Solarstrom virtuell vorplanen

27.06.2008 | Veröffentlicht in Ausgabe 07-2008 | Druckvorschau

Bei einfachen Solaranlagen genügen Planern auch Erfahrungswerte, sobald es komplexer wird, sind Simulationsprogramme aber unerlässlich. - © BSW-Solar — © BSW-Solar

Bei einfachen Solaranlagen genügen Planern auch Erfahrungswerte, sobald es komplexer wird, sind Simulationsprogramme aber unerlässlich.

Nachdem in der letzten Ausgabe über Simulationsprogramme für die Auslegung und Optimierung solarthermischer Anlagen berichtet wurde, informiert dieser zweite Teil über den Leistungsstand von PV-Simulationssoftware.

„Wer PV-Anlagen am PC simuliert, schießt mit Kanonen nach Spatzen!“, ist ein häufig genanntes Argument von Anlagenplanern und -bauern. Zwar lässt es sich bei Standardanlagen nicht gänzlich von der Hand weisen – schließlich kann man als Folge des Solarbooms auf eine Vielzahl von Referenzanlagen und Erfahrungswerten zurückgreifen. Doch sobald es schwieriger wird, etwa bei größeren netzgekoppelten photovoltaischen Systemen, die über den Standard hinausgehen – dazu zählen bereits teilverschattete Anlagen, hybride Anlagenkonzepte oder Großanlagen – kommt man bei der Dimensionierung und Ertragsprognose mit Taschenrechner, Tabelle & Co. nicht weit. In diesen und in vielen weiteren Fällen kann entsprechende Software durchaus sehr hilfreich sein.

Einsatzbereiche und Vorteile

Eingesetzt wird Auslegungs- und Simulationssoftware für einfache Kalkulationen (erforderliche Kollektorfläche, Jahresenergieertrag etc.), für den Variantenvergleich individuell konfigurierter Anlagen, bis hin zur detaillierten Untersuchung und Optimierung von Anlagenkomponenten auf Basis mathematischer Modelle. Mithilfe der dynamischen Simulation lassen sich einzelne Komponenten und Kenngrößen variieren und so Wechselwirkungen auf das Gesamtsystem deutlich machen. Das Ergebnis von Simulationen sind technisch optimierte PV-Anlagen mit exakt aufeinander abgestimmten Komponenten.

Auch in der Akquisitionsphase oder für die Analyse bestehender Anlagen ist Solarsoftware sehr nützlich: So kann etwa eine Ertragsvorhersage Investitionsrisiken minimieren, dadurch skeptische Bauherren oder Investoren überzeugen und Projekte erst möglich machen. Zu den wichtigsten Funktionen von Solarsoftware gehört deshalb die Ertragsprognose, deren Qualität von Programm zu Programm jedoch stark differiert. Am Beispiel Verschattung wird dies deutlich: hier reicht die Bandbreite von einem rudimentären Verschattungsfaktor bis zur exakten Verschattungsberechnung auf der Basis von 3D-Objekten. Je genauer Eingangsdaten wie Verschattung, Globalstrahlung, Lufttemperatur oder Windgeschwindigkeit berücksichtigt werden und je höher die zeitliche Auflösung ist, desto aussagekräftiger sind die Ergebnisse. Dass mit der Genauigkeit auch der Eingabe- und Rechenaufwand (Rechenzeit) steigt, ist die Kehrseite der Medaille…

Mit der Optimierung lassen sich Investitionskosten bereits am PC einsparen. So kann bei vorgegebenem Ertrag die Solarmodul-Fläche durch die Ermittlung des besten Standorts, Neigungswinkels und der Ausrichtung gegenüber einer „sicheren“ Standardauslegung minimiert werden. Anlagen, die nicht den gewünschten Ertrag liefern, können im Detail einer Analyse unterzogen werden. Fehlern bei der Anlagendimensionierung oder beim Zusammenspiel einzelner Komponenten kommt man so schnell auf die Spur.

