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Konzentrator-Photovoltaik in den USA: Weltweit größtes CPV-Kraftwerk Alamosa setzt neue Maßstäbe

Foto: Amonix
Foto: Amonix

Der Westen des Bundesstaates Colorado beziehungsweise die Prärie des San Luis Valley ist Standort eines der bislang ehrgeizigsten Solarkraftwerks-Projekte der Welt. Aus dem wuchernden Gras ragt ein Feld von 15 mal 21 Meter großen konzentrierenden Photovoltaik-Modulen  heraus, die auf Hunderten von Metallpfosten angebracht sind. 

Dies ist das Alamosa Solar-Projekt von Cogentrix, das weltweit größte Kraftwerk mit Konzentrator-Photovoltaik (CPV). Der Solarserver präsentiert das CPV-Kraftwerk mit einer Nennleistung von 30 Megawatt (MW) als Solaranlage des Monats November 2012.

 

Das San Luis Valley

Um das Projekt zu verstehen, ist zunächst ein Blick auf den Standort nötig. Das warme, trockene Klima schränkt die landwirtschaftliche Nutzung des Tals ein. Angebaut werden überwiegend Luzernen, Kartoffeln, Salat und Gerste. Auch Viehzucht wird betrieben.   

Luzernen-Feld im Sun Luis Valley, in dem  der Wasserverbrauch begrenzt wird.
Luzernen-Feld im Sun Luis Valley, in dem der Wasserverbrauch begrenzt wird.

Doch die Landwirtschaft hat es in dem Tal schwer. “Weil der Wasserverbrauch begrenzt wird, entwickelt sich das San Luis Valley weg von einer überwiegend landwirtschaftlichen Nutzung”, erläutert Jef Freeman, Projektentwickler bei Cogentrix Energy.  

Angesichts des äußerst trockenen Klimas und der Höhenlage eignet sich das Land ideal für eine andere Form der Ernte. Freeman betont die hervorragende Sonneneinstrahlung, durch die sich das Gebiet optimal für konzentrierende Photovoltaik eignet. Diese braucht nicht nur viel Sonne, sondern auch direktes und ungefiltertes Licht, die so genannte Direktnormalstrahlung (DNI).

Cogentrix ist nicht das erste Unternehmen, dem dies aufgefallen ist. 2007 hat SunEdison ein Photovoltaik-Kraftwerk mit 8,2 Megawatt (MW) Nennleistung nahe der Stadt Mosca (Colorado) errichtet, die damals größte Solarstromanlage der USA. Und auch der Anteil der privaten Photovoltaik-Nutzung gehörte zu den höchsten des Landes.

Sonnenlicht einfangen

Das Alamosa-Kraftwerk besteht aus 3.528 “Mega-Modulen” von Amonix mit der Typenbezeichnung 7700-60 beziehungsweise 7700-63. Sie sind auf 504 zweiachsigen Nachführsystemen befestigt.

Die CPV-Technologie von Amonix basiert auf Stapelsolarzellen. Bild: Amonix
Die CPV-Technologie von Amonix basiert auf Stapelsolarzellen. Bild: Amonix

Jedes Amonix-Modul nutzt mehr als 1.000 Acryl-Fresnellinsen um das Sonnenlicht 500-fach auf kleine Stapelsolarzellen zu bündeln. Mit diesen Zellen erreicht Amonix einen Modul-Wirkungsgrad von 31 Prozent. Das sind  etwa 10 Prozent mehr, als die meisten Photovoltaik-Module ohne Konzentrierung erreichen.

CPV-Hersteller und -Entwickler wie Amonix betonen, diese Technologie sorge für niedrigere Stromgestehungskosten als konventionelle Photovoltaik-Technologie. Genau wie solarthermische Kraftwerke benötigen CPV-Anlagen dafür jedoch spezielle Lichtverhältnisse sowie Nachführsysteme.

Die Solar-Tracker der Alamosa-Anlage folgen den ganzen Tag der Bewegung der Sonne. Dafür nutzen sie ein Hydraulik-System von Hawe, das durch ein speziell eingestelltes Kontrollsystem betrieben wird. Jeder Tracker hat eine CPV-Kapazität von 60 Kilowatt (kW) und ist an einen Solectria-Wechselrichter mit 30 MW Nennleistung angeschlossen.

Alamosa ist fast viermal so groß, wie die zweitgrößte CPV-Anlage der Welt, der Navarra Solar Park in Spanien mit 7,8 MW Nennleistung. Mit Alamosa ist die CPV-Technologie im großen Maßstab angekommen.

Der Geschäftsabschluss

Das Kraftwerk ist das Ergebnis einer Ausschreibung, die Xcel Energys Tochterunternehmen Public Service Company of Colorado Anfang 2009 gestartet hat, und soll dazu beitragen, dass Colorado sein ehrgeiziges Ziel erreicht, dass private Stromversorger 30 Prozent des Bedarfs aus erneuerbaren Energiequellen decken.

Neben dem Verkauf des Solarstroms an Xcel hatte Cogentrix weitere Hürden zu meistern. CPV-Technologie verbraucht zwar weniger Wasser als die Landwirtschaft, doch auch die Projektentwickler mussten sich Wassernutzungsrechte sichern.

Vor Baubeginn mussten mehrere Hürden genommen werden. Zu klären waren die Wassernutzungsrechte, die Höhe der Anlage sowie ihre Finanzierung. Foto: Amonix
Vor Baubeginn mussten mehrere Hürden genommen werden. Zu klären waren die Wassernutzungsrechte, die Höhe der Anlage sowie ihre Finanzierung. Foto: Amonix

“Für das Projekt waren spezielle Vorgaben des Bundesstaates Colorado und des Bezirks Alamosa County zu erfüllen”, erinnert sich Cogentrix-Vizepräsident Freeman. “Beispielsweise arbeitete das Team eng mit dem örtlichen Landschaftsschutz zusammen, um ein Programm zur Nutzung des Grundwassersystems im San Luis Valley zu entwickeln.”

