Auf Baggerseen schwimmende Photovoltaik-Anlagen haben viele Vorteile und können einen bedeutenden Beitrag zur Stromversorgung leisten. Das hat Erdgas Südwest mit der 750 kWpeak-Anlage auf einem Baggerssee in Renchen bereits nachgewiesen. Die Anlage ging im Sommer 2019 in Betrieb und hat seitdem mit 860 MWh pro Jahr mehr Strom erzeugt als ursprünglich geplant.
Diesen Erfolg setzte Erdgas Südwest mit einem weiteren Projekt in Leimersheim (Rheinland-Pfalz) fort. Dort entstand 2020 ebenfalls an einem Kieswerk eine im Ergebnis doppelt so große Anlage wie in Renchen, allerdings wegen des EEG in zwei Inbetriebnahme Phasen. Wir haben uns dazu mit Projektleiter Peer Köster sowie der stellvertretenden Projektleiterin Melanie Gimmy unterhalten.
Die Lage: Der Baggersee eines Kieswerks in Leimersheim (Rheinland-Pfalz)
Am Standort in Leimersheim, etwa 2 km vom Rhein entfernt, befindet sich das Sand- und Kieswerk Pfadt GmbH. In 2 durch einen Fahrdamm getrennten, künstlichen Seen werden mineralische Rohstoffe ausgebaggert und vor Ort aufbereitet. Die südliche Wasserfläche hat eine Größe von insgesamt 17 ha. Das Wasser ist hier bis zu 20 m tief.
Die Seen sind rein rechtlich aufgeteilt in Gewässerflächen und Tagebauflächen. Die Gewässer an sich sind für die Öffentlichkeit gesperrt, es herrscht Badeverbot, da dort auch noch aktiv gebaggert wird. Sie beinhalten außerdem keine schutzwürdigen Biotope.
Nur nördlich und südlich des Sees befinden sich Gebiete, die im offiziellen Verzeichnis des Landes Rheinland-Pfalz mit derartigen Flächen (Biotopkataster) aufgeführt sind. Die PV-Anlage befindet sich also weder in einem Biotop, noch berührt sie solche.
Die Schwimmkonstruktion: Zwei Fußballfelder aus Schwimmkörpern
Die PV-Module schwimmen auf dem Baggersee mithilfe einer Konstruktion aus einzelnen im Verbund angeordneten Schwimmkörpern. Die Elemente an sich sind hohl, flach und etwa 25 cm hoch. Sie sinken ca. 10 cm ins Wasser ein, wenn sie die Solarmodule tragen.
Das größere Element, der so genannte Hauptschwimmkörper, trägt jeweils ein PV-Modul, das in geringer Höhe mit einer Aluminiumkonstruktion aufgeständert ist und in einem Winkel von 12° nach Süden blickt. Zur Verbindung der Hauptschwimmkörper kommt ein kleinerer Hilfsschwimmkörper zum Einsatz. Dieser dient auch als Wartungssteg.
Dadurch entsteht eine Konstruktion mit langen Reihen, die dann eine gitterartige Gesamtkonstruktion ergeben. Die einzelnen Elemente sind fest miteinander verbunden. Die Gesamtkonstruktion ist aber so flexibel, dass sie sich den Wasserbewegungen anpassen kann. Die Konstruktion kann auch jederzeit für Wartungszwecke betreten werden.
Die Schwimmkörper bestehen aus dem Kunststoff HDPE. Dieser hat viele Vorteile und ist für diesen Zweck hervorragend geeignet. Hier die wichtigsten Eigenschaften:
- Temperaturbeständigkeit, Dauergebrauchstemperatur von -50 °C bis +70 °C
- hohe Zähigkeit, Steifigkeit (auch bei Minusgraden)
- gute Gleiteigenschaften
- sehr geringe Wasseraufnahme (< 0,01 %), Material quillt nicht
- antiadhäsive Eigenschaften, kein Verkrusten der Oberflächen
- gute Spannungsrissbeständigkeit, hohe Reißdehnung
- verschleißhemmend, hohe Korrosionsbeständigkeit
- sehr gute chemische Beständigkeit gegen Salze, Salzlösungen, Säuren, Alkohol, Alkalien, Öl, Fett, Wachs und viele Lösungsmittel
- sehr guter elektrischer Isolator
- Lebensmittelzulässigkeit, lebensmittelecht, physiologisch unbedenklich
- UV-beständig gegen Versprödung
Die Elemente sind wie alle Kunststoffe recyclebar.
