Schwimmende Photovoltaikanlage Leimersheim

Schwim­mende Photo­voltaik: Rekord­anlage in Leimers­heim

Erdgas Südwest errichtet auf dem Baggersee eines Kieswerks in Leimersheim Deutschlands größte schwimmende PV-Anlage. 3.800 Solarmodule werden dann Strom direkt für das Kieswerk erzeugen und zwar in erheblichen Umfang: mehr als 10 Mio km könnte ein durchschnittliches Elektroauto damit zurücklegen. Hier alle Infos.

Auf Baggerseen schwimmende Photovoltaik-Anlagen haben viele Vorteile und können einen bedeutenden Beitrag zur Stromversorgung leisten. Das hat Erdgas Südwest mit der 750 kWpeak-Anlage auf einem Baggerssee in Renchen bereits nachgewiesen. Die Anlage ging im Sommer 2019 in Betrieb und hat seitdem mit 860 MWh mehr Strom erzeugt als ursprünglich geplant. Diesen Erfolg setzt Erdgas Südwest nun mit einem neuen Projekt in Leimersheim (Rheinland-Pfalz) fort. Dort entsteht ebenfalls an einem Kieswerk eine im Ergebnis doppelt so große Anlage wie in Renchen, allerdings wegen des EEG in zwei Inbetriebnahmephasen. Wir haben uns dazu mit Projektleiter Peer Köster sowie der stellvertretenden Projektleiterin Melanie Gimmy unterhalten, und präsentieren an dieser Stelle umfassende Details zum derzeit größten schwimmenden Photovoltaikvorhaben Deutschlands.

Die Lage: Der Baggersee eines Kieswerks in Leimersheim (Rheinland-Pfalz)

Am Standort in Leimersheim, etwa 2 km vom Rhein entfernt, befindet sich das Sand- und Kieswerk Pfadt GmbH. In zwei durch einen Fahrdamm getrennten, künstlichen Seen werden mineralische Rohstoffe ausgebaggert und vor Ort aufbereitet. Die südliche Wasserfläche hat eine Größe von insgesamt 17 Hektar. Das Wasser ist hier bis zu 20 Meter tief.

Die Seen sind rein rechtlich aufgeteilt in Gewässerflächen und Tagebauflächen. Die Gewässer an sich sind für die Öffentlichkeit gesperrt, es herrscht Badeverbot. Sie beinhalten außerdem keine schutzwürdigen Biotope. Nur nördlich und südlich des Sees befinden sich Gebiete, die im offiziellen Verzeichnis des Landes Rheinland-Pfalz mit derartigen Flächen (Biotopkataster) aufgeführt sind. Die PV-Anlage befindet sich also weder in einem Biotop, noch berührt sie solche.

Satellitenaufnahme des Kieswerks Pfadt in Leimersheim mit den beiden durch einen begehbaren Damm getrennten Seen (Foto: Google Earth)

Die Schwimmkonstruktion: Zwei Fußballfelder aus Schwimmkörpern

Die PV-Module schwimmen auf dem Baggersee mithilfe einer Konstruktion aus einzelnen  im Verbund angeordneten Schwimmkörpern. Die Elemente an sich sind hohl, flach und etwa 25 cm hoch. Sie sinken ca. 10 cm ins Wasser ein, wenn sie die Solarmodule tragen.

Das größere Element, der so genannte Hauptschwimmkörper, trägt jeweils ein PV-Modul, das in geringer Höhe mit einer Aluminiumkonstruktion aufgeständert ist und in einem Winkel von 12 Grad nach Süden blickt. Zur Verbindung der Hauptschwimmkörper kommt ein kleinerer Hilfschwimmkörper zum Einsatz. Dieser dient zukünftig auch als Wartungssteg. Dadurch entsteht eine Konstruktion mit langen Reihen, die dann verbunden eine gitterartige Gesamtkonstruktion ergeben. Die einzelnen Elemente sind fest miteinander verbunden. Die Gesamtkonstruktion ist aber aber so flexibel, dass sie sich den Wasserbewegungen anpassen kann. Die Konstruktion kann auch jederzeit für Wartungszwecke betreten werden – nasse Füße ausgeschlossen.

