Kürzere Amortisation und mehr Rendite - Innovative PV-Nachführungen beleben das Marktsegement

Seit 2009 haben sich die Rahmenbedingungen für PV-Anlagen deutlich verschlechtert. Die starke Konkurrenz, insbesondere aus dem asiatischen Raum, bewirkt zudem, dass die Modulkosten ständig weiter sinken.
Die Einspeisevergütung ist zum Jahresanfang 2012 entsprechend den EEG-Vorgaben um 15% gesunken. Seit Januar 2012 erhalten die Betreiber für Aufdachanlagen bis 30 kWp eine Einspeisevergütung von 24,43 Ct/kWp, also rund 50% weniger gegenüber der Vergütung von vor fünf Jahren.
Um noch verhältnismäßig rentable PV-Anlagen zu errichten und andererseits der Austrocknung der im EEG verankerten Degression auf dem PV-Markt entgegenzuwirken, müssen  Innovationen greifen, die u.a. auch den Einsatz nachgeführter PV-Module beschleunigen.
Das Thema „Eigenverbrauch“ ist aufgrund der Kürzungen aktueller geworden und gewinnt zunehmend an Bedeutung. Als Gegenmaßnahme bietet sich hier der Einsatz nachgeführter PV-Module an, denn die ausgeglichene und gleichmäßige Energiegewinnung bietet optimale Bedingungen nicht nur für den Eigenverbrauch, sondern auch zur Energiespeicherung.
Natürlich müssen zu den Eigenverbrauchslösungen auch energieeffiziente Batterien eingesetzt werden.
Im Gegensatz zur Festaufständerung liefern die Nachführsysteme konstanten Strom, der für die Batterien einen schonenden Ladezyklus bewirkt und damit auch deren Lebenszyklus (LCC) erhöht.
In Deutschland werden in naher Zukunft so viele PV-Anlagen installiert sein, dass zur Mittagszeit, wenn die fest installierten PV-Anlagen mit voller Leistung arbeiten, kaum noch zusätzlicher Strom benötigt wird. Anders verhält es sich am Vor- und Nachmittag. Durch die nachgeführten Systeme steigt der Ertrag zu diesen Zeiten.

Planung und Dimensionierung
Nachgeführte PV-Module können einachsig oder zweiachsig ausgeführt werden. Bei der einachsigen Nachführung wird die nachgeführte PV-Anlage horizontal mit der Sonne im Tagesverlauf geführt. Bei einer zweiachsigen Nachführung stehen die Solarmodule permanent optimal zur Sonne. Die installierte Leistung (kWp) wird durch die Größe der Trägerkonstruktion bestimmt.
Um eine gegenseitige Verschattung bei tiefstehender Sonne zu den Morgen- und Abendstunden (Direktstrahlung) zu vermeiden, ist zwischen den nachgeführten PV-Modulen ein ausreichender Abstand zu beachten. Zudem müssen ausreichende Abstände auch zur Bewaldung und Bebauung eingehalten werden, insbesondere dann, wenn diese östlich und westlich gelegen sind. Aus diesem Grund sollte bereits während der Planungsphase die Erstellung einer Schattenwurfanalyse durchgeführt werden.
Eine höhere Präzision erfordert aber auch mehr Flächenanteil: Zweiachsige Nachführsysteme haben einen großen Verschattungsbereich und stellen zudem hohe konstruktive Anforderungen, weil letztlich sämtliche statischen Lasten auf die Lager der Horizontal- und Vertikalachse einwirken.

Mechanische Aspekte
Die Ausführung sollte in robuster Konstruktion erfolgen und der Einsatz einer energieeffizienten Antriebstechnik gewährleistet sein. Nachgeführte PV-Module sind über Jahrzehnte den Wind- und Wetterbedingungen ausgesetzt. Um rentabel arbeiten zu können, müssen sie Temperaturschwankungen und Wind- und Schneelasten standhalten können.
Mit optimal dimensionierten Nachführsystemen stehen Lösungen für unterschiedliche Anlagengrößen zur Verfügung.
Mechanisch weitaus einfacher gestalten sich Nachführungen um die Vertikalachse. Aber auch diese Konstruktionsvariante benötigt noch einen umfangreichen Platz, um gegenseitige Verschattungen zu vermeiden. Außerdem können diese Systeme den Sonnenverlauf weitaus weniger akkurat nachführen, als zweiachsige Nachführsysteme.
Als Fundamentlösungen bieten sich Betonfundamente, Bohrfundamente (unter und über Terrain) und Pfahlfundamente sowie Stahl-Verankerungssysteme an.