Insgesamt umfasst die Konstruktion aus Pontons und PV-Modulen eine Fläche von 1,4 ha, was etwa 2 Fußballfeldern entspricht. Damit beansprucht die PV-Anlage 8 % der Wasseroberfläche.
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Weitere Informationen zu unseren schwimmenden Photovoltaik-Projekten sowie den Kontakt zum Expertenteam finden Sie hier.
Die Befestigung: 64 Betonquader auf dem Seegrund
Da eine Verankerung am Ufer aus verschiedenen Gründen nicht möglich ist, ist die Schwimmkonstruktion am Seegrund verankert. Dazu wurden 64 Betonfundamente versenkt. Es handelt sich um Kuben mit einer Kantenlänge von 1,5 Meter. Gewicht je Element: 5 t.
An dem Betonquader befindet sich jeweils zunächst ein Stahlseil, das dann in ein Polyesterseil und zuletzt in eine Stahlkette übergeht, die mit den Schwimmkörpern verbunden ist. Die durch die Tiefe des Sees vorgegebene Länge der Verankerungsseile erlaubt eine gewisse Schwankungsbreite in der Horizontalen. Das bedeutet, dass die Schwimmkonstruktion nicht an einem bestimmten Fleck punktgenau fixiert ist, sondern sich innerhalb eines begrenzten Raums auf dem Wasser bewegt.
Interview Boris Heller
Boris Heller ist Leiter der Projektentwicklung Schwimmende PV bei Erdgas Südwest. Im Interview mit dem PV Magazine klärt er auf, warum sich schwimmende Photovoltaik-Anlagen heute bereits lohnen.
Die Solarmodule: 3.744 Module
Bei dem Projekt mit Schwimmender Photovoltaik in Leimersheim wurden insgesamt 3.744 Solarmodule auf der schwimmenden Pontonkonstruktion installiert. Jedes Modul ist 2 m breit sowie 1 m tief und liefert eine Leistung von 395 Wpeak. Insgesamt verfügt die Anlage also über eine Leistung von knapp 1,5 MWpeak, wobei es zwei Ausbaustufen gibt.
Eine Anlage mit 750 kWpeak ging im Herbst 2020 ans Netz, die zweite Anlage im Herbst 2021. Dieses Vorgehen ist durch die Vorschriften des Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) vorgezeichnet. Denn zum Zeitpunkt der Errichtung konnten nur Anlagen kleiner als 750 kWpeak ohne Ausschreibung errichtet werden. Mittlerweile liegt die Grenze bei 1.000 kWpeak (Stand Dezember 2022).
„Aufgrund der politischen Rahmenbedingungen müssen wir die PV-Anlagen einzeln betrachten, um eine Zusammenlegung der Anlagen im Sinne des EEG zu vermeiden. Deswegen müssen wir die Inbetriebnahme zweiteilen“, erklärt Melanie Gimmy. „Aus unserer Sicht besteht hier dringender Handlungsbedarf seitens der Politik, denn es zählt jeder Tag, der mit Erneuerbarer Energie bestritten wird.“
Die Verkabelung: 144 Leitungen
Die Solarmodule wurden nicht alle zusammengeschaltet, sondern sind in so genannten Strängen (strings) gruppiert. Jeweils 26 Module bilden einen string. Der in einem String erzeugte Strom wird über jeweils ein Kabel an Land geleitet. Insgesamt ist die schwimmende PV-Anlage also durch 144 einadrige Kabel mit dem Ufer verbunden.
Bei den verwendeten Leitungen wird darauf geachtet, dass sie die entsprechenden elektrischen und mechanischen Prüfungen (z.B. Wärmedruck-, Kälteschlag-, Schrumpf-, Brand-, Isolationsdurchdringungs-, Ozon- und UV-Beständigkeitsprüfungen) vorweisen können. Die Kabel laufen auf Schwimmkörpern und dann unterirdisch weiter zu den Wechselrichtern.