Noch höher als bei der Anlagenanalyse sind die Softwareanforderungen, wenn es um die Entwicklung geht. Sollen Komponenten oder Anlagen neu konzipiert oder verbessert werden oder die Notwendigkeit von Versuchsaufbauten minimiert werden, bieten sich ebenfalls einige Simulationsprogramme an (z.B. INSEL oder PV*SOL expert). Technik und Ertrag sind die eine Seite, die Bauherren und Investoren interessiert. Eine andere Seite ist die Wirtschaftlichkeit: Zu deren Einflussfaktoren zählen Investitionskosten, Zinsen, Betriebskosten, die Steuerersparnis, der Standort, Wirkungsgrad etc. Wer mit Solarstrom Kunden akquirieren will, muss auch die finanziellen Vorteile eines Projekts in Form von Grafiken und Diagrammen attraktiv darstellen. Diagramme zur Finanzierung, zu den laufenden Kosten, Amortisationszeiten, Vergütungen etc. sorgen für Transparenz und schaffen Vertrauen.

3D-Visualisierung

Letzteres gilt übrigens auch im Hinblick auf die optische Wirkung einer PV-Anlage: Wer einem Interessenten die gewählte Solaranlage auf „seinem“ Dach oder „seiner“ Fassade vorab am PC visualisieren kann, hat einen Wettbewerbsvorteil. Das Gros der Simulationsprogramme enthält jedoch keine Visualisierungsfunktion oder erlaubt nur unattraktive Schema-Darstellungen. Planer, die einem Bauherren/Investor vor der Montage präsentieren wollen, wie es hinterher aussehen wird, behelfen sich deshalb mit externen Bildbearbeitungs-, CAD- bzw. Visualisierungsprogrammen, die teilweise auch in einer „Solarversion“ offeriert werden (z.B. GASCADplan4[solar]PV).

Für den PV-Bereich bieten nur wenige Programme diese für die Akquisition und Visualisierung komplexer Verschattungssituationen sinnvolle Funktion (z.B. 3DSolarWelt oder PV*SOL expert). Dabei werden die ausgewählten PV-Module automatisch auf dem Dach platziert. Objekte, die Schatten verursachen, können per Drag und Drop an beliebige Stellen innerhalb und außerhalb des PV-Feldes geschoben werden. Schornsteine, Dachgauben sowie Bäume und Häuser sind als Standardobjekte in einer Bibliothek hinterlegt, was den dreidimensionalen Nachbau einer individuellen baulichen Situation vereinfacht.

Simulation Schritt für Schritt

Windowsorientierte Programmoberflächen ermöglichen inzwischen eine relativ intuitive Handhabung mit wenigen Arbeitsschritten: Voraussetzung einer exakten Berechnung sind zunächst präzise Klimadaten. Dazu werden von den Programmen für zahlreiche Standorte der jeweiligen Region Klimadaten für Einstrahlung, Lufttemperatur und Windgeschwindigkeit in stündlicher Auflösung für den Zeitraum eines Jahres bereitgestellt. Auch die Verschattung durch den Horizont sowie durch Häuser oder Bäume wird exakt berücksichtigt. Nach der Eingabe der Verbrauchsdaten werden die erforderliche Leistung des PV-Generators sowie gegebenenfalls die Größe einer Batterie ermittelt. Besonders relevant ist dies, wenn es sich um Anlagen handelt, die nicht ausschließlich Solarstrom für eine EEG-Vergütung produzieren.

In der anschließenden Simulation werden der solare Deckungsanteil und weitere wichtige Kennwerte berechnet. Elektrische Verbraucher können über unterschiedliche Arten festgelegt werden: Ist der Stromverbrauch über einen längeren Zeitraum bekannt, wird durch die Wahl eines Verbrauchsprofils und der Angabe des Jahresstromverbrauchs der zeitliche Verlauf des Energiebedarfs automatisch berechnet. Verbrauchsprofile können auch individuell definiert werden. Für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch wird der zeitliche Energiebedarf über die Eingabe der Einzelverbraucher ermittelt, wobei unterschiedliche Verbrauchstypen klassifiziert werden können.

