Orangen, Weizen, Bohnen, Oliven – damit Obst, Getreide oder Hülsenfrüchte auch in heißen und trockenen Gebieten wachsen, müssen sie regelmäßig bewässert werden. Das Wasser dafür stammt häufig aus tiefen Brunnen. In Ägypten setzen viele Bauern bislang Dieselgeneratoren ein, um ihr Land zu bewässern. Ein Modellprojekt im oberägyptischen Wadi El Natrun zeigt, dass es auch anders geht.

Ein Photovoltaik Inselsystem sorgt hier für die Bewässerung eines Weizenfelds. Den Strom liefern konzentrierende Photovoltaik Module (CPV), die wegen ihres höheren Wirkungsgrades und ihrer besonderen Bauweise wesentlich weniger Fläche einnehmen als konventionelle Photovoltaik Module: Fresnel-Linsen bündeln die Sonnenstrahlen auf stecknadelkopfgroße Mehrfachsolarzellen.

Für eine optimale Ausbeute des Sonnenlichts folgen die beweglich auf einem Standbein befestigten CPV-Zellen dem Sonnenstand mit Hilfe eines Tracking-Motors. Sie liefern zum einen den Strom für eine Tauchpumpe, die das Wasser aus einem rund 35 Meter tiefen Brunnen fördert, für die Bewässerungspumpen sowie für eine kleine Entsalzungseinheit, die den Trinkwasserbedarf der Farmer deckt. Zum anderen versorgen die CPV-Zellen die Tracker der Photovoltaik Module, das Überwachungs- und Steuerungssystem und eine Klimaanlage, die den Technikraum der Anlage kühlt.

Um das Gesamtsystem möglichst kostengünstig zu gestalten, haben die Entwickler auf teure Batterien zum Zwischenspeichern des Solarstroms weitestgehend verzichtet. „Wo es kein öffentliches Stromnetz gibt, arbeiten Photovoltaik Anlagen aufgrund ihrer niedrigen Betriebskosten heute wirtschaftlich. Problematisch sind nur die hohen Investitionskosten am Anfang, an denen die Batterien einen erheblichen Anteil haben“, erklärt Jakob Wachtel vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg. „Indem wir den größten Teil der erzeugten Energie direkt nutzen, können wir teure Speicherkapazitäten einsparen“, ergänzt sein Kollege Alexander Schies.

Ein ausgeklügeltes Energie-Management überwacht die Erzeugung des Stroms und sorgt dafür, dass er immer sofort dahin fließt, wo er gerade gebraucht wird: Zur Tauchpumpe, um das Wasserreservoir aufzufüllen, zur Bewässerungspumpe, wenn es Zeit ist, das Feld zu bewässern oder zur Entsalzungseinheit. Lediglich für den Betrieb der CPV-Tracker und des Messsystems speichern die Entwickler einen Teil des Sonnenstroms in einer relativ kleinen Batterie zwischen. 

„Diese Reserve brauchen wir vor allem, um die CPV-Module morgens in Position zu fahren“, erläutert Jakob Wachtel. Anders als konventionelle Silizium-Solarmodule liefern konzentrierende Photovoltaik Systeme nur dann Strom wenn sie exakt nach dem Sonnenstand ausgerichtet sind.

Alle Komponenten der Bewässerungsanlage sind mit Mikrocontrollern ausgestattet, über die sie ihre Zustandsdaten an das Energie-Management-System übermitteln und von diesem gesteuert werden können. Die Form der Kommunikation beschreibt das am Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme ISE entwickelte Universal Energy Supply Protocol (UESP), das speziell auf diese Art des Energie- und Lastenmanagements ausgelegt ist. UESP wird derzeit als Anwendungsprofil für netzunabhängige Energieversorgungssysteme in das CANopen-Protokoll CiA454 der CiA (CAN in Automation) Organisation integriert. CANopen ist in der Automatisierungstechnik weit verbreitet und hat sich auch als Standard zum Steuern elektrischer Geräte etabliert. 

„Alle Systeme, die mit solchen Protokollen arbeiten, lassen sich jederzeit mit Geräten erweitern, die CANopen oder UESP „verstehen“ – völlig unabhängig vom Hersteller. Dies ist praktisch, wenn ein defektes Bauteil ersetzt werden muss“, betont Alexander Schies. Auch dies trägt dazu bei, Kosten zu sparen. Gleichzeitig vereinfacht es Erhalt und Ausbau des CPV-Inselsystems.

Quelle: Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme ISE