Steuerungen zur Ertragsmehrung
Generell ist nicht jedes Nachführsystem an jedem Ort effizient einsetzbar. In der Praxis haben sowohl optoelektrische als auch  astronomisch gesteuerte Systeme ihre Vorteile.
Als Azimut wird die horizontale Drehbewegung definiert, die vertikale Neigung als Elevation. Bei einachsigen Systemen mit vertikaler Drehachse ist die Drehbewegung der Zeile „Azimut“ zugeordnet und bei denen mit horizontaler oder
geneigter Achse der Zeile „Elevation“. Damit die nachgeführten PV-Module ma-ximale Erträge erwirtschaften können und sich somit in kurzer Zeit amortisieren, ist ein möglichst großer Verstellwinkel für die Azimutebene und Elevation unerlässlich.

Optoelektronischer Sensor
Das Nachführsystem richtet sich stets nach der Sonne aus, auch wenn die Sonne durch Wolken (diffuser Strahlungsanteil) abgedeckt wird. Durch die Präzision des Sensors, der nur eine Abweichung von ca. 2° zur Sonne zulässt, erreichen die Nachführsysteme maximale Strahlungserträge.

Astronomische Steuerung
Aus den vorgegebenen GPS-Koordinaten des Aufstellungsortes, der Uhrzeit und dem Datum errechnet die elektronische Steuerung kontinuierlich den aktuellen Sonnenstand. Insofern lässt sich der Neigungswinkel (Elevation) und der Winkel in Bezug zur Südausrichtung (Azimut) berechnen. Dieses Berechnungsprinzip hat den Vorteil, dass es unabhängig von der herrschenden Wetterlage funktioniert und damit auch bei bedecktem Himmel die optimale Ausrichtung gewährleistet wird. Über eine Drehachse und eine Neigungsachse werden die PV-Module frontal zum Sonnenstand ausgerichtet. Ein Softwarealgorithmus verhindert, dass sich die Solarpanels gegenseitig abschatten, so wird auch bei flacher Sonneneinstrahlung der volle Wirkungsgrad erreicht.

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Produkthersteller (Auszug)
Aufgrund der Förderungsreduzierungen zeigen mehr als je zuvor kleine und mittlere Unternehmen sowie Privatpersonen ein Interesse daran, sich z.B. durch den Einsatz einer „MLD“-Nachführung von DEGER­energie, Horb/Neckar, von den steigenden Energiepreisen abzukoppeln.
Diese ausgeglichene gleichmäßige Energiegewinnung bietet gute Bedingungen nicht nur für den Eigenverbrauch, sondern auch für die Speicherung von Energie für Zeiten, in denen die Sonne nicht scheint.
Das patentierte Steuermodul „Degerconecter“ erfasst die Strahlungsintensität sowie den Winkel der einfallenden Lichtstrahlen und richtet die Modulfläche ständig an die tatsächlichen Lichtverhältnisse aus. Bei einem ganz geschlossenen Wolkenhimmel wird die Modulfläche waagerecht oder in die Richtung der stärksten Einstrahlung gedreht, um auch aus der Schlechtwettersituation die größtmögliche Energiegewinnung zu erreichen. Dieses bewirkt einen durchschnittlichen Mehrertrag von über 40% gegenüber feststehenden PV-Modulen und um 8% mehr gegenüber den nachgeführten PV-Modulen mit astronomischer Steuerung.
Das neue einachsige Nachführsystem „Toptraker 8.5“ von DEGERenergie wurde vorzugsweise für kleine gebäudeintegrierte Bauten (Aufdach) konzipiert. Das System eignet sich für alle Modultypen bis zu einer maximalen Modulfläche von 8,5 m2, entsprechend einer Nennleistung von 500 Wp bis 1,3 kWp. Der Elevationswinkel liegt bei 20° oder 30°, während die Modulebene um ±45° in Ost-, Westrichtung geschwenkt wird.
Der neue Energiekonverter „EK-6“ wird primär in die Systemsteuerung für hauseigene Nachführsysteme eingesetzt. Hierzu gehören z.B. die Funktionen, die nachgeführte PV-Module in der Nacht nach Osten zurückzudrehen, damit die Module bereits am frühen Morgen korrekt ausgerichtet sind. Die ebenfalls neue „Safe-Pos“-Funktion fährt die Modulfläche automatisch in eine horizontale Sicherheitsposition, wenn der Wind zu stark wird oder die Verbindung zwischen Windwächter und Energiekonverter gestört wird. Die Bremsfunktion des „EK-6“ verhindert, dass sich die Modulfläche durch starken Wind selbsttätig verstellt.
Die zweiachsigen Nachführsysteme „DegerTracker 3000 HD“ und  „5000 HD“ wurden speziell für den Einsatz an Gebäuden und in Starkwindzonen entwickelt. Die Bezeichnung steht für  „heavy duty“ (hoch belastbar).
Die Produktpalette der Ideematic Deutschland GmbH, Wallerfing, erstreckt sich über einachsige Nachführsysteme mit Schneckengetriebe und astronomischer Steuerung vom Typ „Safetrack ST 25“. Die maximale Modulfläche beträgt 25 m² und  beim „ST 32“ maximal 32 m2.
Die Produktpalette der Kemper Solar GmbH,Hohenpeißenberg, erstreckt sich über zweiachsig nachgeführte PV-Module mit Linear- oder Schwenkantrieb sowie astronomischer Steuerung in den Typen:

