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Photovoltaik

Solarkraftwerk im Baggersee

Schwimmende PV-Anlage
Gawan Heintze, Daniel F. Eisel. LandSchafftEnergie am Technologie- und Förderzentrum (TFZ), Straubing
am Donnerstag, 03.03.2022 - 11:37

Schwimmende Solarkraftwerke in Deutschland: Mit der sogenannten Floating-Photovoltaik (FPV) steht eine neue und interessante Technologie in den Startlöchern. Welche Vorteile hat sie gegenüber PV-Freiflächen-Anlagen?

Die Energielandschaft wandelt sich: Mit sauberen und klimaschonenden Kraftwerken soll die Energie der Zukunft erzeugt werden. Die neue Bundesregierung stellt hierfür die Ampeln auf grün. Üblicherweise werden für große Photovoltaik(PV)-Anlagen Flächen beansprucht, die einen geringen landwirtschaftlichen Nutzwert aufweisen. Man sieht sie neben Autobahnen oder Bahnstrecken. Nun entstehen die ersten schwimmenden Solarkraftwerke auf Tagebau-, Bagger- und Kiesseen. Welche Vorteile gegenüber PV-Freiflächen-Anlagen weisen Floating-PV-Anlagen auf? Noch handelt es sich bei ihnen um eine Nischentechnologie – aber mit großem Potenzial.

Schwimmende Solaranlagen gibt es bisher noch kaum. Die derzeit installierte Leistung der FPV in Deutschland liegt bei lediglich etwa 5 MWp. In anderen Ländern werden bereits Wasserflächen, z. B. Tagebauseen, Stauseen, Wasserrückhaltebecken oder auch Kühl- und Bewässerungsteiche zur PV-Stromerzeugung genutzt, denn die FPV gilt als flächeneffiziente Technologie (siehe Kasten Vor- und Nachteile). In Deutschland kommen vornehmlich geflutete Tagebauflächen sowie Bagger- und Kiesseen in Betracht, wie das folgende Beispiel einer FPV-Anlage im bayerischen Dettelbach zeigt.

Anlage in Franken könnte 200 Haushalte versorgen

Foto-2 HDPE Schwimmkörper und Verkabelung ©TFZ

Der ortsansässige Projektierer Climagy GmbH installierte die FPV-Anlage im fränkischen Dettelbach (Lks. Kitzingen) auf der 30 ha großen Wasserfläche von HeidelbergCement AG im Jahr 2020. Sie besitzt eine installierte Leistung von 749 kWp und wäre mit der jährlich erzeugten Energie von etwa 800 000 kWh in der Lage, rund 200 Haushalte zu versorgen. Dies entspricht einer CO2-Einsparung von etwa 280 Tonnen – das ist etwa so viel wie der CO2-Fußabdruck von 40 Bundesbürgern.

In unmittelbarer Nähe befindet sich das Sand- und Kieswerk der HeidelbergCement AG. Aufgrund der Nachfrage aus dem Baugewerbe ist dort der Strombedarf in den Sommermonaten am höchsten. Die FPV-Anlage passt also mit ihrer Südausrichtung und dem Haupterzeugungsprofil in den Sommer- und Übergangsmonaten besonders gut zum Lastprofil des Werks. Ein großer Teil des erzeugten Grünstroms wird somit vom Kieswerk direkt vor Ort genutzt. Überschüsse werden in das öffentliche Stromnetz eingespeist.

Die PV-Module schwimmen auf knapp zwei Prozent der 30 ha großen Seefläche mithilfe besonderer Schwimmkörper, den sogenannten Pontons (siehe Foto). Zum Einsatz kommen in Dettelbach herkömmliche PV-Module. Sie könnten auch auf Dach- oder Freiflächenanlagen installiert werden.

Solaranlage als Insel auf Baggersee

Rund 4000 Schwimmkörper tragen die Anlage

Die etwa 4000 Schwimmkörper sind leichte und korrosionsfreie Kunststoffsysteme aus High-Density-Polyethylen (HDPE). Neben ihrem geringen Gewicht sind sie dank hoher Qualität und Sortenreinheit vollständig recycelbar. Aus demselben Material werden in Deutschland beispielsweise Trinkwasserleitungen hergestellt, sodass eine negative Wechselwirkung mit dem Wasserkörper und mögliche Umwelteinflüsse weitestgehend ausgeschlossen sind.

Die Schwimmkörper wurden in der Bauphase an Land zu größeren Einheiten verbunden und dann mit bereits montierten PV-Modulen zu Wasser gelassen. Lediglich die Ausrichtung und Verbindung weniger Einheiten finden auf dem Wasser statt. Die Pontons sind jedoch die maßgeblichen Kostentreiber einer FPV-Anlage. Derzeit wird ein solches System mit etwa 1000 € je kWp kalkuliert. Die möglichen Solarstromerträge liegen durch den kühlenden Effekt der Wasserverdunstung unter den PV-Modulen etwas höher als bei PV-Freiflächenanlagen. Auch die Wartung und Reinigung auf dem Wasser ist gut zu gewährleisten. Hier können mobile Putzroboter zum Einsatz kommen.
Stromkabel

Eine Herausforderung stellt die Verankerung des Systems auf der Wasserfläche dar. In Dettelbach wurden 30 vor Ort gefertigte Schwerkraftfundamente eingesetzt. Diese wiegen jeweils sieben Tonnen und spannen die Anlage rundherum ab. Mit drei Wochen Errichtungszeit für die gesamte Anlage war die Bauphase sehr kurz. Als langwieriger stellte sich jedoch der Vorlauf mit Planung, Genehmigung und Beachtung der naturschutzfachlichen Belange heraus.

