Photovoltaik auf Freiflächen: der Leitfaden für große Solarprojekte

Im Gegensatz zu Aufdachanlagen für Wohn- und Gewerbegebäude, die primär den lokalen Eigenverbrauch decken, übernehmen Photovoltaik-Freilandanlagen oder Freiflächenanlagen eher die Rolle konventioneller Kraftwerke.

Ihr Ziel ist es, eine saubere, zuverlässige und leistungsstarke Alternative zu fossilen Brennstoffen bereitzustellen – und zwar für ganze Regionen oder Versorgungsgebiete. Die englische Bezeichnung „Utility Scale Solar“ wird daher manchmal auch mit „Solaranlagen im Versorgungsmaßstab“ übersetzt.

Zu den wesentlichen Merkmalen solch groß angelegter PV-Freiflächenanlagen zählen ein gewisser Flächenbedarf, hohe Erzeugungskapazitäten und die Anbindung an das Verteil- oder das Übertragungsnetz.

Ein Beispiel: Der Energiepark Witznitz in Sachsen, Deutschlands derzeit größter Solarpark, erstreckt sich über 500 Hektar auf einem ehemaligen Braunkohletagebau und erzeugt mit 650 Megawatt genug Strom für etwa 200.000 Haushalte.

Zum Vergleich: Die Topaz Solar Farm in Kalifornien, eine der größten aktiven Solaranlagen in den USA, nimmt rund 1.900 Hektar ein und erzeugt über 550 Megawatt – genug, um etwa 160.000 kalifornische Haushalte zu versorgen. Das Mammoth-Solar-Projekt in Indiana wird nach Fertigstellung die größte Freiflächen-Solaranlage der westlichen Hemisphäre sein – mit einer Fläche von 5.260 Hektar und einer Kapazität zur Versorgung von 250.000 Haushalten.

Witznitz, die Topaz Solar Farm und das Mammoth-Solar-Projekt sind Beispiele für PV-Freiflächen im größten Maßstab. Größe und Kapazität können jedoch sehr unterschiedlich ausfallen. In Deutschland beginnt Photovoltaik auf Freiflächen üblicherweise mit einer Mindestkapazität von 1 MW (Megawatt).

Projekte wie Witznitz mit über 500 MW Kapazität erhalten in der Regel viel mediale Aufmerksamkeit. Es gibt aber auch immer mehr internationale Großkraftwerke, die sogar ein Gigawatt deutlich überschreiten (wie der Golmud Solar Park in China mit einer Gesamtkapazität von 2,8 GW). Die meisten der über 6.700 Freiflächen-Solaranlagen in den USA fallen in einen moderateren Bereich von 1 bis 20 MW.

In Deutschland sind derzeit knapp 20.000 PV-Freiflächenanlagen mit einer Gesamtkapazität von fast 33 GW in Betrieb. Die durchschnittliche Anlagengröße liegt bei etwa 1,5 bis 2 MW, wobei größere Solarparks mit 20 MW oder mehr keine Seltenheit sind. Freiflächen-Photovoltaik macht damit rund ein Drittel der gesamten installierten PV-Leistung in Deutschland aus.

Das Verhältnis von Flächenbedarf zu Stromertrag hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter Moduleffizienz, Topografie und Montagesystem. In Deutschland liegt der Flächenbedarf für neuere PV-Freiflächenanlagen bei unter 1 Hektar pro MW – ein deutlicher Fortschritt gegenüber älteren Anlagen, die noch etwa 4 Hektar pro MW benötigten. Bis 2030 wird eine weitere Steigerung der Flächeneffizienz auf etwa 0,75 ha/MW erwartet.

Dementsprechend können auf einer Fläche von 10 Hektar heute Anlagen mit einer Kapazität von 10 MW oder mehr realisiert werden. Eine 100-MW-Freiflächenanlage würde etwa 80 bis 100 Hektar beanspruchen.

