Simulationssoftware optimiert Solaranlagenplanung

06.08.2009 | Veröffentlicht in Ausgabe 07-2009 | Druckvorschau

Planungs- und Simulationsprogramme versprechen eine optimale Auslegung und Konfiguration von Systemen zur thermischen und photovoltaischen Sonnenenergienutzung. Was aktuelle Lösungen tatsächlich können und wo noch Entwicklungsbedarf besteht, untersucht dieser Artikel, der auch eine Produkt-/ Anbieterübersicht enthält.

Sonnenenergie ist populär und liegt im Trend. Doch wie bei anderen regenerativen Energiesystemen auch, ist das, was bei Solaranlagen „hinten“ herauskommt, nicht konstant. Da die Energiequelle Sonne jahreszeitlichen und wetterbedingten Veränderungen unterliegt, liefern photovoltaische und solarthermische Anlagen Strom und Wärme - übers Jahr betrachtet - in unterschiedlicher Menge. Zu den variablen Größen zählen die Globalstrahlung der Sonne in Abhängigkeit von Tages- und Jahreszeit, die Bewölkung, vegetationsbedingte Verschattung, die Lufttemperatur oder Windgeschwindigkeit und andere Faktoren. Da auch der Energiebedarf periodischen Veränderungen unterliegt, müssen Solarsysteme so ausgelegt werden, dass sie diesen wechselnden Rahmenbedingungen sowie den Anforderungen an den Ertrag, die Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit genügen.

Zudem sind Solaranlagen komplexe Systeme, deren Funktionstüchtigkeit zahlreiche Faktoren beeinflussen. Konventionelle Auslegungsmethoden und Rechenverfahren geraten da schnell an ihre Grenzen. Deshalb stehen Anlagenplanern seit einigen Jahren Auslegungs- und Simulationsprogramme zur Seite.

Was leistet Solarsoftware?

Neben Antworten auf Grundsatzfragen wie „Welche Ausrichtung und Neigung der Solarmodule ist optimal? Welche Kollektorfläche und Speichergröße ist erforderlich? Wie groß sind die Ertragseinbußen, wenn ein Baum Schatten wirft?“ bietet Software für die Anlagenplanung und -simulation auch Hilfe bei Detailproblemen. Dazu werden Solaranlagen-Komponenten mit Hilfe mathematischer Modelle rechnerintern abgebildet, so dass diese einem virtuellen „Härtetest“ unterzogen und in technischer Hinsicht optimiert werden können. Gegenüber der statischen Planung hat eine dynamische Simulation den Vorteil, dass einzelne Komponenten, wie etwa die Speichergröße oder Kollektorfläche variiert und so die Wechselwirkungen auf das Gesamtsystem sowie den Ertrag berücksichtigt werden. Das Ergebnis ist im besten Fall eine technisch optimierte Solaranlage mit präzise aufeinander abgestimmten Komponenten. Auch eine gewisse wirtschaftliche Entscheidungssicherheit kann Solarsoftware bieten: Wann sich eine Solaranlage „rechnet“, hängt nämlich von einigen Unwägbarkeiten ab, wie etwa der Entwicklung von Öl-, Gas- und Strompreisen. Entsprechende Investitionen sind folglich nicht ohne Risiken. Eine Simulation des Ertrags im frühen Projektstadium kann dazu beitragen, diese zu minimieren, Bauherren oder Investoren zu überzeugen und so Projekte überhaupt erst möglich zu machen. Neben der Auslegung und Optimierung können Allround-Programme auch bei der nachträglichen Analyse bestehender Anlagen, der Akquisition, Schulung oder Entwicklung gute Dienste leisten. Die wichtigsten Einsatzbereiche im Einzelnen:

Auslegungshilfe

Für erste Überlegungen in früher Projektphase genügen auch „Online-Auslegungshilfen“ (siehe Info-Kasten). Sie leiten den Anwender Schritt für Schritt durch die Anlagendefinition und Parameterauswahl, erläutern die Abfragen in Wort und Bild, machen den Vorgang damit auch für Einsteiger verständlich und nachvollziehbar. Stehen mehrere Varianten zur Auswahl, können diese schnell durchgerechnet werden, um die unter energetischen oder ökonomischen Gesichtspunkten beste Lösung zu bestimmen. Zwar genügen für die Grobauslegung von Standardanlagen auch diese einfachen Werkzeuge, wie sie vielfach online kostenfrei zur Verfügung stehen. Weichen Anlagen jedoch vom Standard ab, lassen sich die Auswirkungen nur mit Programmen ermitteln, die detaillierte technische Parameter berücksichtigen.