„Man könnte die Anlandführung auch mit weniger Kabeln durchführen,“ erläutert Peer Köster. „Wir haben uns allerdings für einzelne Kabel entschieden, weil man dann jeden einzelnen String isoliert überwachen kann. Damit lassen sich Ausfälle und Fehler schneller eingrenzen.“ Denn die Technik hintereinander geschalteter PV-Module hat den Nachteil, dass das schwächste Glied der Kette die Leistung der gesamten Einheit bestimmt. Wenn also durch einen technischen Defekt, durch Verschmutzung oder Verschattung ein Modul weniger leistet, werden auch die anderen Module dieser Reihe in der Leistung gemindert.
Mit einer leistungsmindernden Verschattung ist allerdings angesichts des Abstands von 90 m zum baumbestandenen Ufer nicht zu rechnen.
Die Wechselrichter: 12 Wechselrichter machen aus Gleichstrom den netzkompatiblen Wechselstrom
Am Ufer fließt der erzeugte Sonnenstrom zunächst in Wechselrichter. Diese 12 Wechselrichter wandeln den von den PV-Anlagen kommenden Gleichstrom in Wechselstrom um.
Für diese Wechselrichter wurde am Ufer eine einfache Konstruktion errichtet, die eine hängende Befestigung ermöglichte. Außerdem schützt ein Dach gegen Witterungseinflüsse. Die im Betrieb entstehende Wärme wird durch die Umgebungsluft gekühlt.
Der Netzanschluss: Trafo- und Übergabestation
Die Wechselrichter können nur eine geringe Spannung erzeugen. Um die Spannung auf die Netzspannung von 20 kV anzuheben, war ein Transformator (Spannungsumwandler) notwendig. Der in den Wechselrichtern zu Wechselstrom umgewandelte Gleichstrom fließt darum zunächst in eine Trafostation und dann in die Übergabestation, das Bindestück zwischen dem öffentlichen Stromnetz und der PV-Anlage.
Eine wichtige Komponente in der Trafo- und Übergabestation ist der installierte Leistungsschalter, der die Anlage für Wartungs- und Instandhaltungszwecke vom übrigen Netz trennen kann.
An der Übergabestation wird der Strom entweder gleich in das Kieswerk geleitet oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Heute kann das Kieswerk seinen Strombedarf etwa zu 20 bis 30 % mit dem auf dem Baggersee erzeugten Strom decken.
Die Montage: An Land zusammenbauen, dann zu Wasser lassen
Die Montage der Schwimmkörper und die Installation der PV-Module darauf erfolgte an Land auf einer extra hierfür vorgesehenen Fläche am Ufer des Sees. Abschnitt für Abschnitt wurde die PV-Anlage dann auf das Wasser gezogen und mit den Verankerungselementen verbunden. Insgesamt benötigten die Monteure ca. 5 Wochen für die Montage.
Die Wartung: Ab und zu putzen
Die Anlage wird permanent überwacht, sodass Leistungsminderungen oder Schäden schnell erkannt werden können. Für das Begehen der Anlage gibt es gesonderte Zwischenstege, die sich immer zwischen vier Reihen von Solarmodulen befinden. Dadurch können Wartungs- oder Reinigungsarbeiten einfach und ohne Risiko durchgeführt werden.
Eine Reinigung der Glasflächen erfolgt im halbjährlichen Abstand im Rahmen der Wartungsarbeiten. Andere Verschmutzungen wie Staub regulieren sich durch Regen.
Verschmutzungen durch Vogelkot ist auf den Modulen nicht zu erwarten. „Bei unserer ersten schwimmenden PV-Anlage in Renchen ist die Verschmutzung durch Vogelkot kein Problem,“ berichtet Melanie Gimmy. „Offenbar sind die Flächen zu glatt für Vögel wie z.B. Kanada-Gänse und sie lassen sich dort nicht nieder.“
Die Sicherheit: Sichere Kabel und Künstliche Intelligenz
Da es sich um eine genehmigungspflichtige elektrische Anlage handelt, gelten die für die Baugenehmigung erforderlichen Sicherheitsbestimmungen. Darüber hinaus kommen hier noch weitere Sicherheitselemente hinzu: Sämtliche elektrische Anlagen werden in der erforderlichen Isolationsschutzklasse ausgeführt und sind über dem Wasserspiegel angeordnet.