• „KemTrack 60“, mit max. Modulfläche 63 m²,
• „KemTrack 70“, max. Modulfläche 73 m²,
• „KemTrack 80“, max. Modulfläche 83 m²,
• „KemTrack 120“, max. Modulfläche 120 m².

Die Bernt Lorentz GmbH, Henstedt-Utzburg, vertreibt einachsig Nachführung mit Gleichstrom-Linearantrieb, wie z.B.:

• „EtaTrack active 600“, max. Modulfläche bis 6 m²,
• „EtaTrack active 1000-30“, max. Modulfläche bis 10,5 m²,
• „EtaTrack active 1500-A“, max. Modulfläche bis 16,5 m²,
• „EtaTrack active 2000-A“, max. Modulfläche bis 20,5 m²,
• „EtaTrack active 2500-A-30“, max. Modulfläche bis 6 m²,
• „EtaTrack active H1500“ (Horizontal Single-axis Tracking System),
• „EtaTrack active 1500-A-SP“, „2000-A-SP“.

Der neue einachsige „Skytrap plus“ von MP-Tec, Eberswalde, ist für alle Modultypen geeignet und bietet auf einer verzinkten Stahlplattform die Möglichkeit zur Integration einer Modufäche von bis zu 30 m2. Er kann sehr flexibel sowohl mit einem Betonsockel als auch mit Schraubfundamenten befestigt werden.
Während der „Skytrap light“ an drei Punkten im Boden verankert wird, wurde für den „Skytrap plus“ ein einfüßiges Gestell konzipiert. Insbesondere für Solarparks mit schwierigen Bodenverhältnissen sowie als Aufdachanlagen.
Der „Skytrap plus“ sorgt für einen verschattungsfreien Betrieb (Backtrackingfunktion) der Nachführanlagen untereinander. Der Modultisch lässt sich über zwei Lagerpunkte bis zu einem Neigungswinkel von 10° bis 35° bewegen. Mit der Optimierung des Einstrahlungswinkels der Sonne auf die Module wird eine Steigerung des solaren Mehrertrags auf bis zu 36% im Vergleich zu festinstallierten Anlagen ermöglicht.
Der „Skytrap plus“ kann mit dem optoelektronischen Sensor oder mit astronomischer Steuerung bestückt werden. Eine integrierte Regelelektronik sorgt für die automatische Ausrichtung des Modultisches beim Übergang von Nacht zu Tag.
Im Programm der Solar-Trak GmbH, Lübeck, werden nachfolgend aufgeführte Nachführsysteme angeboten:

• einachsige Ausführung mit Schneckengetriebe und Steuerung mit Sensor, Typ „ST 80“;  max. 1 m2-Modulfläche, Typ „ST 240“; max. 2,5 m²-Modulfläche,
• zweiachsigen Ausführung mit Linearantrieb und Programmsteuerung, Typ „ST 1000“; max. 12,8 m²-Modulfläche, Typ „ST  2000“; max. 46 m²-Modulfläche.

