Für die Nutzung der Sonne programmiert

Kompakt informieren

• War bei Photovoltaik-Anlagen früher die Maximierung der Modulanzahl auf dem Dach für größtmögliche Erträge das Maß aller Dinge, ist es heute die Minimierung der Modulzahl bei gleichzeitig optimaler Integration von Batteriespeichern, thermischen Speichern, Wärmepumpen oder der Klimatechnik.
• Planerisch anspruchsvoll sind auch Solarthermie-Anlagen in der Kombination mit mehreren Heizungsanlagen, Speichersystemen oder PV-Kollektoren.
• Kommen zu einem Hybridsystem auch noch eine Ost-West-Modulausrichtung, mehrere Dachneigungen, unterschiedliche Kollektoren oder besondere Verschattungssituationen hinzu, ist man auf Simulationsprogramme angewiesen.
• Was Planungsprogramme leisten und wie sie sich unterscheiden, zeigt ein tabellarischer Produktvergleich herstellerunabhängiger Lösungen.

Die wirtschaftlichen und rechtlichen Rahmenbedingungen für die Betreiber von Photovoltaik-Anlagen waren schon mal besser: Einerseits erfordern fallende Einspeisevergütungen und steigende Strompreise PV-Anlagenbetreiber, das möglichst viel vom erzeugten Solarstrom selbst genutzt wird. Andererseits legt der Gesetzgeber dabei Beschränkungen auf. So ist gemäß EEG-Eigenverbrauchsregelung die Anlage entweder so auszulegen, dass der Netzbetreiber sie herunterregeln kann oder die maximale Wirkleistungseinspeisung am Einspeisepunkt auf maximal 70 % der Generatorleistung begrenzt wird. Eigenstromverbraucher, deren PV-Anlagen mehr als 10 kW Leistung haben, müssen zudem auf die selbst genutzte Strommenge eine anteilige EEG-Umlage zahlen.

Neben den gesetzlichen Bestimmungen müssen auch technische Möglichkeiten des Eigenstromverbrauchs berücksichtigt werden: Zeitschaltuhren oder intelligente Energiemanagementsysteme helfen, den im Tagesverlauf in der Regel divergierenden Strombedarf und den selbsterzeugten PV-Strom in Einklang zu bringen. Auch die Integration von Wärmepumpen, thermischen Speichern, Klimaanlagen oder Ladestationen für Elektroautos und -fahrräder kann den Eigenverbrauchsanteil erhöhen.

Sind diese Möglichkeiten ausgeschöpft, bieten sich Stromspeicher an. Damit kann man die Eigenstromnutzung und die Unabhängigkeit vom Netzbetreiber erhöhen und bei entsprechenden Systemen auch Ausfälle der öffentlichen Stromversorgung überbrücken.

Auch wenn die Normungsarbeit hinterherhinkt, werden Batteriespeicher immer leistungsfähiger, langlebiger und preisgünstiger. Außerdem werden sie im Rahmen des KfW-Programms „Erneuerbare Energien – Speicher“ finanziell gefördert (www.kfw.de/275).

Die Wirtschaftlichkeit von Batteriespeichern hängt jedoch entscheidend davon ab, ob sie für die jeweiligen Voraussetzungen passend dimensioniert werden. Maßgeblich sind dabei die Größe der PV-Anlage, der Jahresstromverbrauch und das Lastprofil. Für die Planung, Auslegung und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung von PV-Anlagen folgt daraus, dass Fläche und Leistung bei der PV-Auslegung nicht mehr im Vordergrund stehen und neben technischen Parametern und Wechselwirkungen auch gesetzliche Rahmenbedingungen und Einschränkungen zu berücksichtigen sind. Das setzt Simulationsprogramme voraus, die PV-Anlagen auf der Grundlage aktueller Technik und aktueller Gesetze, Normen und Vorschriften simulieren und auslegen.

