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Alpine Photovoltaik: Technisch-wirtschaftliche Machbarkeitsanalyse für verschiedene PV-Konzepte in der alpinen Schweiz
SPF-Artikel vom 16.06.2023
Die alpine Photovoltaik (PV) soll zukünftig eine wichtige Rolle für die Winterstromproduktion in der Schweiz spielen. Obwohl das Thema sehr aktuell ist, gibt es nur wenige Studien über den Energieertrag verschiedener PV-Konzepte in den Alpenregionen. Nun hat Rafael Spörri im Rahmen seiner vom SPF begleiteten Masterarbeit eine techno-ökonomische Analyse verschiedener PV-Konzepte für die Winterstromproduktion in verschiedenen hochalpinen Regionen der Schweiz durchgeführt.
Hintergrund
In der Schweiz wird die fortschreitende Dekarbonisierung des Wärme- und Mobilitätssektors zu einem erheblichen Anstieg der Stromnachfrage führen, wobei der grösste Teil der Stromnachfrage aus der Zentralschweiz stammt. Die installierte PV-Kapazität in dieser Region nimmt zu, um den wachsenden Energiebedarf zu decken. Aufgrund des oft nebligen und weniger sonnigen Wetters von November bis März kann es jedoch zu einer möglichen Stromlücke im Winter kommen. Die prognostizierte Lücke könnte sich durch den Konflikt zwischen Russland und der Ukraine noch verschärfen. Als Reaktion auf diese Herausforderung hat der Schweizer Bundesrat im November 2022 beschlossen, alpine PV-Anlagen zu fördern und das Energiegesetz zu ändern, um den Bau von grossen alpinen PV-Anlagen zu erleichtern. Vorteile alpiner PV-Anlagen liegen in der Nutzung der Reflexion des Sonnenlichts durch den Schnee, den niedrigen Temperaturen und den wenigen Nebeltagen in alpinen Regionen. Abbildung 1.1 zeigt, dass die Winterstromproduktion in den Alpenregionen höher ist als in der Zentralschweiz.
Im Rahmen der Masterarbeit wurden technische und wirtschaftliche Aspekte verschiedener PV-Konzepte in hochalpinen Regionen der Schweiz untersucht, wobei auch die neu eingeführte Förderung berücksichtigt wurde. Es wurden PV-Konzepte mit unterschiedlichen Designs und Ausrichtungen untersucht: Montage der PV-Module an Seilen über einem See, auf einer Lawinenverbauung und Agri-PV-Konzepte.
Methodik
Für alle ausgewählten Standorte wurden verschiedene PV-Konzepte untersucht. Als Geländedaten wurde ein digitales Höhenmodell vom Bundesamt für Landestopografie (Swisstopo) zur Verfügung gestellt. Die Software Vectorworks wurde verwendet, um die Satellitenbilddaten des Standorts auf die Topografie zu projizieren und die PV-Module zu platzieren. Alle entworfenen Systeme wurden mit der Simulationssoftware PVsyst simuliert. Die Wetterdaten wurden von Meteonorm und die Albedo-Daten von Solcast bezogen.
Für die Wirtschaftlichkeitsanalyse wurde das EXCEL-Tool von Swissolar verwendet und die verschiedenen Subventionen berücksichtigt, die von der Schweizer Regierung für alpine PV eingeführt wurden (siehe Tabelle 2.1).
Abkürzungen: K = KLEIV (kleine Einmalvergütung), G = GREIV (grosse Einmalvergütung), H = Hohe EIV, Au = Hohe EIV über Auktion, Al = Alpine EIV.
PV auf einem künstlichen See im Skigebiet Pizol
Als erster Standort wurde ein künstlicher See im Skigebiet Pizol gewählt. Die Konzeptidee ist, die PV-Module an Drahtseilen über dem See (ca. 2’950 m2) zu installieren. Bei einer Südausrichtung der Module und einem Reihenabstand von 3.2 m können so 191 kWp installiert werden.
Abbildung 2.1 Künstlicher See im Skigebiet Pizol (links) und PV-Anlage auf dem See, simuliert in PVsyst von Rafael Spörri (rechts)
Die Investitionskosten für eine solche Anlage wurden auf Grundlage der Kosten für die schwimmende Anlage auf dem Lac des Toules abgeschätzt. Dort wurden Kosten von rund 5'245 CHF/kWp angenommen. Mit diesen Zahlen würde die 191 kWp-Anlage rund 1 Million CHF kosten.