Mit 749 kWp ist die Anlagengröße durch die Vergütungskulisse des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEGs) beschränkt. Theoretisch ist das Kieswerk in Dettelbach in der Lage, mehr Strom aus der FPV-Anlage abzunehmen, jedoch lässt das EEG nur bei Anlagen bis 750 kWp auch den Eigenverbrauch zu. Für größere Anlagen im EEG, welche ihre Vergütungssätze über das Ausschreibungsverfahren der Bundesnetzagentur festlegen, ist dieser technisch und ökonomisch sinnvolle Nutzungspfad bis dato untersagt. Eine Größenbeschränkung, die unter Berücksichtigung der gesteckten Klimaziele Deutschlands hinterfragt werden muss.

Überdies wird der im Werk verbrauchte Strom mit der vollen EEG-Umlage belegt. Aktuellsten Entwicklungen der neuen Bundesregierung zufolge soll diese Umlage jedoch früher als geplant, zum 1. Juli 2022 abgeschafft werden, sodass der Betrieb von Anlagen zur Eigenstromversorgung auch unter dem Gesichtspunkt historisch hoher Börsenstrompreise deutlich an Relevanz gewinnen dürfte.
Abseits der in Dettelbach ans Netz gegangenen FPV-Anlage wurden bereits weitere FPV-Projekte in Deutschland umgesetzt. Hierzu zählen unter anderem die im Jahr 2019 in Renchen (Baden-Württemberg) mit 749 kWp und 2020 in Leimersheim (Rheinland-Pfalz) mit etwa 1,5 MWp durch die Erdgas Südwest GmbH installierten Anlagen. 2020 sind die FPV-Anlagen der Pfalzsolar GmbH in Nobitz (Thüringen) und Rheinland Solar GmbH in Kooperation mit der Hülskens-Gruppe in Weeze (Nordrhein-Westfalen) mit einer installierten Leistung von ebenfalls je 749 kWp ans Netz gegangen. Alle wurden auf Baggerseen für den Sand- und Kiesabbau errichtet.

Öffentlich-rechtliche Rahmenbedingungen

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Ebenso wie an Land stellt sich im ersten Schritt die Frage, ob für FPV-Anlagen ein Bebauungsplan und/oder eine Baugenehmigung bei der zuständigen Gemeinde erwirkt werden muss. Maßgeblich für den Bau ist das Wasserhaushaltsgesetz (WHG). Es besagt, dass der Bau von PV auf Stillgewässern für die Gewässerbenutzung eine Erlaubnis oder Bewilligung bedarf. So führt der § 36 WHG aus, dass „Anlagen in, über und unter oberirdischen Gewässern so zu errichten, zu betreiben, zu unterhalten und stillzulegen sind, dass keine schädlichen Gewässerverunreinigungen zu erwarten sind […]“. Darüber hinaus gelten die landesrechtlichen Vorschriften.

Des Weiteren sollten Belange des Bundesnaturschutzgesetzes (BNatSchG) vor dem Bau einer FPV-Anlage geprüft werden. Aus Gründen des Artenschutzes gilt es zu prüfen, ob durch Anlage und Betrieb eine Störung von Vogelarten oder eine Beschädigung von Fortpflanzungs- oder Ruhestätten eintreten kann. Ebenso gilt es, die Eingriffsregelung gemäß § 15 BNatSchG zu beachten, welche besagt, dass Eingriffe in den Naturhaushalt zu vermeiden oder zu kompensieren sind.

In Deutschland gelten keine gesonderten Förderbedingungen für FPV-Anlagen. Bis dato muss die Anlagenplanung mit den aktuellen EEG-Förderbestimmungen kalkuliert werden, wobei bei Anlagen über 750 kWp der Eigenverbrauch untersagt ist (siehe Tabelle). Einmalig zum 1. April 2022 findet als Teil der Innovationsausschreibung der Bundesnetzagentur die Ausschreibungsrunde für besondere Solaranlagen statt. Diese gilt nur für Agri-, Floating- und Carport-PV-Anlagen mit zulässigen Gebotsgrößen von 100 kWp bis 2 MWp. Alternativ und somit ohne EEG-Vergütung ließe sich zum Beispiel auch mit Power-Purchase-Agreements (PPA) oder sogenannten Direktvermarktungsverträgen wirtschaften.

Welche Potenziale hat Floating-PV?

Die weltweiten Potenziale der FPV sind groß. So lag die installierte Leistung Anfang 2022 bei schätzungsweise 5,2 GWp. Laut des Floating Solar Market Reports liegt das globale Potenzial bei schätzungsweise 400 GWp. Das Fraunhofer ISE kommt in einer Analyse zu dem Ergebnis, dass allein auf den 500 deutschen Tagebauseen ein technisch nutzbares Installationspotenzial der FPV von 56 GWp besteht. Daraus ergibt sich bei einer ökologisch und ökonomisch sinnvollen Belegung von fünf Prozent der Seeflächen ein erschließbares Potenzial von knapp 3 GWp in Deutschland. Weitere künstliche Seen wurden dabei noch nicht betrachtet.

Allerdings machen die heutigen Tagebauseen nur etwa zwölf Prozent der künstlichen Gewässer (Bagger- oder Kiesseen) aus. Eine einfache Hochrechnung mit der fünfprozentigen Belegung würde ein Potenzial von über 20 GWp für Deutschland bedeuten. Auf diese Weise könnte ein Teil des notwendigen Photovoltaik-Zubaus ohne Flächenverluste bewerkstelligt werden.