Promotionsstipendium: Kamila Costa

Kurzfassung

Photovoltaikanlagen haben sich weltweit als zentrale Technologie der erneuerbaren Energienetabliert. Solarstrom ist wirtschaftlich attraktiv und gesellschaftlich breit akzeptiert, was einanhaltendes Wachstum begünstigt. Der starke Ausbau bringt jedoch neue Herausforderungenmit sich: Große Freiflächenanlagen beanspruchen zunehmend landwirtschaftliche Flächen undverschärfen Nutzungskonflikte. Agri-Photovoltaik (Agri-PV) bietet hierfür einen Lösungsansatz,indem landwirtschaftliche Produktion und Stromerzeugung auf derselben Fläche kombiniertwerden.

Photovoltaik-Freiflächenanlagen (PV-FFA) sind aufgrund ihrer exponierten Lage besondersblitzgefährdet. Erhöhte Aufstellungen und fehlender Bewuchs zur Vermeidung von Verschat-tung begünstigen direkte Blitzeinschläge sowie induzierte Überspannungen. Die Folgen sindAnlagenschäden, Betriebsunterbrechungen und erhöhte Wartungskosten, die die Wirtschaft-lichkeit und Versorgungssicherheit beeinträchtigen. Mit zunehmender Anlagengröße steigen dieAnforderungen an den Blitz- und Überspannungsschutz deutlich.

Der Blitzschutz umfasst zwei zentrale Maßnahmen: Der äußere Blitzschutz beinhaltet Ableitsys-teme (Fangeinrichtungen und Erdungsanlagen), über die Blitzeinschläge und Blitzströme gezieltabgeleitet werden. Der innere Blitzschutz (Überspannungsschutz) dient hingegen dazu, leitungs-gebundene und induzierte Spannungserhöhungen in den elektrischen Systemen zu begrenzen.Aktuelle Normen berücksichtigen die spezifischen Anforderungen großer PV-FFAs jedoch nurunzureichend, insbesondere hinsichtlich der Ausbreitung von Blitzströmen in Ableitsystemenund der daraus resultierenden Überspannungen. In der Praxis werden äußere Blitzschutzsystemezudem häufig aus Kostengründen unterdimensioniert.

Ziel dieser Doktorarbeit ist es, den Blitz- und Überspannungsschutz von PV-FFA gezieltweiterzuentwickeln und zu optimieren. Der Schwerpunkt liegt auf Agri-PV-Anlagen, für diebislang keine spezifischen Blitzschutzkonzepte existieren. Die Arbeit verbindet wissenschaftlicheGrundlagen mit praxisnahen Fragestellungen und berücksichtigt dabei Anforderungen anKostenoptimierung, Ressourceneffizienz sowie Umwelt-, Sozial- und Unternehmensaspekte(Environmental Social Governance – ESG).

Fragestellung und Forschungshypothesen

Ziel dieser Doktorarbeit ist die Beantwortung der folgenden Forschungsfrage:

„Wie kann das äußere Blitzschutzsystem großer PV-FFA und Agri-PV-Anlagen optimiertwerden, um den Materialeinsatz zu minimieren und gleichzeitig Zuverlässigkeit und Sicherheitzu gewährleisten?“

Die Doktorarbeit gliedert sich in zwei Schwerpunkte:

1. Häufigkeit und Stromstärke von Blitzeinschlägen – Verbesserung des Einfangens vonBlitzen
   • Auswertung von Blitzortungsdaten und Untersuchung der Auswirkungen großerPV-FFA auf die lokale Blitzaktivität vor und nach der Errichtung.
   • Erarbeitung effizienter Fangeinrichtungskonzepte, die eine gezielte Blitzableitunggewährleisten und gleichzeitig Material- und Installationsaufwand reduzieren.
2. Optimierung der Blitzschutzerdung hinsichtlich Blitzstromverteilung und Blitzüberspan-nungen
   • Optimierung der Erdungsanlage für große PV-FFA unter Berücksichtigung dereffektiven Fläche und Erdungsimpedanz.
   • Spezielle Aspekte des Blitzschutzes für Agri-PV-Anlagen, insbesondere der Schutzvon Personal und Nutztieren vor gefährlichen Berührungs- und Schrittspannungen.