Auch die Größe der Photovoltaik-Anlage war problematisch, da sie die Höhenbegrenzung von 15 Metern überschritt. Freeman erklärt, die Projektentwickler hätten eine Ausnahmeregelung der Bezirksverwaltung erhalten.

Die Finanzierung

Die schwerste Hürde war jedoch die Finanzierung, wobei kein Vorteil war, dass Alamosa das erste CPV-Kraftwerk in  dieser Größenordnung ist.

“Da dies das erste Projekt seiner Art war, konnten wir die Finanzierung nicht auf herkömmliche Weise sichern”, sagt Freeman. “Normalerweise verlangen Kreditinstitute die Ertragswerte für mindestens zwei Betriebsjahre, um das Risikoprofil der jeweiligen Anlage zu erstellen, bevor sie den Entwicklern ein Angebot zur Finanzierung machen.”

Letztlich konnte Cogentrix einen Kredit der Federal Finance Bank sichern, für den das US-Energieministerium bürgte.

 

Die Zukunft gestalten

Um die Fristen einzuhalten, begannen Cogentrix sowie die Partner Stantec und Mortenson im April 2011 mit den Bauarbeiten. Während das Unternehmen noch auf die Kreditzusage des Energieministeriums wartete, finanzierte Cogentrix die Arbeiten zunächst aus eigenen Mitteln. Vizepräsident Freeman betont ausdrücklich, dass die Größe des Kraftwerks und sein Innovationsgrad auch Herausforderungen mit sich brachten.

Jef Freeman, Cogentrix-Vizepräsident für Projektentwicklung erklärt, die größte Herausforderung beim Bau des Kraftwerks sei seine bislang beispiellose Größe gewesen. Foto: Amonix
Jef Freeman, Cogentrix-Vizepräsident für Projektentwicklung erklärt, die größte Herausforderung beim Bau des Kraftwerks sei seine bislang beispiellose Größe gewesen. Foto: Amonix

“Mit Projekten wie dem Alamosa-Solarkraftwerk gehen natürlich stets Schwierigkeiten bei der Ausrüstungsbeschaffung, beim Bau und beim Betrieb einher”, sagte Freeman. “All diese Schwierigkeiten wurden während der Bauarbeiten oder der Inbetriebnahme von Alamosa Solar deutlich.”

Freeman erklärt, die größte Herausforderung sei die Kraftwerksgröße gewesen, insbesondere die 15 x 21 Meter großen Komponenten. Außerdem mussten 45 Kilometer Kabel auf dem Kraftwerksgelände verlegt werden, sowie weitere 84 Kilometer unterirdische Stromkabel, um den Solarstrom zur 115 kV-Hochspannungsleitung zu transportieren.

 

Wetterfestes Solarkraftwerk, beständig gegen Eis und Wind

Trotz der üppigen Sonneneinstrahlung seien mit dem Standort des Kraftwerks auch Herausforderungen verbunden, ergänzt Freeman.

“Aufgrund des bergigen Gebietes mussten die Planer extreme Temperaturschwankungen von -43 bis +35 Grad Celsius in die Überlegungen einbeziehen, sowie eine Frostgrenze 107 Zentimeter unter dem Kraftwerksgrundstück, einen relativ hohen Wasserspiegel - und auch das Vorkommen von Nagetieren”, so Freeman. “Daher mussten wir Materialien und Ausrüstung verwenden, die auch den extremen Bedingungen standhalten.”

Auch starken Wind mussten die Entwickler berücksichtigen. Daher wurde jedes Nachführsystem mit einem eigenen Windstärkemessgerät ausgestattet. Falls die Windgeschwindigkeit 45 km/h überschreitet, nehmen die Systeme eine flache Position mit der Zellfläche nach oben ein. Ein zentrales Kontrollsystem bringt das komplette Feld bei Windgeschwindigkeiten von mehr als 48 km/h in eine sichere Position.

 

Inbetriebnahme

Cogentrix hat das Kraftwerk in nur zwölf Monaten fertig gestellt. Foto: Amonix
Cogentrix hat das Kraftwerk in nur zwölf Monaten fertig gestellt. Foto: Amonix

Im April 2012 nahm Cogentrix das Alamosa-Solarkraftwerk nach einer Bauzeit von etwa zwölf Monaten in Betrieb. Diesen Erfolg schreibt Freeman den Mitarbeitern von drei Unternehmen zu: “Zur erfolgreichen Fertigstellung brauchten wir Personal mit Kompetenz in Planung, Bau, Betrieb und Verwaltung”, sagte Freeman.  

Die Kombination aus Planungsexpertise seitens Cogentrix und Stantec sowie Baukompetenz von Morteson habe dazu geführt, dass das Team alle Schwierigkeiten bei der Errichtung überwunden und das Kraftwerk rechtzeitig fertig gestellt hat. Für Freeman hat das Kraftwerk Beispielcharakter, da es in vielerlei Hinsicht neue Maßstäbe gesetzt habe.

“Für eine konventionelle Finanzierung und das dafür verlangte Risikoprofil, benötigen Kreditinstitute Ertragsdaten”, erklärt Freeman. “Da das Alamosa-Solarkraftwerk nun in Betrieb ist, können wird diese Daten liefern.” Das Kraftwerk ist zu 98 Prozent verfügbar und erfüllt damit die mit Xcel Energy vereinbarten Auflagen.