Nachführung mit Seilzugsteuerung
Die Tecnosun Solar Systems AG, Neumarkt/Obf, bietet ein Nachführsystem mit Seilzugsteuerung für die Aufdachintegration an. Neben der Integration auf Freiflächen und an Lärmschutzwänden von Autobahnen, Schnellstraßen und Ortsdurchfahrten lässt sich das „EcoChamp“-System auch als Aufdachinstallation konzipieren. Beim Einsatz mit einem zweiachsigen Nachführsystem und Drahtseilzugsteuerungssystem kann in Deutschland eine Ertragssteigerung von 30 bis 35% erwartet werden.
Das „EcoChamp“-Nachführsystem koppelt 30 kleine Einheiten mit einer Modulfläche mit jeweils 2,6 m2 an einen Antriebsstrang, der gleichzeitig für Azimutbewegung und Elevation sorgt, also die Drehung um die Vertikalachse und die hierzu synchrone Änderung des Neigungswinkels der Module bewirkt. Tecnosun hat zusätzlich die innovative Idee eines „Elevationsringes“ entwickelt und patentieren lassen. Die einzelnen Nachführsysteme werden mittels Seilzug gedreht, wobei jeder Modultisch über eine Hebelmechanik mit einem geschwungenen um die Achse laufenden Ring verbunden ist. Bei dieser Lösungsvariante ändert sich die Neigung der Module automatisch im Verlauf ihrer Drehbewegung. Damit aufgrund der unterschiedlichen Neigungsverläufe der höchste Ertrag erreicht werden kann, lässt sich die Ringform je nach Standort und Breitengrad anpassen. Mit dem „AUMA Motor“ können bis zu 120 „EcoChamp“-Nachführsysteme gesteuert werden.
Das einachsige Nachführsystem „Turntosun“ von TurnToSun Energietechnik, Würselen, in der Baugruppe 4, 10 und 16 sowie 23 mit der patentierten Seilzugsteuerung zeichnet sich durch die geringen Investitionskosten aus. Die einachsige Nachführung kann um ±67° azimutal nachgeführt werden, wobei die Deklination bei einem maximalen Azimut von 21° liegt.
Die elektrische Steuerung des Rohrmotors (230 V) mit Seiltrommel erfolgt mittels einprogrammiertem Zeitprogramm, in dem der Tag-/Nachtverlauf sowie die Ostposition für „morgens“ und die Südposition zur Absicherung bei starkem Wind hinterlegt wurde. Die Modulfläche ist morgens und abends in Ost-, bzw. Westrichtung nahezu waagerecht ausgerichtet sowie mittags diagonal.
Das „Turntosun“-Nachführsystem kann bei Mehrfachanordnung ohne Verschattung mit geringem Abstand zu den einzelnen PV-Modulen  konzipiert werden. Aufgrund der diagonalen Ausrichtung des quadratischen Modulfeldes kann dieser bei Ost- und Weststellung in eine bodenparallele Position geschwenkt werden und hierbei seine minimale Bauhöhe erreichen.

Wirtschaftlichkeit
Für Investoren und Betreiber ist neben den wirtschaftlichen Aspekten (Ertragsmehrung und geringe Betriebs- und Wartungskosten) die Qualität und Langlebigkeit der gesamten PV-Anlage ausschlaggebend. Je nach Konstruktion, geografischem Einsatzort und Ausfallzeiten variieren die Mehrerträge erheblich, insofern ergeben sich kurze Amortisationszeit. Damit sich die Investition der nachgeführten PV-Module rechnet, sollten die Stillstandszeiten und Wartungskosten möglichst gering ausfallen.
Eine pauschale Aussage kann über den wirtschaftlich positiven Effekt von nachgeführten PV-Modulen nicht getroffen werden. Die Entscheidung, ob sich die Investition eines Nachführsystems rechnet und sinnvoll ist, muss in jedem Einzelfall überdacht werden. Unterschiede in der Wirtschaftlichkeit können sich z.B. aus den Systemvergleich der Nachführsysteme, der Verschattung und Steuerungsart ergeben. In der Regel wird seitens der Produkthersteller ein spezifischer Stückpreis genannt, der sich auf Quadratmeter Modulfläche bzw. auf  ein Kilowatt installierter Leistung bezieht.

Fester Platz im Energiemix
Trotz aller Gegenargumente bleibt der Einsatz nachgeführter PV-Module nicht nur für Freiflächenanlagen wirtschaftlich interessant. Da diese Systeme als nachgeführte Einzeleinheiten, aber auch als Aufdachsysteme mit mittlerer und größerer Modulflächenbestückung ihre Amortisation in kurzer Zeit erreichen und zudem die Rendite verbessern, werden sie mit Sicherheit nach wie vor ihren Platz im Energiemix finden.

Autor: Dipl.-Ing. Eric Theiß ist als freier Journalist mit den Themenschwerpunkten Technische Gebäudeausstattung (TGA) und rationelle Regenerativtechnologien tätig, 81369 München, dipl.ing.e.theiss@t-online.de