Aus der Fragestellung ergeben sich folgende Hypothesen:

• Die Fangeinrichtung soll die örtliche Blitzaktivität berücksichtigen, einen geringen Mate-rialbedarf haben (um die praktische Umsetzung zu erleichtern), Verschattung vermeiden, das Übertreten von Blitzfußpunkten auf aktive Modulflächen verhindern, die Induktionvon Störgrößen im DC-System reduzieren und günstige Bedingungen für die Erdungsanlage schaffen. Wissenschaftlich fundierte Lösungen können durch die gezielte Ermittlung und Auswertung von Blitzdaten sowie die simulative Untersuchung von Fangeinrichtungs-konzepten an typischen PV-Modulreihen-Anordnungen erreicht werden.
• Die Erdungsanlage soll blitzstrombedingte Potentialanhebungen und induzierte Spannun-gen im DC-System gering halten, ebenfalls einen geringen Materialbedarf aufweisen, dieörtlichen Bodenverhältnisse berücksichtigen, geringe Berührungs- und Schrittspannungenfür Personal und Nutztiere (bei Agri-PV) ermöglichen und einen sicheren Betrieb übereinen langen Zeitraum ohne Gewittereinflüsse gewährleisten.

Forschungsinnovation und -relevanz

Diese Doktorarbeit zielt darauf ab, bestehende Blitzschutzkonzepte gezielt weiterzuentwickelnund an die Anforderungen großer PV-Anlagen sowie von Agri-PV-Systemen anzupassen. Dabeiwerden technische Sicherheit, Ressourceneffizienz und Nachhaltigkeit gemeinsam betrachtet.

Die Verbesserung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer von PV-FFA durch materialeffizienteBlitzschutzlösungen leistet einen wichtigen Beitrag zur Transformation des Energiesystems.Insbesondere für neue Nutzungskonzepte wie die Agri-PV trägt diese Arbeit zu einer ökologischund wirtschaftlich tragfähigen Energieversorgung und zu einer erhöhten gesellschaftlichenAkzeptanz bei.

Arbeitsprogramm

Die Doktorarbeit ist in vier aufeinander abgestimmte Arbeitspakete gegliedert. Da großskaligePV-Anlagen mit Blitzschutzsystemen nicht experimentell im Labor untersucht werden kön-nen, bilden analytische Berechnungen, Abschätzungen und modellbasierte Simulationen diewissenschaftliche Grundlage.

1. Analyse der Blitzaktivität: Aufbau und Analyse einer umfangreichen Datenbasis aktueller und historischer Blitzor-tungsdaten zur Untersuchung möglicher Zusammenhänge zwischen großflächigen PV-Anlagen.
2. Entwicklung effizienter Fangeinrichtungskonzepte: Simulation und Optimierung von Fangeinrichtungsanordnungen zur Verbesserung der Ein-fangwirksamkeit bei reduziertem Materialeinsatz. Untersuchung induzierter Spannungenin DC-Leitungen sowie windbedingter Blitzkanalverschiebungen.
3. Optimierung der Blitzschutzerdung: Auslegung der Erdungsanlage auf Basis der durch die Fangeinrichtungen definiertenBlitzstromeinspeisepunkte. Untersuchung der Blitzstromverteilung und Erdungsimpedanzunter Berücksichtigung der effektiven Fläche, transienter Effekte und unterschiedlicherErdungskonzepte.
4. Spezifische Aspekte von Agri-PV-Anlagen: Bewertung von Gefährdungsszenarien (Schritt- und Berührungsspannungen) für Men-schen, Nutztiere und Infrastruktur bei Blitzereignissen und Netzfehlern sowie Ableitungpraxisnaher Handlungsempfehlungen.