PV-Freiflächenanlagen können in verschiedenen Umgebungen und Nutzungsformen realisiert werden. Während bodengebundene Solarparks nach wie vor die Norm darstellen, hat sich die Branche weiterentwickelt und umfasst verschiedene Solaranlagentypen – darunter schwimmende Systeme und Doppelnutzungskonzepte, die eine optimale Umweltintegration ermöglichen.

Die größte schwimmende Solaranlage Deutschlands entsteht auf der Cottbuser Ostsee in Brandenburg. Mit einer Leistung von 29 MWpeak und rund 51.000 Solarmodulen auf 16 Hektar Wasserfläche wird sie zu den größten Floating-PV-Anlagen in Europa gehören.

Die größte schwimmende Solaranlage in den USA ist derzeit das 8,9-MW-Projekt am Canoe Brook Reservoir in Short Hills, New Jersey. Zur Einordnung: 29 MWpeak entsprechen ungefähr 1,8 MW/ha – Landsysteme produzieren im Vergleich dazu nur 1 MW/ha.

Durch ihre vertikale Ausrichtung sind sie besonders effizient bei niedrigem Sonnenstand am Morgen und Abend und haben weniger Probleme mit Schneebedeckung oder Verschmutzung als horizontale Anlagen.

Freiflächen-PV im Versorgungsmaßstab definieren sich eher durch ihre Rolle im Energiesystem und weniger durch einen einheitlichen Kapazitäts- oder Größenschwellenwert. Dennoch gibt es mehrere allgemeine Kriterien, die Freiflächen-Projekte auf industriellem Niveau von gewerblichen oder dezentralen Solaranlagen unterscheiden.

Diese Anforderungen stellen sicher, dass die Anlage effektiv arbeiten kann, ohne die Netzstabilität zu beeinträchtigen.

Die Teil-Privilegierung von Freiflächenanlagen entlang von Autobahnen und Schienenwegen (§ 35 BauGB) erleichtert das Genehmigungsverfahren erheblich. Die zentrale planungsrechtliche Voraussetzung ist jedoch der Bebauungsplan, den die Gemeinde aufstellt.

Im Rahmen des Bebauungsplanverfahrens werden auch Umweltprüfungen durchgeführt und die Öffentlichkeit beteiligt. Die Zustimmung der Gemeinde und die Akzeptanz der lokalen Bevölkerung sind oft entscheidende Faktoren für den Projekterfolg. 

Um die Wirtschaftlichkeit von PV-Freiflächenanlagen zu bewerten, müssen sowohl die anfänglichen Investitionskosten als auch die laufenden Betriebsausgaben einbezogen werden. Zusammen bestimmen sie die Stromgestehungskosten (Gesamtkosten über die Lebensdauer geteilt durch die Energieproduktion) und die langfristige Projektrendite.

Kosten von Freiflächen-Photovoltaik pro kWh

Photovoltaik auf Freiflächen gehört in Deutschland zu den kostengünstigsten Quellen für neue Stromerzeugung. Laut einer Studie des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) liegen die Stromgestehungskosten für neue PV-Freiflächenanlagen bei 4,1 bis 6,9 Cent pro kWh (Kilowattstunde) – und damit deutlich unter den Kosten konventioneller Kraftwerke.

Im Vergleich dazu arbeiten Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerke (GuD) mit Stromgestehungskosten von 10,9 bis 18,1 Cent pro kWh, flexible Gaskraftwerke sogar mit 15,4 bis 32,6 Cent pro kWh. Das Wertversprechen großflächiger Solarenergie ist damit offensichtlich. Bis 2045 wird ein weiteres Absinken der Stromgestehungskosten für neue Freiflächenanlagen auf 3,1 bis 5,0 Cent pro kWh erwartet.

Infolge der niedrigen Modulpreise können sich PV-Freiflächenanlagen inzwischen auch ohne EEG-Förderung rechnen. Die Betreiber:innen von PPA-Anlagen (Power Purchase Agreement) verkaufen ihren Strom direkt an Stromversorger, Direktvermarkter oder Unternehmen – ein Modell, das zunehmend an Bedeutung gewinnt.