PV auf einer Lawinenverbauung
Die Montage von PV-Modulen auf Lawinenverbauungen ist sehr anspruchsvoll. Es muss darauf geachtet werden, dass kein zusätzlicher Schnee auf den Verbauungen abgelagert wird. Für ein definiertes spezifisches Anlagenkonzept beträgt die simulierte installierte Anlagenleistung 576.5 kWp bei einem Azimut von 30° (Südsüdwest) und einem Neigungswinkel von 75°.
Abbildung 2.2 PV-Anlage auf der Lawinenverbauung
Quellen: Rafael Spörri (oben rechts), SRF, kein Datum (unten links), Watson, 2019 (unten rechts)
Die Investitionskosten, die für die wirtschaftliche Analyse einer solchen PV-Anlage auf einer Lawinenverbauung berücksichtigt wurden, basieren auf den Kosten von Reudi Lehmann. Es folgen ca. rund 3695 CHF/kWp, die 576.5 kWp-Anlage würde also ca. 2.13 Mio. CHF kosten.
Agri-PV-Konzept in Minschuns
Als dritter Standort wurde Minschuns gewählt, wo ein Agri-PV-Konzept betrachtet wurde. Für die Ertragssimulation wurde das Montagesystem von Next2Sun verwendet. Es wurden vertikale bifaziale Module (Neigungswinkel 90°) mit einem Azimut von 11° und einem Reihenabstand von 5 m simuliert. Mit einem bifazialen System kann der Energieertrag maximiert werden. Ein solches landwirtschaftliches PV-Konzept (Agri-PV) führt zu einem minimalen Flächenverbrauch. Die installierte Leistung des simulierten Systems beträgt 324 kWp.
Die Investitionskosten, die bei der Wirtschaftlichkeitsanalyse berücksichtigt wurden, stammen von Next2Sun und sind in Tabelle 2.2 dargestellt:
Resultate
Für die PV-Anlage auf dem See in Pizol wurde der Energieertrag mit PVsyst auf 919 kWh/kWp/Jahr geschätzt, bei einem Winterstromanteil von 31.5 %. Der niedrige Jahresertrag wie auch der niedrige Winterstromanteil sind auf die ungünstige Abschattung durch einen Bergkamm im Süden zurückzuführen. Selbst mit den berücksichtigten Subventionen liegen die Stromgestehungskosten bei 0.40 CHF/kWh, was fast 4.3-mal teurer ist als eine ebenfalls simulierte Referenzanlage auf einem Dach und die Anlage damit unrentabel macht.
Für die PV-Anlage auf der Lawinenverbauung wurde ein Energieertrag von 1’251 kWh/kWp/Jahr simuliert, mit einem Winterstromanteil von 47.8%. Bei Investitionskosten von 2.13 Mio. CHF wurde ein Subventionsanteil von rund 34 % angenommen. Damit liegen die Stromgestehungskosten bei 0.19 CHF/kWh. Die Anlage ist 3.4-mal teurer als die Referenzanlage auf dem Dach und damit wirtschaftlich nicht rentabel.
Das Agri-PV-Konzept in Minschuns führte zu einem jährlichen spezifischen Energieertrag von 1’485 kWh/kWp bei einem Winterstromanteil von 43.5 %. Die Gesamtinvestitionskosten für eine solche PV-Anlage wurden auf 3 Millionen CHF geschätzt, wovon rund 42 % subventioniert werden können. Die Stromgestehungskosten betragen demnach 0.11 CHF/kWh.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die alpine PV-Produktion einen wesentlichen Beitrag zur Winterstromproduktion leisten kann. Die Investitionskosten variieren je nach Anlagenkonzept erheblich.
Referenzen
Bundesamt für Energie (BFE). (2022). Förderung von pubdb.bfe.admin.ch: pubdb.bfe.admin.ch/de/publication/download/7238 abgerufen.
SRF. (kein Datum). Von www.srf.ch: www.srf.ch/static/cms/images/960w/e41974.jpg abgerufen.
Watson. (2019). How Switzerland is hindering solar power and how it can push it.
Von www.watson.ch/schweiz/energie/643643266-studie-zeigt-warum-der-ausbau-der-solarenergie-in-der-schweiz-harzt abgerufen.