Ertragsrechnung

Zu den wichtigsten Funktionen von Solarsoftware gehört eine Prognose über den zu erwartenden Ertrag. Zwar verfügen deshalb alle Lösungen über eine entsprechende Funktion, jedoch ist die Qualität und Präzision der Aussagen unterschiedlich. Solar-Simulationsprogramme ermitteln wichtige Werte in Zeitschritten, d.h. sie berechnen die Anlagenzustände und Energiesummen in Zeitabständen von Stunden oder gar Minuten. Je genauer Rahmendaten wie Globalstrahlung, Lufttemperatur, Windgeschwindigkeit, Verschattung oder Verbrauchswerte und deren zeitliche „Auflösung“ berücksichtigt werden, desto präziser und aussagekräftiger sind die Ergebnisse. Man erhält damit auch einen Überblick über die in den einzelnen Komponenten auftretenden Verluste und ist in der Lage, seine Planung besser einzuschätzen.

Optimierung

Wer Solaranlagen schon auf dem Reißbrett optimiert, spart Investitionskosten. So kann bei einem erwarteten solaren Ertrag die Größe der Kollektorfläche bereits durch die Ermittlung des besten Standorts, Neigungswinkels und der Ausrichtung gegenüber einer „Standardauslegung“ um 10-20 Prozent und mehr verkleinert werden. Ob bei der Suche nach der optimalen Aufstellung oder der Auswahl der richtigen Kollektor-, Akku- bzw. Speichergröße - alle Programme helfen bei der Optimierung. Ebenso wie die Gesamtanlage lassen sich auch einzelne Komponenten optimieren.

Wirtschaftlichkeit

Neben einer einwandfreien technischen Funktion und dem kalkulierten Ertrag, interessiert Bauherren/Investoren auch die Wirtschaftlichkeit einer Anlage. Zu den Einflussgrößen zählen die Investitionskosten, Zinsen, Betriebskosten, die Steuerersparnis, der Standort, der Anlagenwirkungsgrad etc. Entsprechende Funktionen bieten alle Photovoltaik-Lösungen, aber nur einige Programme für solarthermische Anlagen. Im Hinblick auf die Akquisition sollte auch der Planer daran interessiert sein, die Finanzvorteile eines Projektes attraktiv „rüberzubringen“. Übersichtliche Diagramme zur Finanzierung, zu den laufenden Kosten, Amortisationszeiten, Vergütungen etc. sorgen für Transparenz und belegen, dass Solaranlagen in wenigen Jahren Gewinn abwerfen.

Analyse

Die Akzeptanz thermischer Solaranlagen hängt im hohen Maße von ihrer Zuverlässigkeit ab. Anlagen, die zwar funktionieren, aber nicht den gewünschten Ertrag liefern, können im Detail unter die Lupe genommen werden. Auf der Suche nach Schwachstellen in der Auslegung kommt man einer fehlerhaften Anlagendimensionierung oder einem mangelhaften Zusammenspiel einzelner Komponenten schnell auf die Spur. So lassen sich für die Überprüfung garantierter Erträge oder für Vergleiche von messtechnisch ermittelten und theoretisch möglichen Erträgen Messwerte wie Einstrahlung, Temperatur, Verbrauch einlesen. Darüber hinaus können die einzelnen Energieströme innerhalb der Anlage überprüft und Komponenten mit einer fehlerhaften Funktion identifiziert werden.

Akquisition: Einige Programme eignen sich aufgrund ihrer ansprechenden grafischen Oberfläche, einfachen Bedienung und attraktiven Ausgabe auch für Vorführungen beim Kunden. Grafisch aufbereitete Wirtschaftlichkeits- und Emissionsberechnungen liefern aussagekräftige Projektunterlagen, welche die Professionalität der Anlagenplanung unterstreichen können. Wer allerdings seinem Bauherren die gewählte Solaranlage auf „seinem“ Dach virtuell visualisieren will, für den bietet Solarsoftware bisher nur wenige ernst zu nehmende Lösungen.

Was kann Solarsoftware (noch) nicht?

Seit den ersten DOS-basierenden Lösungen Anfang der 90er-Jahre hat sich einiges getan im Bereich Solarsoftware. Doch es gibt noch Entwicklungsbedarf: So enthalten nahezu alle Programme - neben den rein technischen Berechnungen - noch kein überzeugendes Werkzeug, mit der man Bauherren/Investoren vorher anschaulich zeigen kann, wie die auf dem Dach oder an der Fassade montierte Anlage später aussehen wird. Über wenig attraktive Schema-Darstellungen kommen entsprechende Funktionen nicht hinaus. So müssen sich Planer mit externen Bildbearbeitungs-, CAD- oder fotobasierenden Visualisierungsprogrammen behelfen. Das ist etwas umständlich, weil bereits ausgewählte Komponenten, Abmessungen, Fabrikate etc. erneut definiert werden müssen.

Was bietet der Markt?