Die Schwimmkörper bestehen aus dem Kunststoff HDPE. Dieser hat viele Vorteile und ist für diesen Zweck hervorragend geeignet. Hier die wichtigsten Eigenschaften:

  • Temperaturbeständigkeit, Dauergebrauchstemperatur von -50 °C bis +70 °C
  • hohe Zähigkeit, Steifigkeit (auch bei Minusgraden)
  • gute Gleiteigenschaften
  • sehr geringe Wasseraufnahme (< 0,01 %), Material quillt nicht
  • antiadhäsive Eigenschaften, kein Verkrusten der Oberflächen
  • gute Spannungsrissbeständigkeit, hohe Reißdehnung
  • verschleißhemmend, hohe Korrosionsbeständigkeit
  • sehr gute chemische Beständigkeit gegen Salze, Salzlösungen, Säuren, Alkohol, Alkalien, Öl, Fett, Wachs und viele Lösungsmittel
  • sehr guter elektrischer Isolator
  • Lebensmittelzulässigkeit, lebensmittelecht, physiologisch unbedenklich
  • UV-beständig gegen Versprödung

Die Elemente sind wie alle Kunststoffe recyclebar.

Insgesamt wird die Konstruktion aus Pontons und PV-Modulen eine Fläche von 1,4 ha umfassen, was etwa zwei normalen Fußballfeldern entspricht. Damit beansprucht die PV-Anlage 8 % der Wasseroberfläche.

Weitere Informationen zu unseren schwimmende Photovoltaik-Projekten sowie den Kontakt zum Expertenteam finden Sie hier.

Die Befestigung: 66 Betonquader auf dem Seegrund

Da eine Verankerung am Ufer aus verschiedenen Gründen nicht möglich ist, wird die Schwimmkonstruktion am Seegrund verankert. Dazu werden 66 Betonfundamente versenkt. Es handelt sich um Kuben mit einer Kantenlänge von 1,5 Meter. Gewicht je Element: 5 Tonnen. An dem Betonquader befindet sich jeweils zunächst ein Stahlseil, das dann in ein Polyesterseil und zuletzt in eine Stahlkette übergeht, die mit den Schwimmkörpern verbunden wird. Die durch die Tiefe des Sees vorgegebene Länge der Verankerungsseile erlaubt eine gewisse Schwankungsbreite in der Horizontalen. Das bedeutet, dass die Schwimmkonstruktion nicht an einem bestimmten Fleck punktgenau fixiert ist, sondern sich innerhalb eines begrenzten Raums auf dem Wasser bewegt.

Die Solarmodule: 3.800 Module

Bei dem Projekt in Leimersheim werden insgesamt 3.800 Solarmodule auf der schwimmenden Pontonkonstruktion installiert. Jedes Modul ist 2 Meter breit sowie 1 Meter tief und liefert eine Leistung von 395 Wpeak. Insgesamt verfügt die Anlage also über eine Leistung von knapp 1,5 MWpeak, wobei es zwei Ausbaustufen gibt. Eine Anlage mit 750 kWpeak geht im Herbst 2020 ans Netz, die zweite Anlage im Herbst 2021. Dieses Vorgehen ist durch die Vorschriften des Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) vorgezeichnet. Denn nur Anlagen, die kleiner als 750 kWpeak sind, können ohne Ausschreibung errichtet werden.

Porträtfoto Melanie Gimmy Erdgas Südwest
Melanie Gimmy, stv. Projektleiterin

„Aufgrund der politischen Rahmenbedingungen müssen wir die PV-Anlagen einzeln betrachten, um eine Zusammenlegung der Anlagen im Sinne des EEG zu vermeiden. Deswegen müssen wir die Inbetriebnahme zweiteilen“, erklärt Melanie Gimmy. „Aus unserer Sicht besteht hier dringender Handlungsbedarf seitens der Politik, denn es zählt jeder Tag, der mit Erneuerbarer Energie bestritten wird.“

Die Verkabelung: 144 Leitungen

Die Solarmodule werden nicht alle zusammengeschaltet, sondern sind in so genannten Strängen (strings) gruppiert. Jeweils 26 Module bilden einen string. Der in einem String erzeugte Strom wird über jeweils ein Kabel an Land geleitet. Insgesamt ist die schwimmende PV-Anlage also durch 144 einadrige Kabel mit dem Ufer verbunden. Bei den verwendeten Leitungen wird darauf geachtet, dass sie die entsprechenden elektrischen und mechanischen Prüfungen (z.B. Wärmedruck-, Kälteschlag-, Schrumpf-, Brand-, Isolationsdurchdringungs-, Ozon- und UV-Beständigkeitsprüfungen) vorweisen können. Die Kabel werden auf Schwimmkörpern zum Ufer geführt. Dort geht es unterirdisch weiter zu den Wechselrichtern.