So wird mit wenigen Eingaben die Anlage dimensioniert, d.h. die erforderliche Leistung des PV-Generators und die Größe der Batteriekapazität für einen definierten Anwendungsfall errechnet. Anschließend werden der Energiebedarf, der Klimadatensatz sowie die Aufstellung der PV-Module definiert, die PV-Module und die Batterietypen ausgewählt. Sind in einer PhotovoltaikAnlage unterschiedliche Modultypen oder unterschiedlich ausgerichtete Module vorhanden, so wird dies durch die Zusammenfassung von Modulgruppen zu Photovoltaik-Teilgeneratoren berücksichtigt. Die Ergebnisse wie prognostizierter Jahresertrag, Gesamtertragsfaktor, Wirkungsgrad, solare Deckungsrate, Wirtschaftlichkeitsberechnung etc. sollten über Grafiken, Projektberichte, Zeichnungen und in einer Ergebnisübersicht präsentiert werden.

Software und Hersteller

Gemessen an den Wachstumsraten vergangener Jahre und der Herstellervielfalt innerhalb der Solarbranche ist der Markt für PV-Solarsoftware überschaubar geblieben. Neben Hochschulentwicklungen und kostenfreien Freeware-Versionen kämpfen auch einige kommerzielle Programme um potenzielle Kunden, zu denen Ingenieure, Architekten, TGA-Planer, Handwerker, aber auch Entwickler von Anlagenkomponenten gehören. Angesichts immer besserer kostenloser Online-Auslegungshilfen, dem ständigen Aktualisierungszwang der Solarkomponenten-Datenbank, begrenzter Preismargen etc. haben es insbesondere die kommerziell ausgerichteten Anbieter nicht leicht.

Das erklärt auch die aktuelle Fluktuation und Marktbereinigung, die nur professionelle Anbieter längerfristig überstehen. Rund 10 bis 12 Anbieter offerieren derzeit Software für die PV-Solaranlagenplanung. Das eine oder andere Programm wird zusätzlich in Firmenversionen offeriert, die eine Auslegung mit den Komponenten eines Herstellers ermöglichen (z.B. SolarSimulator von Schüco). Unser Produktvergleich enthält alle wichtigen Anbieter professioneller Planersoftware, erhebt jedoch keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Programme, die Basisdaten für PV-Simulationsprogramme liefern (Klimadatenbanken oder Software-Tools) wurden nicht berücksichtigt.

Was die Tabelle aussagt

Der tabellarische Produktvergleich ist als erste Orientierung und Auswahlhilfe gedacht. Deshalb wurden zugunsten einer besseren Übersichtlichkeit wenige aber wichtige Programm-Merkmale berücksichtigt. Einige Programme bieten darüber hinaus eine Vielzahl weiterer Features, die jedoch nur für einen begrenzten Anwenderkreis eine hohe Relevanz haben. Abgefragt wurde bei den Herstellern die Existenz von Funktionen, ein direkter Qualitätsvergleich derselben aber nicht vorgenommen, weil dieser wiederum von der Programmverwendung abhängig und damit eher verwirrend als helfend wäre. Nach einer Vorauswahl von zwei, maximal drei Programmen sollte deshalb in einem zweiten Schritt mithilfe eines individuellen Fragenkatalogs Details beim Hersteller abgefragt werden.

Die Programm-Merkmale im Einzelnen: Neben dem Programm-Namen wurde die Versionsnummer abgefragt. Sie ermöglicht zusammen mit dem Jahr der Einführung (s.u.) einen Rückschluss auf die Häufigkeit der Programm-Upgrades. Mit der Entscheidung für eine Software geht man mit dem Anbieter eine längerfristige Bindung im Hinblick auf Updates/Upgrades, Wartungsverträge, Software-Anpassungen und anderes ein. Daher sollte man neben der Software auch ihn genauer unter die Lupe nehmen. Basis-Marktdaten geben dabei Grundinformationen: Seit wann ist der Anbieter auf dem Markt? Wie viele Lizenzen werden eingesetzt?