Solarthermie: Nachfrage dürfte steigen

Während die Photovoltaik derzeit mit ungünstigen Marktbedingungen zu kämpfen hat, bieten neue EnEV-Anforderungen im Neubaubereich, verbesserte Förderprogramme und eine deutliche Belebung beim Wohnungsbau gute Voraussetzungen für die Solarthermie, insbesondere durch die Förderprogramme des BAFA und der KfW.

Schon zum April 2015 wurden die Förderkonditionen aufgrund der schwachen Nachfrage angepasst und verbessert. Gefördert werden beispielsweise im Rahmen der BAFA-Solarförderung (Marktanreizprogramm) Anlagen zur Trinkwassererwärmung, zur kombinierten Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung, zur solaren Kälteerzeugung sowie Anlagen für Prozesswärme und Wärmenetze.

Staatliche Förderprogramme und die Berücksichtigung einer solaren Energieerzeugung über die EnEV bzw. das EEWärmeG setzen eine präzise Anlagenplanung voraus. Bei der Nachweisführung, der Berechnung, Auslegung und Auswahl des solaren Heizsystems und dessen Komponenten gilt es, besonders sorgfältig vorzugehen. Eine wichtige Rolle für die rechtlichen Anforderungen und die Wirtschaftlichkeit spielt der solare Deckungsgrad bei der Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung. Nach DIN V 4701-10 [1] muss ein solarer Deckungsanteil größer 10 % anhand dokumentierter Rechenergebnisse anerkannter Simulationsprogramme nachgewiesen werden.

Weitere Einflussfaktoren bei der Planung sind die mögliche Neigung und Ausrichtung der Kollektoren, die dafür zur Verfügung stehende Fläche, Verschattungen und das Budget. Hinzu kommen zahlreiche Variablen und Wechselwirkungen zwischen den Komponenten der Heizungsanlage, den individuellen Nutzungsbedingungen, den baulichen und standortbedingten Randbedingungen. All diese Parameter können nur mit Simulationsprogrammen hinreichend genau berücksichtigt werden. Sie können auch für die Suche nach Fehlern im Anlagenbetrieb und die Anlagenoptimierung eingesetzt werden.

Schritt-für-Schritt-Planung

Die Funktionsweise von Planungsprogrammen für Solaranlagen ist ähnlich: Nach der Projekt- und Kundendatenerfassung werden für den jeweiligen Standort Einstrahlungs-, Wind- und Schneelastdaten aus einer Klima-Datenbank entnommen. Danach werden das Gebäude- bzw. Dachmodell, die Dachausrichtung, -neigung, -größe, -eindeckung und -konstruktion definiert. Um die wahlweise manuelle oder automatische Modulverteilung zu vereinfachen, werden Sperrflächen oder Grenzabstände zu Dachkanten, Dachgauben, Schornsteinen und sonstigen Dachaufbauten eingegeben.

Hilfreich ist dabei ein Verlegungs-Assistent – vor allem, wenn Solarmodule auf polygonalen Dachflächen unter Berücksichtigung unterschiedlicher Vorgaben wie Modulausrichtung, Leistung, Modulanzahl, Sperrflächen und Verschattung verlegt werden sollen. Varianten lassen sich damit schneller und einfacher generieren und beurteilen. Die Basis bildet dabei ein aus einer Bauteildatenbank entnommenes PV-Modul oder ein ST-Kollektor mit seinen technischen Kenndaten.

Ist die „Erntefläche“ auf dem Dach festgelegt, kann berechnet werden. Zur Ermittlung der Einstrahlung, Verschattung, des Ertrags etc. wird die Anlage mit allen Komponenten mithilfe mathematischer Modelle abgebildet und im Stundentakt simuliert. Zusätzliche Anlagenkomponenten wie PV-Module oder ST-Kollektoren, Batterie- oder Warmwasserspeicher können dabei jederzeit eingebunden, einzelne Einflussgrößen jederzeit variiert werden, sodass Wechselwirkungen auf das Gesamtsystem sowie den Ertrag sofort sichtbar werden.

Bei der Berechnung berücksichtigt werden neben regionalen Wetterdaten auch den Ertrag mindernde Faktoren wie Windanteil, Hinterlüftung, Verschmutzung oder die Degradation (Alterung) bei PV-Modulen.