Die Schwimmkörper sind nicht elektrisch leitend. Durch die Geometrie der Schwimmkörper liegen die Kabelverbindungen bei ordnungsgemäßem Betrieb ca. 50 cm über dem Wasser, wobei ein Eintauchen der Kabel in das Wasser aufgrund der Isolationsschutzklasse unproblematisch ist.
Die Umwelt: Keine Auswirkungen auf Flora und Fauna
Wie bei Freiflächen-PV unterliegen auch schwimmende PV-Anlagen einer Reihe gesetzlicher Auflagen, die im Rahmen eines Genehmigungsverfahren für einen Bebauungsplan geprüft werden. Seit Sommer 2022 müssen Anlagen 40 m Abstand zum Ufer einhalten und dürfen nur 15 % der Seefläche bedecken. Außerdem dürfen schwimmende PV-Anlagen nur auf künstlichen Gewässern errichtet werden.
Eine Umweltverträglichkeitsprüfung ist nach deutschem Recht für Solaranlagen nicht verpflichtend. Trotzdem bleibt festzuhalten, dass von der Anlage keinerlei Emissionen in Form von Lärm, Abwasser, Gasen, Abfallmaterialien oder Abwärme in die Umgebung ausgehen.
Da sich die Anlage nicht in einem zu schützenden Biotop befindet oder ein solches tangiert, steht einer Genehmigung wegen des Artenschutzes nichts entgegen. Trotzdem wurden im Laufe der Planung der Anlage umfangreiche Umweltgutachten erstellt. So wurden die Fische im See sowie die in direkter Umgebung befindlichen Vögel gezählt.
Bezüglich der Vögel gab es eine einzige Auflage: Während der Brutzeit im Frühjahr/Sommer durften keine Bauarbeiten stattfinden. Deswegen wurde die Montagephase in den Herbst gelegt.
Insgesamt sind sich Gutachter und Aufsichtsbehörden einig, dass von der Anlage nur minimal Auswirkungen auf die Umwelt ausgehen. Und selbst diese fallen fast ausschließlich in die anfängliche Bauphase. Einmal errichtet, stellt eine schwimmende PV-Anlage keinerlei Belastung für die Umwelt dar.
Das Ergebnis: Strom für über 400 Familien
Der Photovoltaik-Park in Leimersheim besteht aus 2 Anlagen, die jeweils über eine maximale Leistung von 750 kWpeak verfügen. Aus dieser maximalen Gesamtleistung ergab sich im vergangenen Jahr ein Stromertrag von 1.721.196 kWh – das sind 8 % mehr als der ursprüngliche Planwert von 1,6 GWh.
Dieser Wert ist etwas abstrakt, deshalb hier ein paar Vergleichszahlen.
- 1,7 GWh = 1.700.000 kWh
- Jahresstromverbrauch einer 4-köpfigen Familie = 4.000 kWh
- Anzahl der Familien, die mit der Anlage komplett versorgt werden könnten: 425
Bei der Erzeugung schneiden schwimmende PV-Anlagen generell etwas besser ab als normale Dachanlagen, aktuell geht man von 2 bis 3 % aus. Dies ist bereits bei der ersten von Erdgas Südwest projektierten Anlage in Renchen festzustellen. Auch dort wurde das geplante Ergebnis übertroffen.
Zum Teil ist das dem überdurchschnittlich guten Wetter im beobachteten Zeitraum zuzuschreiben, aber es wirken offenbar auch andere Einflüsse.
Solarmodule liefern die höchste Leistung bei Umgebungstemperaturen von um die 20 °C. Das ist physikalisch bedingt. Deswegen erzeugen Solaranlagen im Hochsommer auf Grund der vielen Sonnenstunden zwar insgesamt mehr Strom, erreichen aber in der Mittagshitze nicht ihre maximale Leistung. Es ist schlicht zu warm.
Auf einem Gewässer hingegen entsteht durch die relativ konstante Temperatur des Wassers – im Sommer kühler als die Umgebung, im Winter wärmer – ein positiver Effekt auf die Solarmodule. Melanie Gimmy: „Wir schätzen, dass dieser Effekt die Menge des erzeugten Stroms um 2 bis 3 % erhöht im Vergleich zu Dachanlagen. Allerdings sind die Erfahrungswerte noch zu gering; wir werden das erst in der Zukunft genauer feststellen können.“
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Jetzt informieren und anfragenFazit nach erstem Jahr Betrieb beider Anlagen
Nach etwa einem Jahr Betrieb läuft die Anlage mehr als zufriedenstellend. Positiv ist vor allem das rege Interesse der Presse und auch der Politik. Auch die Zusammenarbeit zwischen Erdgas Südwest und dem Kieswerk Leimersheim erweist sich als Gewinn.