Allerdings bringt hohes PV-Einspeisevolumen auch ein Preisrisiko mit sich, da Photovoltaikanlagen durch ihre gleichzeitige Produktion die Strompreise zu sonnigen Mittagszeiten stark nach unten drücken.

Der Stromgestehungspreis profitiert also weiterhin von sinkenden Hardwarekosten sowie relativ niedrigen Betriebs- und Wartungskosten im Vergleich zu anderen Alternativen. Ein optimierter Standort und ein durchdachtes Anlagendesign spielen jedoch eine wesentliche Rolle beim Stromgestehungspreis, daher können die Renditen von Projekt zu Projekt erheblich variieren.

Investitionskosten (CAPEX)

Zu den wichtigsten Vorabkosten für eine Freiflächen-Solaranlage gehören Flächensicherung (in Deutschland meist durch Pacht), Solarinfrastruktur, Installation und Bau sowie Netzanschluss. Die spezifischen Investitionskosten lagen vor nicht allzu langer Zeit bei etwa 750 bis 840 EUR pro kWp (Kilowatt-Peak) und sind mittlerweile aufgrund des Preisverfalls bei Modulen oft schon für unter 600 EUR pro kWp realisierbar, abhängig von der Anlagengröße. Größere Projekte profitieren von Skaleneffekten.

Die Kostenstruktur hat sich in den letzten Jahren deutlich verändert: Während PV-Module vor zehn Jahren noch 80–90 % der Gesamtkosten ausmachten, ist ihr Anteil heute auf unter 20 % gesunken. Der Anteil der Wechselrichter liegt bei etwa 5–10 %. Der sinkende Preis von Solarmodulen – insbesondere seit 2023 mit zweistelligen Rückgängen – war ein wesentlicher Treiber für die Gesamtkostenreduzierung.

Die Installationskosten (Montage der Module, Bauarbeiten für die Unterkonstruktion, elektrische Verkabelung) machen etwa 15–25 % der CAPEX aus, abhängig von Projektgröße und lokalen Gegebenheiten.

Die Kosten für Netzanschluss und Infrastruktur können je nach Region erheblich variieren. In Gebieten mit einem überlasteten Netz oder bei großer Entfernung zum nächsten Einspeisepunkt können beispielsweise die Netzanschlusskosten einen erheblichen Anteil der Gesamtinvestition ausmachen bzw.

Projekte sogar unwirtschaftlich machen. Typischerweise liegen sie bei 5–10 % der gesamten CAPEX. Die Dauer der Netzanschlussprüfung und die physischen Kapazitätsgrenzen stellen sich jedoch häufiger als problematisch heraus als die Kosten.

Hinzu kommen die Kosten der Netzbaumaßnahmen, die der Projektträger selbst finanzieren muss.: Nach § 16 EEG trägt der Anlagenbetreiber die Kosten für den direkten Netzanschluss seiner Anlage sowie die notwendigen Messeinrichtungen. Der Netzbetreiber übernimmt hingegen nach § 17 EEG die Kosten des eigentlichen Netzausbaus, jedoch nur, wenn dieser wirtschaftlich zumutbar ist. Als wirtschaftlich unzumutbar gelten Netzausbaukosten dann, wenn sie sich auf mehr als 25 Prozent der PV-Anlagenkosten belaufen.

Betriebskosten (OPEX)

Im Vergleich zu anderen Formen der Stromerzeugung bietet Photovoltaik relativ niedrige Betriebskosten (OPEX), da keine beweglichen Teile vorhanden sind und keine Brennstoffkosten anfallen. Die jährlichen Betriebskosten einer PV-Freiflächenanlage liegen in Deutschland üblicherweise bei 1–2 % der ursprünglichen Investitionssumme bzw. bei etwa 10–12 EUR pro kWp und Jahr. Die wichtigsten Kostenpositionen umfassen technische und kaufmännische Betriebsführung, Wartung und Monitoring, Versicherung sowie Grünpflege.

Die Entwicklung eines Freiflächen-Solarprojekts ist ein komplexer, mehrstufiger Prozess, der von der frühen Machbarkeitsprüfung und Genehmigung über die Finanzierung und den Bau bis zum netzgekoppelten Betrieb reicht.

