der Messwerte werden laufend im Rahmen von Untersuchungen von verschiedenen Betriebszuständen von der Fachgruppe Solartechnik durchgeführt. Die Ergebnisse werden an ZHAW-internen und öffentlichen Vorträgen sowie in Fachbeiträgen publiziert.

Hybridmodule (PVT) auf dem Dach der linth-arena sgu, vergrösserte Ansicht — Hybridmodule (PVT) auf dem Dach der linth-arena sgu. Foto: Meyer Burger AG / linth-arena sgu in Näfels

Ergebnisse

Das Solarkraftwerk ging Ende April 2015 vollständig in Betrieb. Seitdem werden die oben beschriebenen Messwerte aufgezeichnet und gezielt Betriebszustände untersucht und ausgewertet.