Per Köster Erdgas Südwest
Peer Köster, Projektleiter

„Man könnte die Anlandführung  auch mit weniger Kabeln durchführen,“ erläutert Peer Köster. „Wir haben uns allerdings für einzelne Kabel entschieden, weil man dann jeden einzelnen String isoliert überwachen kann. Damit lassen sich Ausfälle und Fehler schneller eingrenzen.“ Denn die Technik hintereinander geschalteter PV-Module hat den Nachteil, dass das schwächste Glied der Kette die Leistung der gesamten Einheit bestimmt. Wenn also durch einen technischen Defekt, durch Verschmutzung oder Verschattung ein Modul weniger leistet, werden auch die anderen Module dieser Reihe in der Leistung gemindert.

Mit einer leistungsmindernden Verschattung ist allerdings angesichts des Abstands von 90 Metern zum baumbestandenen Ufer nicht zu rechnen. 

Die Wechselrichter: 12 Wechselrichter machen aus Gleichstrom den netzkompatiblen Wechselstrom

Am Ufer wird der erzeugte Sonnenstrom zunächst in Wechselrichter geführt. Diese 12 Wechselrichter wandeln den von den PV-Anlagen kommenden Gleichstrom in Wechselstrom um, wie er im Stromnetz benötigt wird. Für die Wechselrichter wird am Ufer eine einfache Konstruktion errichtet, die eine hängende Befestigung ermöglicht. Außerdem schützt ein Dach gegen Witterungseinflüsse. Die im Betrieb entstehende Wärme wird durch die Umgebungsluft gekühlt.

Der Netzanschluss: Trafo- und Übergabestation

Die Wechselrichter können nur eine geringe Spannung erzeugen. Um die Spannung auf die Netzspannung von 20 kV anzuheben, wird ein Transformator (Spannungsumwandler) benötigt. Der in den Wechselrichtern zu Wechselstrom umgewandelte Gleichstrom fließt darum in eine Trafo- und Übergabestation, das Bindestück zwischen dem öffentlichen Stromnetz und der PV-Anlage. Eine wichtige Komponente in der Trafo- und Übergabestation ist der installierte Leistungsschalter, der die Anlage für Wartungs- und Instandhaltungszwecke vom übrigen Netz trennen kann.

An der Übergabestation wird der Strom entweder gleich in das Kieswerk geleitet oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Gemäß der aktuellen Planung wird das Kieswerk seinen Strombedarf etwa zu 40 % mit dem auf dem Baggersee erzeugten Strom decken können. 

Die Montage: An Land zusammenbauen, dann zu Wasser lassen

Die Montage der Schwimmkörper und die Installation der PV-Module darauf erfolgt an Land, am Ufer des Sees entsteht dafür eine entsprechende Fläche. Abschnitt für Abschnitt wird dann auf das Wasser gezogen und mit den Verankerungselementen verbunden. Insgesamt benötigen die ein Dutzend Monteure ca. 5  Wochen für die Montage.

Montage der schwimmenden PV-Anlage in Leimersheim. Das 3. Segment wird herangeführt.

Die Wartung: Ab und zu putzen

Die Anlage wird permanent überwacht, sodass Leistungsminderungen oder Schäden schnell erkannt werden können. Für das Begehen der Anlage sind gesonderte Zwischenstege vorgesehen, die sich immer zwischen vier Reihen von Solarmodulen befinden. Dadurch können Wartungs- oder Reinigungsarbeiten einfach und ohne Risiko durchgeführt werden. Bei der Reinigung der Glasflächen wird hauptsächlich die Verschmutzung durch Staub entfernt und ist alle paar Monate vorgesehen. Eine Verschmutzung durch Vogelkot ist nicht zu erwarten. „Bei unserer ersten schwimmenden PV-Anlage in Renchen ist die Verschmutzung durch Vogelkot kein Problem,“ berichtet Melanie Gimmy. „Offenbar sind die Flächen zu glatt für Vögel wie z.B. Kanada-Gänse und sie lassen sich dort nicht nieder.“

Die Sicherheit: Sichere Kabel und Künstliche Intelligenz

Da es sich um eine genehmigungspflichtige elektrische Anlage handelt, gelten die für die Baugenehmigung erforderlichen Sicherheitsbestimmungen. Darüber hinaus kommen hier noch weitere Sicherheitselemente hinzu: Sämtliche elektrische Anlagen werden in der erforderlichen Isolationsschutzklasse ausgeführt und sind über dem Wasserspiegel angeordnet. Die Schwimmkörper sind nicht elektrisch leitend. Durch die Geometrie der Schwimmkörper liegen die Kabelverbindungen bei ordnungsgemäßem Betrieb ca. 50 cm über dem Wasser, wobei ein Eintauchen der Kabel in das Wasser aufgrund der Isolationsschutzklasse unproblematisch ist.