Um den Nachweis von KfW-Effizienzhäusern nach § 5 EnEV durch die Anrechnung von Strom aus erneuerbaren Energien führen zu können, müssen die Erträge von PV-Anlagen zusätzlich auch nach DIN EN 15 316-4-6 [2] mit dem Referenzklima nach DIN V 18 599 [3] berechnet und im Projektbericht ausgegeben werden. Dies ist ein von der KfW für eine Anrechnung des erzeugten Stroms bei den KfW-Standards (70, 55, 40) im Programm „Energieeffizient bauen“ vorgegebenes Berechnungsverfahren.

Berechnen, nachweisen, optimieren

Zu den Ausgabedaten zählen die Einstrahlung, der Ertrag, der Eigenverbrauch und die Höhe der Einspeisung, teilweise auch Speicherverluste, die Energiebilanz oder die Emissionseinsparung.

Neben Berechnungen und Nachweisen ist auch eine Optimierung von Anlagen möglich – nicht nur nach dem maximalen Anlagenertrag, sondern auch nach maximaler Wirtschaftlichkeit, dem maximalem Deckungsgrad oder einem bestmöglichen Eigenverbrauchsanteil.

Die Ergebnisse werden in Form von Grafiken, Schaubildern und Tabellen dargestellt. Wie die Anlage auf einem neuen oder bestehenden Dach aussieht, wird ebenfalls angezeigt. Zu den für Praktiker wichtigeren Ausgabedaten gehören Anlagenübersichtspläne, Elektro-Schemapläne, Montage- und Stringpläne oder Berechnungen für Windsog und Schneelast. Dabei kann man teilweise die Anzahl der Befestigungspunkte unter Berücksichtigung von Schnee- und Windlasten sowie den geometrischen Gegebenheiten minimieren und so ein unter Kostengesichtspunkten optimales Montagesystem wählen.

Sind die Module oder Kollektoren inklusive Montagezubehör mit Preisen hinterlegt, können über die ermittelten Stücklisten präzise Aussagen zu den Anlagenkosten für Angebote und Ausschreibungen gemacht werden. Ertrags- und Wirtschaftlichkeitsberechnungen sind insbesondere für Variantenvergleiche wichtig. Bei der Berechnung werden Einflussgrößen, wie Investitions- und Betriebskosten, die Steuerersparnis, der Standort, die Modulqualität, der Anlagenwirkungsgrad sowie die Höhe der Einspeisevergütung abgefragt.

Werden den Bauteilen LV-Positionen zugewiesen, lassen sich automatisch Leitungsverzeichnisse erstellen und per GAEB-Schnittstelle an Ausschreibungsprogramme übergeben. Wie die Anlage später auf dem Dach aussieht, lässt sich mehr oder weniger realistisch visualisieren. Die Visualisierungsmöglichkeiten reichen von eher schematischen, farbigen 2D-Ansichten bis hin zu fotorealistischen 3D-Darstellungen, inklusive des gewählten Dachmaterials, der umgebenden Vegetation etc.

Wo Sonne ist, ist auch Schatten …

Grenzen hat Software zur Planung von Solaranlagen im Detail. So werden Aspekte wie Modulverhalten, Modulträgheit, Leitungs- und Speicherverluste, Temperaturverhalten von Wechselrichtern, der Energieverbrauch, Nachführsysteme etc. nicht, nur teilweise oder nur überschlägig berücksichtigt.

Obwohl die Verschattung solare Erträge erheblich beeinflussen kann, wird sie teil-weise nur über einen Verschattungsfaktor überschlägig berücksichtigt. Präzisere 3D-Verschattungsstudien bieten nur wenige Programme. Probleme bereiten manchmal auch praktische Anforderungen – etwa wenn die Anlage auf mehrere Dächer verteilt werden soll, mehrere Modul- bzw. Kollektorfelder und / oder Modul- bzw. Kollektortypen zur Anlage gehören. Auch eine unterschiedliche Dachneigung – etwa vom Haus- und Garagendach oder eine Gegenaufständerung auf der gegenüber-liegenden Dachseite – bereiten einigen Programmen Schwierigkeiten. Auch die Möglichkeit einer Ost-/West-Ausrichtung bieten nicht alle Programme.