Entwicklungsphasen einer PV-Freiflächenanlage

Um eine Freiflächen-Solaranlage vom Konzept bis zum Betrieb zu führen, durchläuft das Projekt mehrere zentrale Entwicklungsphasen.

Der Leitfaden zur Errichtung einer Solaranlage liefert weitere Informationen.

Wichtige Beteiligte bei Freiflächen-Solarprojekten

An der Entwicklung von Photovoltaik auf Freiflächen sind zahlreiche Organisationen, Unternehmen und Personen beteiligt.

Sie kommen insbesondere für nicht-EEG-finanzierte oder sehr große Projekte infrage. PPA-Verträge sind entscheidend für Einnahmensicherheit und langfristige Tragfähigkeit. Das Preisrisiko aufgrund hoher PV-Einspeisung sollte jedoch während der Standortwahl untersucht und geklärt werden.

Typischerweise unterzeichnen die Vertragsparteien, sobald die Projektmachbarkeit nachgewiesen ist, aber bevor der Hauptbau beginnt, um den Finanzierungsabschluss zu unterstützen.

Wer eine Solaranlage auf dem Feld oder einer anderen Freifläche bauen will, muss einiges bedenken.

Systemkomponenten einer Freiflächen-Photovoltaikanlage

Eine PV-Anlage erfasst Sonnenlicht und wandelt es in Energie um, die dann ins Stromnetz fließt. Dafür sind verschiedenste Komponenten notwendig.

PV-Module, montiert auf Festaufständerungen oder Nachführsystemen, fangen die Sonne ein, um Gleichstrom zu erzeugen. Dieser fließt durch verschiedene Konfigurationen, die Sammelboxen mit Zentralwechselrichtern, Stringwechselrichtern oder anderen Wechselrichtern umfassen können. Aus Gleichstrom wird Wechselstrom, den das übergeordnete Netz nutzen kann.

Vor-Ort-Umspannwerke, Schutzrelais, Aufspanntransformatoren und andere Netzanschlusseinrichtungen gewährleisten die Einhaltung der Netzbetreiberstandards für Stromqualität, Zuverlässigkeit und Sicherheit, bevor der Strom dorthin geleitet wird, wo er benötigt wird.

Im Hintergrund sorgen vernetzte Überwachungs- und Steuerungssysteme – einschließlich Wetterstationen, Leistungsmonitoren und SCADA-Systemen (Supervisory Control and Data Acquisition) – dafür, dass die Energieerzeugung optimal läuft.

Planungsüberlegungen für den Standort

Bei der Planung eines Standorts für Photovoltaik auf Freiflächen sind mehrere Faktoren zu berücksichtigen. Zu den wichtigsten gehören:

1. Flächenanalyse: Die Flächenanalyse bewertet die topographischen, geologischen und rechtlichen Gegebenheiten des Standorts. Dazu gehören etwa die Vermessung der Geländeform und -neigung sowie die Bestimmung der Bodenbeschaffenheit und Tragfähigkeit.

2. Fundamentanalyse: Eine Fundamentanalyse bestimmt präzise Rammstandorte und -tiefen basierend auf geotechnischen Daten und trägt so zur sicheren Tragwerksplanung bei.

3. Geländeanpassung und Tiefbauarbeiten: Um kostspielige Erdarbeiten zu minimieren und die Flächennutzung zu maximieren, muss die Anlage optimal an das Gelände angepasst werden.

4. Optimales Layout und Abstände: Ob bei fest installierten oder nachgeführten Solarmodulen – entscheidend ist die Anordnung der Panels, damit sie die maximale Sonneneinstrahlung erhalten. Gleichzeitig muss für einen angemessenen Wartungszugang gesorgt werden.

5. Verschattungs- und Ertragsmodellierung: Die Verschattungsanalyse identifiziert zeitabhängige Schattenwürfe durch umliegende Objekte wie Bäume, Gebäude oder Geländeerhebungen. Die Ertragsmodellierung kombiniert Verschattungsdaten mit lokalen Wetterdaten, Modulspezifikationen und Anlagenkonfiguration, um präzise Energieerträge zu prognostizieren.

