Kurzfassung
Photovoltaikanlagen etablieren sich weltweit zunehmend als Schlüsselquelle erneuerbarer Energie. Solarenergie ist nicht nur wirtschaftlich attraktiv, sondern erfährt auch breite Akzeptanz in der Bevölkerung, was ihr ein globales Expansionspotenzial für die kommenden Jahre sichert. Diese Expansion geht jedoch mit der Nutzung größerer Landflächen einher, was zu einer Konkurrenz mit landwirtschaftlichen Bedarfen führt. In diesem Kontext bieten Agri-Photovoltaik (Agri-PV)-Anlagen eine Lösung, indem sie Land sowohl für landwirtschaftliche Zwecke als auch zeitgleich für die Solarenergieerzeugung nutzen.
Trotz ihrer Vorteile sind Photovoltaik-Freifeldanlagen (PV-FFA) anfällig für direkte Blitzeinschläge und Überspannungen, was zu Störungen und Schäden führen kann. Diese Herausforderungen bedeuten höhere Wartungskosten und längere Amortisationszeiten. Da PV-Anlagen integraler Bestandteil des Stromversorgungssystems sind, ist es entscheidend, die Voraussetzungen für einen stabilen Netzbetrieb und die Vermeidung von Versorgungsunterbrechungen zu gewährleisten.
Diese Forschung zielt daher darauf ab, einen Beitrag zur Verbesserung des Blitz- und Überspannungsschutzes von PV-Freifeldanlagen zu leisten, einschließlich im Kontext der Agri-PV. Die Häufigkeit und Parameter von Blitzeinschlägen in PV-FFA werden untersucht. Die Entwicklung von Blitzentladungen über PV-FFA wird analysiert. Die Ausbreitung von Blitzimpulsströmen und Blitzstoßspannungen in der Erdungsanlage wird bewertet. Auf Grundlage dieser Analysen werden Empfehlungen zur Optimierung des äußeren Blitzschutzes, insbesondere im Hinblick auf die Erdungsanlage, sowie zur Effizienz und Verwendung von Überspannungsschutzgerä- ten entwickelt. Darüber hinaus werden Vorschläge zur Optimierung des Erdungssystems zum Personen- und Tierschutz, insbesondere bei Agri-PV-Anlagen, erarbeitet.
Stichworte – erneuerbare Energien, PV-Freiflächenanlagen, Agri-PV, Blitzschutz, Überspannungsschutz, Erdungsanlage.
Themenwahl
Photovoltaik-Freifeldanlagen (PV-FFA) zeichnen sich durch installierte Leistungen im MWp-Bereich aus und befinden sich häufig auf weitläufigen Flächen, die frei von Bäumen und höheren Strukturen sind. Diese exponierte Lage macht sie besonders anfällig für Blitzeinschläge. Als integraler Bestandteil eines stabilen Stromversorgungssystems müssen PV-Anlagen nicht nur zuverlässig betrieben werden, sondern auch Schutzmaßnahmen gegen Blitzeinschläge erfüllen, um Betriebsunterbrechungen und wirtschaftliche Verluste zu vermeiden. Angesichts der hohen Investitionskosten und einer geplanten Mindestnutzungsdauer von 20 Jahren ist die Implementierung eines umfassenden Blitzschutzsystems essenziell. Dabei müssen alle Komponenten – von der Anordnung der Fangeinrichtungen und der Dimensionierung der Erdungsanlage bis hin zum Blitzschutz-Potenzialausgleich – optimal aufeinander abgestimmt sein. Letzteres kann entweder durch leitende Verbindungen oder den gezielten Einsatz von Überspannungsschutzgeräten erfolgen.
Der rasche Ausbau von PV-Kraftwerken hat die Entwicklung innovativer Blitzschutzsysteme notwendig gemacht, um die Anlagen effektiv vor den schädlichen Auswirkungen von Blitzeinschlägen zu schützen. Solche Systeme sichern nicht nur die PV-Module vor direkten Einschlägen, sondern gewährleisten auch die sichere Ableitung der energiereichen Blitzimpulse in die Erde. Dadurch wird das Risiko von Schäden an elektrischen Komponenten minimiert, während die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der PV-Infrastruktur erhöht werden. Traditionell werden Blitzschutzsysteme auf Grundlage konservativer Designs entwickelt, was häufig zu einem übermäßigen Einsatz von leitfähigen Materialien wie Kupfer, Edelstahl oder anderen metallischen Legierungen führt. Zwar wird dadurch ein hoher Sicherheitsstandard erreicht, jedoch stehen solche Ansätze im Widerspruch zu modernen Anforderungen an Kostenoptimierung, Ressourceneffizienz und der zunehmenden Bedeutung von Umwelt, Soziales und Unternehmensführung (Environmental Social Governance, ESG) in der technischen Praxis.
Dieses Promotionsvorhaben befasst sich mit der Verbesserung des äußeren Blitzschutzes von großen PV-FFA, einschließlich Agri-PV-Anlagen. Mit diesem Promotionsprojekt soll die folgende Forschungsfrage beantwortet werden:
„Wie kann das äußere Blitzschutzsystem von großen PV-FFA und Agri-PV-Anlagen optimiert werden, um den Materialeinsatz zu minimieren und gleichzeitig die Zuverlässigkeit und Sicherheit dieser Anlagen zu gewährleisten?“
Die Struktur des Forschungsvorhabens umfasst zwei Schwerpunkte:
Forschungshypothesen
Aus der Fragestellung ergeben sich folgende Hypothesen:
Forschungsinnovation und Umweltrelevanz
Die innovative Zielsetzung des Projekts besteht darin, traditionelle Blitzschutzsysteme zu optimieren und an die spezifischen Anforderungen von Agri-PV-Anlagen anzupassen. Ziel ist es, Nachhaltigkeit, Ressourceneffizienz und technische Sicherheit zu vereinen. Dies schließt Folgendes ein:
Der Ausbau erneuerbarer Energien ist eine der zentralen Strategien, um dem Klimawandel entgegenzuwirken. Die Verbesserung der Zuverlässigkeit von Photovoltaikanlagen durch optimierte Blitzschutzsysteme trägt dazu bei, die Effizienz und Lebensdauer dieser Anlagen zu erhöhen. Darüber hinaus unterstützt das Projekt die Entwicklung ressourcenschonender Lösungen, indem der Materialeinsatz reduziert und die Umweltbelastung durch die Verwendung nachhaltiger Materialien minimiert wird. Dies ist ein bedeutender Schritt in Richtung einer ökologisch und wirtschaftlich nachhaltigen Energieversorgung.