Gravierend für TGA- und SHK-Planer ist, dass zwar Batteriespeicher inzwischen von den meisten PV-Auslegungsprogrammen berücksichtigt werden, aber nur wenige Lösungen (z. B. Polysun Designer von Vela Solaris oder PV-Simulation 3D von Hottgenroth) in der Lage sind, Wärmepumpen in die PV-Anlage einzubinden.

Für alle Berechnungen gilt der Grundsatz: Ob die Ergebnisse hinterher auch der Realität entsprechen, hängt nicht zuletzt von der Genauigkeit der Eingabedaten ab. Darüber hinaus muss man sich bewusst sein, dass jeder Solarsimulation langjährige Mittelwerte der Klimadaten zugrunde liegen, Erträge realer Anlagen aber vom realen Wetter abhängen. Diese können deshalb mit bis zu 25 % deutlich über oder unter den berechneten Erträgen liegen. Die größten Divergenzen zwischen Simulation und realen Betriebsergebnissen entstehen aber im Zusammenhang mit den angenommenen und den tatsächlichen Verbrauchswerten (Menge und zeitliche Verteilung).

Welche Planungsprogramme gibt es?

Parallel zum Solaranlagen-Boom um die Jahrtausendwende hat sich eine beachtliche Anzahl an digitalen Planungshilfen entwickelt, speziell im PV-Sektor. Mit dem Ende des Booms wurden einige, in den letzten Marktübersichten (Solarthermie-Planungssoftware: Erst simulieren, dann installieren!, TGA 04-2013,  Webcode  401272 und PV-Planungssoftware: Licht und Schatten, TGA 10-2013,  Webcode  555647) noch gelistete Programme sukzessive abgekündigt, sodass sich die Zahl der Programme inzwischen deutlich reduziert hat.

Auffällig ist das zahlenmäßige Verhältnis zwischen PV- und ST-Programmen, das in dieser Marktübersicht 11 : 3 beträgt und den Markt nicht widerspiegelt: 2015 sind in Deutschland rund 101 000 Solarthermie-Anlagen und etwa 51 000 PV-Anlagen neu installiert worden. Allerdings wird ein größerer Teil der Solarthermie-Anlagen auch ohne besondere Planung installiert.

Derzeit gibt es mit unterschiedlichen Einsatz- und Zielgruppenschwerpunkten etwa 30 produktneutrale und produktspezifische Programme für die Planung von Solaranlagen. Programme für die Anlagenauslegung berechnen in erster Linie Anlagenkomponenten und deren Zusammenspiel, die elektrische Verschaltung und Verkabelung, das erforder-liche Montagesystem etc. unter Berücksichtigung technischer Daten, Kennlinien, Leitungsverlusten oder der Verschattungssituation. Damit können Solarteure Anlagen auslegen, in gewissem Maße optimieren und die erforderlichen Komponenten und Mengen ermitteln.

Simulationsprogramme dienen Fachingenieuren zur Anlagenauslegung, -optimierung und der Ertrags- und Wirtschaftlichkeitsberechnung. Dabei werden die Anlage in Zeitschritten anhand solarer Einstrahlungsdaten und Temperaturen simuliert und wichtige Daten, wie Anlagenzustände oder Energiesummen im Stundentakt ermittelt.

Planungsprogramme sind um ein PV-Planungsmodul ergänzte CAD-Konstruktionsprogramme, die primär der automatischen Modulbelegung, 3D-Visualisierung, 3D-Verschattungssimulation, statischen Berechnung (Windsog, Schneelast), Ausführungsplanung und Ausschreibung von Anlagen dienen.