Perspektivisch ist eine Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme geplant. In diesem Zuge sollen Sensoren installiert werden, um die Wasserqualität und Performance der Anlage zu beobachten.
Außerdem steht noch die Ausarbeitung eines Sicherheitskonzept aus, eine Kooperation mit dem Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. (VDE). So soll die Anlage vor externen Einflüssen geschützt und somit noch sicherer werden.
Wie viel Potenzial in schwimmenden PV-Anlagen steckt, verdeutlicht auch die Karte des Umweltministeriums Baden-Württemberg. Hier zeigt sich, dass theoretisch noch zahlreiche weitere Flächen zur Verfügung stehen würden, um weitere schwimmende Photovoltaikanlagen zu errichten.
Einziger Kritikpunkt bleibt die deutsche Bürokratie: Das Errichten einer Photovoltaik-Anlage geht mit zahlreichen Genehmigungen einher und gerade bei neuen Themen laufen Genehmigungsverfahren und Bauleitplanungen langsam.
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Videoreportage SAT1
Das Regionalfernsehen Rheinland-Pfalz von SAT1 hat am 16. November 2020 eine Reportage über die PV-Anlage veröffentlicht. Anschauen nach dem Klick…
Schade um den schönen Badesee. 45 Grad aufgestaendert, würden die Zellen auch im Winter funktionieren, wo eh mehr Strom benötigt wird. Dreck und Schnee bleiben auf den Flächen Zellen liegen und dann geht nichts mehr.Wartung im Wasser ist auch Hochspannend. Schlecht gedacht und schlecht gemacht.
Experte? Es gibt viel zu viele Bedenkenträger und zu wenige die was anpacken . Bin zuversichtlich das das Unternehmen von Erfolg gekrönt ist.
Gratulation – das ist eine tolle WHY NOT Herangehensweise, wie wir sie viel öfters in D finden sollten.
Eine FRAGE noch: Die Anlage wäre doch auf dem Wasser leicht +/- 50 ° zu drehen – dann wären sogar 2 GWh wohl erreichbar und gerade der Abendpitze mit abgedeckt (netzdienlich) und als Winterlösung wäre das auch noch …- ist so ein Pluspotential nicht der Lage realisiert zu werden?
Hallo Herr Wegmann,
wir haben uns bereits mit den technischen Möglichkeiten zur Nachführung schwimmender PV-Anlagen beschäftigt. Leider ist es momentan so, dass die Technik noch vergleichsweise teuer ist und der zu erwartenden Mehrertrag den erhöhten Preis (noch) nicht kompensieren kann.
Wir verfolgen die technische Entwicklung jedoch weiter und werden die Technik auch einsetzen, sobald die Kosten dafür sinken.
Beste Grüße, das Team von natürlichZukunft
Wirklich interessantes Projekt. Was mich wundert ist diese aufwändige Befestigung mittels 66! Betonquadern a 5 Tonnen. Bei (laut Destatis) 0,56t CO2 pro Tonne Beton kämen da ja ca. 200 Tonnen CO2 nur für die versenkten Teile zusammen. Das sollte irgenwie effizienter gehen. Gruß
Es gibt auf deutschen Dächern Millionen Quadratmeter ungenutzter Fläche für Photovoltaik, warum muss muss man da auf ein Gewässer? Ökologischer Schwachsinn.
Hallo Arnold
Schwachsinn ist das nicht flächendeckend auch auf Seen Solar einzusetzen
Wenn alle mitziehen würden und nicht ständig meckern und jaulen würde der Ausbau schneller gehen
Also nicht meckern sondern mitmachen
Weshalb bewerten sie die Anlage im Text nur als zufriedenstellend ?
Hallo Herr Schira. Die entsprechende Formulierung im Text ist nicht abwertend gemeint – im Gegenteil. Die Betreiber sind mehr als zufrieden mit der Leistung der Anlage. Mit besten Grüßen, das Team von natürlichZukunft.