Die Kategorie gibt an, ob es sich um eine Auslegungshilfe, ein Zeitschrittsimulationsprogramm oder um ein umfassendes Gebäudesimulations-System handelt. Während sich die in der Regel online aufrufbaren Auslegungshilfen eher für die überschlägige Dimensionierung einfacher Systeme eignen und für die meisten Standardfälle genügen, sind Lösungen für die Anlagensimulation zusätzlich in der Lage, auch Hybridsysteme oder Großanlagen zu berechnen. Mit Gebäudesimulations-Systemen (siehe auch TGA Fachplaner 1-2007) lassen sich nicht nur komplexe Solaranlagen, sondern auch die thermischen, energetischen, lüftungs-, licht- und schalltechnischen Eigenschaften der dazugehörigen Gebäude optimieren.

Das Softwarekonzept gibt an, zu welcher Kategorie die Software gehört. In der Zeile Anlagentyp für welche PV-Anlagen (Insel, Netz, Hybrid etc.) die Software eingesetzt werden kann. In den Zeilen Berechnung I und II steht beispielhaft, was berechnet werden kann. Automatismen erleichtern die Eingabe oder ermöglichen Plausibilitätsprüfungen. Klimadaten sollten für das Land/die Region, für das/die man die Software einsetzen will, möglichst reichhaltig sein. Das gilt auch für Komponenten-Bibliotheken wie PV-Module, Wechselrichter, Batterien etc., die eine strukturierte Auswahl ermöglichen und in Zusammenarbeit mit Herstellern in regelmäßigen Intervallen aktualisiert werden sollten. Zur Ausgabe gehören Berichte oder Visualisierungen auf einen Windows-Drucker oder in einem gängigen Ausgabe-Format für eventuelle Weiterbearbeitung oder den Versand per E-Mail. Wichtig für die Genauigkeit der Ergebnisse ist deren zeitliche Auflösung (Stunde, Tag, Woche, Jahr). Zum Basis-Service gehört ein Telefon- und E-Mail-Support. Per Update-Download können Programm-Korrekturen oder Verbesserungen heruntergeladen werden. Upgrades (Aufstieg auf die nächste Version) sollten individuell oder per Pflegevertrag möglich sein. Der Preis für die Komplettversion sollte alle wichtigen Programm-Module beinhalten.

Vertrauen ist gut, Kontrolle ist besser

Nicht nur bei netzgekoppelten Systemen, Hybridsystemen, Großanlagen etc. ist eine Anlagensimulation sinnvoll. Schon bei einer einfachen Inselanlage können Lade- und Entladevorgänge simuliert werden, um so PV-Module und den Akkumulator optimal dimensionieren zu können. Im Hinblick auf erzielbare Einspeisevergütungen und damit verbundene Renditen sind insbesondere bei Großanlagen präzise Ertragsvorhersagen geradezu unerlässlich.

Sollen Anlagen optimal ausgelegt, Komponenten aufeinander abgestimmt, Verschattungseinflüsse berücksichtigt, Erträge prognostiziert werden etc., kommt man heute an Simulationssoftware nicht mehr vorbei. Ob das Ergebnis hinterher auch tatsächlich der Realität entspricht, hängt jedoch davon ab, wie präzise Anlage und Rahmenbedingungen erfasst wurden. Sind die Eingaben zur Verschattung, Ausrichtung, zum Neigungswinkel etc. ungenau, können Simulationsprogramme auch keine präzisen Vorhersagen liefern. Deshalb sollten die Ergebnisse kritisch hinterfragt und zusätzlich anhand vergleichbarer Anlagen überprüft werden. Marian Behaneck