Im Produktvergleich nicht berücksichtigt wurden kostenfreie, meist online aufrufbare Ertragsrechner für Hausbesitzer sowie mobile Applikationen für Smartphones und Tablet-PCs. Sie eignen sich nur für eine überschlägige Dimensionierung, respektive für die Vor-Ort-Erfassung von Objektdaten, wie Standort, Dachneigung und -ausrichtung, Verschattung etc. und teilweise der Weitergabe der erfassten Daten an Planungsprogramme (siehe auch Info-Kasten).

Eine eigene Kategorie bilden fotobasierende Planungsprogramme, wie etwa Curamess (www.maxmess.de) oder Foto-Aufmaß Professional (www.hottgenroth.de). Sie dienen nicht der Berechnung, sondern der geometrischen Auslegung und Visualisierung von PV- oder ST-Modulen auf der Dachfläche. Marian Behaneck

Literatur und weitere Informationen

[1] DIN V 4701-10 Energetische Bewertung heiz- und raumlufttechnischer Anlagen – Teil 10: Heizung, Trinkwassererwärmung, Lüftung. Berlin: Beuth Verlag, August 2003

[2] DIN EN 15 316-4-6 Heizungsanlagen in Gebäuden – Verfahren zur Berechnung der Energieanforderungen und Nutzungsgrade der Anlagen – Teil 4–6: Wärmeerzeugungssysteme, photovoltaische Systeme. Berlin: Beuth Verlag Juli 2009

[3] DIN V 18 599-9: Energetische Bewertung von Gebäuden – Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung – Teil 9: End- und Primärenergiebedarf von stromproduzierenden Anlagen. Berlin: Beuth Verlag, Dezember 2011, Berichtigung vom Mai 2013

[4] N.N.: Effizient heizen mit Sonnenwärme. Anlagen zur solaren Heizungsunterstützung. Stuttgart: Gentner Verlag, SBZ, 06-2016,  Webcode  704477

[5] Wagner, A.: Photovoltaik Engineering. Handbuch für Planung, Entwicklung und Anwendung. Berlin: Springer Vieweg. 2015

[6] Wendnagel, J.: Photovoltaik-Eigenstromverbrauch erhöhen. Stuttgart: Gentner Verlag, Gebäude-Energieberater 09-2013,  Webcode  552352

www.baunetzwissen.de Baunetz Wissen „Solar“

www.photovoltaik.eu Solarstrom-Magazin

www.photovoltaikforum.com Solaranlagen & Photovoltaik

www.solarserver.de Solarportal mit Software-Übersicht

www.sonnenenergie.de Deutsche Ges. für Sonnenenergie

www.solaranlagen-portal.com PV- und ST-Solaranlagen-Portal

www.solarwirtschaft.de Bundesverband Solarwirtschaft

www.sonnewindwaerme.de Solar- und Windenergie-Magazin

www.top50-solar.de Solarportal: Experten, Blogs, News

www.volker-quaschning.de Erneuerbare Energien

Weitere Anbieter Produkte (Auswahl)

Archelios www.archelios.com

Desire desire.htw-berlin.de

Escad Energy 3D Powerplan www.escad-energy.de

f-Chart, SW-Simu www.bmtsoft.de

MF Solar www.friedrich-datentechnik.de

SolarGeo3D www.nefa-kassel.de

… ermöglichen eine erste Ertragsabschätzung. Werden Standort, Dachausrichtung, Leistung und Anlagentechnik in eine Eingabemaske eingetragen, erhält man eine überschlägige Ertragsprognose. Beispiele sind Pvcalc (www.pvcalc.org), der PV-Rechner (www.energynet.de) oder PV*SOL online bzw. T*SOL online (www.valentin-software.com). Auch kostenlose Android- und iOS-Solarertrags-Apps gibt es bereits, meist inklusive jährlicher Einstrahlungs- und Netzeinspeisungsberechnung, GPS-Ortsbestimmung und Dachneigungserfassung. Beispiele sind die plan4 PVApp, die PV-App (Solarplaner), die PV*SOL app oder der SMA Solarchecker. Für PV-Profis konzipiert ist PVsyst, ein kostenloses englischsprachiges Programm für die Auslegung, Simulation und Ertragsvorhersage, inklusive 3D-Verschattungsanalyse (www.pvsyst.com).