6. Umweltrisiken-Bewertung: Die Analyse umfasst standortspezifische Naturgefahren, u. a. Überschwemmungen, Waldbrände, Stürme und Hagel. Diese daraus erfolgende Risikobewertung fließt sowohl in die Anlagenplanung als auch in die Versicherungskalkulationen ein und bestimmt mögliche Schutzmaßnahmen wie Brandschneisen oder Entwässerungssysteme.

7. Minderung von Umweltauswirkungen: Überlegungen können Wildtierpufferzonen, Erosionsschutz und Regenwassermanagement umfassen, mit dem Ziel, eine möglichst störungsfreie Beziehung zwischen PV-Anlage und Land zu fördern.

8. Netzintegration: Vor dem Abschluss der Standortplanung ist es wichtig, die spezifischen Anforderungen und Kapazitäten des lokalen Netzes zu verstehen.

Zukünftige Erweiterungsmöglichkeiten: Platz für zusätzliche Module oder Speicherkapazität wird oft im Voraus eingeplant, um eine kosteneffiziente spätere Erweiterung zu ermöglichen.

Die Kosteneffizienz ist nicht der einzige Vorteil von Photovoltaik. Die Technologie punktet ebenso in Sachen Wirtschaft, Umwelt und Energiesicherheit.

Wirtschaftliche Vorteile und Arbeitsplatzschaffung

Im Jahr 2023 waren in der deutschen Solarenergiebranche rund 104.500 Menschen beschäftigt, was einem neuen Höchststand entspricht und etwa ein Viertel aller Arbeitsplätze in der Erneuerbare-Energien-Branche in Deutschland ausmacht. Die Solarenergie bietet damit deutlich mehr Arbeitsplätze als die fossile Stromerzeugung, deren Anteil an der Gesamtbeschäftigung weiter sinkt.

Die Photovoltaikbranche erzielte 2024 einen Umsatz von rund 2,2 Milliarden EUR. Der Beitrag der erneuerbaren Energien zum Bruttoinlandsprodukt ist erheblich, wobei Solarenergie die regionale Wertschöpfung und Innovation besonders vorantreibt.

Umweltauswirkungen und CO2-Reduktion

Freiflächen-Photovoltaik trägt in erheblichem Umfang zur Minderung der Treibhausgasemissionen bei, da sie fossile Stromerzeugung verdrängt. Ein Beispiel: Eine 100-MW-Freiflächenanlage mit einem Kapazitätsfaktor von 13 % erzeugt jährlich rund 114 GWh (Gigawattstunden) und spart dabei – je nach angenommenem Emissionsfaktor für den deutschen Strommix (aktuell ca. 0,37 kg CO2 pro kWh) – etwa 41.400 Tonnen CO2 pro Jahr ein.

Diversifizierte Energiesicherheit

Der Ausbau von Solarkapazitäten reduziert die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und deren schwankenden Preisen und stärkt die Netzresilienz. Jüngste globale wirtschaftliche Entwicklungen haben die Bedeutung der Entwicklung selbsttragender Energielandschaften nur unterstrichen.

Im Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) 2023 ist ein Ausbauziel von 215 GW für Photovoltaik bis 2030 verankert. Die Hälfte davon ließe sich durch Photovoltaik auf Freiflächen erreichen – damit wären gerade einmal 0,5 % der Bundesfläche von Freiflächen-PV eingenommen.

Skalierbarkeit und Effizienzvorteile

Freiflächen-Projekte profitieren von Skaleneffekten, hocheffizienten Designs und wettbewerbsfähigen Preisen, die weiter sinken.

Wie bei jedem Projekt gibt es auch bei Solar-Freiflächenanlagen einige Herausforderungen.

Technologische Fortschritte setzen kontinuierlich neue Maßstäbe für die Leistung und Effizienz von Freiflächen-Photovoltaik. Tandemzellen der nächsten Generation, die mehrere Zellschichten kombinieren, sollen Wirkungsgrade von 33 % und mehr erreichen und damit beispiellose neue Standards setzen.