Außerdem wird die Anlage durch eine spezielle Sicherheitseinrichtung auf unbefugtes Betreten zum Beispiel durch Schwimmer überwacht. Das EnBW-Unternehmen SafePlaces hat eine Technologie entwickelt, die Aufnahmen der installierten Überwachungskameras automatisiert und anonymisiert auswertet. Künstliche Intelligenz erkennt auch durch Schwimmer verursachte Bewegungsmuster: Sollte sich ein Schwimmer der Anlage nähern, löst das System eine Warnmeldung aus und beschallt den See durch Lautsprecherdurchsagen mit entsprechenden Warnhinweisen.

Die Umwelt: Keine Auswirkungen auf Flora und Fauna

Schwimmende PV-Anlagen unterliegen einer Reihe gesetzlicher Auflagen, die im Rahmen eines Genehmigungsverfahren für einen Bebauungsplan geprüft werden. Eine Umweltverträglichkeitsprüfung ist nach deutschem Recht für Solaranlagen nicht verpflichtend. Trotzdem bleibt festzuhalten, dass von der Anlage keinerlei Emissionen in Form von Lärm, Abwasser, Gasen, Abfallmaterialien oder Abwärme in die Umgebung ausgehen. Da die Anlage nicht in einem zu schützenden Biotop errichtet wird oder ein solches tangiert, steht einer Genehmigung wegen des Artenschutzes nichts entgegen. Trotzdem wurden im Laufe der Planung der Anlage umfangreiche Umweltgutachten erstellt. Die Fische in dem See wurden gezählt, ebenso die in direkter Umgebung befindlichen Vögel. Bezüglich der Vögel gab es eine einzige Auflage: Während der Brutzeit im Frühjahr/Sommer durften keine Bauarbeiten stattfinden. Deswegen wurde die Montagephase in den Herbst gelegt. Entsprechende wasserrechtliche Genehmigungen liegen vor.

Insgesamt sind sich Gutachter und Aufsichtsbehörden einig, dass von der Anlage nur minimal Auswirkungen auf die Umwelt ausgehen. Und selbst diese fallen fast ausschließlich in die anfängliche Bauphase. Einmal errichtet, stellt eine schwimmende PV-Anlage keinerlei Belastung für die Umwelt dar.

Das Ergebnis: Strom für 400 Familien

Anhand der technischen Eckdaten und der Erfahrungswerte mit Solaranlagen generell lässt sich die voraussichtlich mit dieser schwimmenden Photovoltaik-Anlage erzeugbare Strommenge gut abschätzen. 

Wie ausgeführt, besteht der Photovoltaik-Park in Leimersheim aus zwei Anlagen, die jeweils über eine maximale Leistung von 750 kWpeak verfügen. Aus dieser maximalen Gesamtleistung ergibt sich ein voraussichtlicher Stromertrag von 1,6 GWh pro Jahr. Dieser Wert ist etwas abstrakt, deshalb hier ein paar Vergleichszahlen. 

  • 1,6 GWh = 1.600.000 kWh
  • Jahresstromverbrauch einer 4-köpfigen Familie = 4.000 kWh
  • Anzahl der Familien, die mit der Anlage komplett versorgt werden könnten: 400
  • ⍉ Verbrauch Elektroauto: 15 kWh/100km
  • Anzahl der Kilometer, die man mit dem in Leimersheim erzeugten Strom mit einem durchschnittlichen Elektroauto pro Jahr zurücklegen könnte: 10,6 Millionen

Bei der Erzeugung schneiden schwimmende PV-Anlagen generell etwas besser ab als normale Dachanlagen, aktuell geht man von 2 bis 3 % aus. Dies ist bereits bei der ersten von Erdgas Südwest projektierten Anlage in Renchen festzustellen. Dort wurde das geplante Ergebnis übertroffen. Zum Teil ist das dem überdurchschnittlich guten Wetter im beobachteten Zeitraum zuzuschreiben, aber es wirken offenbar auch andere Einflüsse. 

Solarmodule liefern die höchste Leistung bei Umgebungstemperaturen von um die 20 Grad. Das ist physikalisch bedingt. Deswegen erzeugen Solaranlagen im Hochsommer auf Grund der vielen Sonnenstunden zwar insgesamt mehr Strom, erreichen aber in der Mittagshitze nicht ihre maximale Leistung. Es ist schlicht zu warm.

Auf einem Gewässer hingegen entsteht durch die relativ konstante Temperatur des Wassers – im Sommer kühler als die Umgebung, im Winter wärmer – ein positiver Effekt auf die Solarmodule. Melanie Gimmy: „Wir schätzen, dass dieser Effekt die Menge des erzeugten Stroms um 2 bis 3 % erhöht im Vergleich zu Dachanlagen. Allerdings sind die Erfahrungswerte noch zu gering; wir werden das erst in der Zukunft genauer feststellen können.“ 


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