Trotz beachtlicher Wachstumsraten der Solarwirtschaft ist der Markt für Solarsoftware relativ klein und unbeständig. Während einige Programme auf geförderten Projekten oder Hochschulentwicklungen basieren, waren andere von Beginn an kommerziell ausgerichtet. Damit lässt sich auch die Fluktuation erklären: Anbieter, die von Software und Schulungen „leben“, sind auf die Fortentwicklung und Aktualisierung ihrer Produkte angewiesen, während Produkte ohne regelmäßige Updates/Upgrades erfahrungsgemäß schnell vom Markt verschwinden. Derzeit gibt es einige deutschsprachige Lösungen, die in der Mehrheit ein großes Spektrum abdecken - von PV-Großanlagen, Systemen zur Heizungsunterstützung, bis hin zu solarthermischen Kraftwerken. Gebäudesimulationsprogramme, die in einer ganz anderen „Liga“ spielen, können teilweise auch zur Anlagensimulation eingesetzt werden (z.B. TRNSYS). Zielgruppen von Solarsoftware sind Ingenieure, Architekten, Energieberater, Fachplaner, Installateure oder Entwickler. Diverse Programme werden zusätzlich in einer „Firmenversionen“ offeriert, die eine Auslegung mit den Komponenten eines Herstellers ermöglichen (SolarSimulator/Schüco, ESOP/Viessmann etc.).

Fazit: Erst simulieren, dann kontrollieren!

Natürlich lassen sich einfache Anlagen für Ein- oder Mehrfamilienhäuser auf der Basis von Auslegungshilfen der Hersteller oder eigenen Erfahrungswerten auch ohne Software-Hilfe planen. Schneller und präziser in der Aussage ist man jedoch mit Simulationssoftware - auch bei Standardanlagen. Bei netzgekoppelten Systemen, Hybridsystemen etc. ist Simulationssoftware unerlässlich, denn nur damit können Komponenten optimal aufeinander abgestimmt werden. Ob das Ergebnis später der Realität entspricht, hängt jedoch auch davon ab, wie präzise Anlage und Rahmenbedingungen erfasst wurden. Ist der Input falsch oder ungenau (Verschattung, Ausrichtung, Neigungswinkel, Energiebedarf, Leitungslängen etc.), können Simulationsprogramme erhebliche Fehlvorhersagen liefern. Deshalb sollte das Ergebnis in jedem Fall kritisch hinterfragt und möglichst zusätzlich anhand vergleichbarer Anlagen überprüft werden.

Marian Behaneck, Jockgrim

INFO

Solarerträge großräumig ermitteln

Wer als Bauherr in eine Solaranlage investieren will, kann vorher per Online-Auslegungshilfe prüfen, wie groß sie wird und welchen Ertrag sie bringt. Wollen dagegen Kommunen und Unternehmen der Solarbranche wissen, welche Regionen und Stadtteile sich besonders gut für eine Solarnutzung eignen, sind GIS-basierende Lösungen (Geografische Informationssysteme), die eine großräumige Grobabschätzung ermöglichen, gefordert. Dabei werden Luft- und Satellitenbilder, hochauflösende digitale Geländemodelle sowie Grundrissinformationen aus dem Amtlichen Liegenschaftskataster (ALK) zur Bewertung und Analyse des Solarstrom-Potenzials vorhandener Gebäudedächer genutzt. Beispiele sind das 2008 ausgezeichnete Forschungsprojekt Sun-Area der Fachhochschule Osnabrück, das Aerial Solar Identification System (ASIS) von Wirsol und der TU Karlsruhe oder die Solar Potenzial Analyse von Smart Geomatics. Sun-Area beispielsweise beantwortet schnell und detailliert die Frage, ob sich eine beliebige Dachfläche als Standort für eine Solaranlage eignet. Das System ermittelt sowohl das Energiepotenzial einer Stadt als auch die für eine Solarmodul-Aufstellung am besten geeignete Dachfläche über eine Web-GIS-Anwendung. Ermöglicht wird dies durch einen Algorithmus, der aus per Laserscanner gewonnenen Raster- und Vektor-GIS-Daten die Form, Neigung, Ausrichtung und Verschattung einer Dachfläche ermittelt. Aus den gewonnenen Daten konnte hochgerechnet werden, dass in Deutschland etwa 20 % der vorhandenen Dachflächen für die solare Energienutzung sehr gut geeignet sind. Diese könnten etwa 70 % des privaten Strombedarfs decken, was allerdings mehr als dem 100-fachen der heutigen Nutzung entspricht. Für mehrere Städte wurde Sun-Area bereits umgesetzt, unter anderem für Osnabrück, das inzwischen über ein flächendeckendes Solarkataster verfügt. Weitere Infos: http://www.al.fh-osnabrueck.de/sun-area.html, https://wirsol.de/ (Suchwort: Aerial Solar Identification System), http://www.solar-potenzial-analyse.de