Der Trend zur integrierten Energiespeicherung wandelt sich ebenfalls von einem Nice-to-have zu einem Kerndesignelement. PV-Speichersysteme werden unverzichtbar, um das Überangebot in sonnenreichen Zeiten zu bewältigen – lange ein großer Nachteil von Freiflächen-Photovoltaik.

Gleichzeitig senken Digitalisierung und Netzintelligenz in Form von fortschrittlichen SCADA-Systemen, KI-basierter Prognose und vorausschauender Wartung die Betriebs- und Wartungskosten und optimieren die Verfügbarkeit.

Das Ergebnis ist eine neue Generation von Freiflächen-Solarprojekten, die intelligenter, flexibler und besser auf die Bedürfnisse des Energiesystems abgestimmt sind.

Marktwachstumsprognosen und Chancen

• Die Internationale Energieagentur (IEA) erwartet, dass sich bis 2030 die weltweit installierte Kapazität sowohl von Freiflächen- als auch dezentralen Photovoltaik-Systemen von ca. 917 GW auf ca. 3.467 GW nahezu vervierfachen könnte (was 80 % des Wachstums der erneuerbaren Energiekapazität ausmacht).

• In Deutschland führt insbesondere Bayern die nationale PV-Wachstumskurve an: Das Bundesland machte 2024 mit einem Zubau von rund 3,9 GW etwa 23 % der in Deutschland neu installierten Solarkapazität aus.

• Das Renewable Energy Policy Network (IRENA) schätzt, dass Photovoltaik weltweit bis 2030 Investitionen in der Größenordnung von 1,5 Billionen USD pro Jahr erfordern wird, um die Ziele zur Verdreifachung der sauberen Stromkapazität zu erreichen. PV ist die einzige große Technologie, die auf dem Weg ist, Investitionen in dieser Größenordnung zu erhalten.

• Eine Marktgrößenprognose von Verified Market Research beziffert den globalen Markt für Freiflächen-Photovoltaik auf 66,04 Milliarden USD im Jahr 2023 mit einer prognostizierten Steigerung auf 94,03 Milliarden USD bis 2030, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von etwa 6,3 % entspricht.

Diese Prognosen verdeutlichen sowohl das Ausmaß der Chancen als auch die Dringlichkeit der Umsetzung. Für Entwickler:innen, Investor:innen und EPC-Unternehmen unterstreichen diese Zahlen die Tatsache, dass Solarenergie (und insbesondere großflächige PV-Projekte) nicht nur ein Nischenwachstumssegment ist, sondern ein industrieller Wandel im Energiesektor.

PVcase optimiert die Entwicklung von Freiflächen-Photovoltaik mit ganzheitlich integrierten Design-, Optimierungs- und Kollaborationstools, die darauf ausgelegt sind, Projektzeiten zu verkürzen und den Ertrag zu maximieren.

Fazit: Die Zukunft der Freiflächen-Photovoltaik

Photovoltaik auf Freiflächen entwickelt sich rasant zu einer unverzichtbaren Säule moderner Energieinfrastrukturen. Sie wird eine entscheidende Rolle bei der Dekarbonisierung und langfristigen Energiesicherheit für die kommenden Jahre spielen. 

Mit beschleunigten technologischen Verbesserungen, tieferer Speicherintegration, intelligenteren digitalen Tools und wachsender globaler Akzeptanz ist Solarenergie ideal positioniert, um sauberen, zuverlässigen und zunehmend kosteneffizienten Strom in großem Maßstab zu liefern.

Die heute gebauten Projekte sind effizienter, netzreaktiver und finanziell widerstandsfähiger als noch vor wenigen Jahren – und dieser Trend wird sich fortsetzen.

Jetzt müssen Energieversorger, Entwicklungsorgane, politische Entscheidungsinstanzen und regionale und lokale Interessenvertretungen zusammenarbeiten, um noch bessere technische und regulatorische Voraussetzungen zu schaffen und die Umsetzung zu beschleunigen – für eine saubere Energiezukunft.