Fronius International, Photovoltaic Austria
Photovoltaik-Anlagen werden immer attraktiver. Gleichzeitig wird ihre Planung aufgrund der zunehmenden Nachfrage nach Kombinationen mit Batteriespeichern oder Wärmepumpen und Ladestationen immer anspruchsvoller. Unterstützung bei der Auslegung und Berechnung versprechen PV-Planungsprogramme.
Der Artikel kompakt zusammengefasst
■ Bei der Planung von Photovoltaik-Anlagen müssen zahlreiche Gesichtspunkte berücksichtigt werden:
■ Neben der verfügbaren Dachfläche und deren Ausrichtung, Dachneigung oder Verschattung müssen auch Anlagenkombinationen mit Batterie-, Wärme- oder Kältespeichern, BHKW- oder Wärmepumpensystemen beachtet werden.
■ PV-Planungsprogramme unterstützen bei der Auslegung, Wirtschaftlichkeitsberechnung, Variantenauswahl und Kundenberatung.
■ Wie sie sich funktional unterscheiden, für wen und für welche Einsatzbereiche sie geeignet sind, zeigt dieser tabellarische Produktvergleich.
Acca Software
War bei der Planung von Photovoltaik-Anlagen früher die Maximierung der Modulanzahl auf dem Dach für die größtmögliche Ertragsvergütung das Maß aller Dinge, ist es heute eher der Eigenverbrauch, eine optimale Integration von Batteriespeichern, Wärmepumpen, Ladesäulen, BHKWs oder der Klimatechnik.
Planerisch anspruchsvoll und strategisch durchaus relevant sind darüber hinaus auch unterschiedliche PV-Module, Modulausrichtungen, Dachneigungen, PVT-Module, Nachführsysteme oder besondere Verschattungssituationen. Dann ist man auf PV-Planungsprogramme zwingend angewiesen.
Was sie können und wie sie sich unterscheiden, zeigt dieser tabellarische Produktvergleich.
Einspeisen, selbst verbrauchen oder kurzzeitig zwischenspeichern?
Die wirtschaftlichen und rechtlichen Rahmenbedingungen für PV-Anlagenbetreiber sind aktuell günstig: Die Stromeinspeisung wird seit Juli 2022 besser vergütet, was auch für Anreize bei PV-Anlagen sorgt, die wenig oder keinen Eigenverbrauch haben und sich deshalb bisher nicht lohnten.
Vela Solaris
Die Neufassung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG 2023) enthält zudem einige Verbesserungen und Vereinfachungen für die Betreiber von Photovoltaik-Anlagen. Seit Januar 2023 gilt zudem bei Kauf, Lieferung und Installation von vielen gebäudenah installierten Photovoltaik-Anlagen und Stromspeichern eine Umsatzsteuer von 0 % (Nullsteuersatz). Weitere Verbesserungen sollen in bestimmten Anlagensegmenten mit dem Solarpaket 1 demnächst folgen.
Insbesondere der Eigenverbrauch von selbst erzeugtem Solarstrom ist so attraktiv wie nie zuvor, denn die Strompreise liegen inzwischen deutlich über der aktuellen Einspeisevergütung für Solarstrom aus neu in Betrieb genommenen Anlagen. Vermutlich wird diese Differenz weiter zunehmen, sodass (neben geringen Gestehungskosten) ein hoher Eigenverbrauchsanteil zu einem wichtigen Kriterium für die Wirtschaftlichkeit einer Photovoltaik-Anlage wird.
Dabei müssen allerdings neben den gesetzlichen Bestimmungen auch technische Möglichkeiten und Randbedingungen berücksichtigt werden. So helfen beim Eigenstromverbrauch Zeitschaltuhren oder intelligente Energiemanagementsysteme, den im Tagesverlauf in der Regel divergierenden Strombedarf und den selbst erzeugten PV-Strom in Einklang zu bringen.
Hottgenroth Software
Auch die Integration von Wärmepumpen, BHKW-Anlagen, Wärme- oder Kältespeichern, Klimaanlagen oder Ladestationen für Elektroautos und Elektrofahrräder kann den Eigenverbrauchsanteil erhöhen. Sind diese Möglichkeiten ausgeschöpft, bieten sich Batteriespeicher an. Damit kann man sowohl die Eigenstromnutzung als auch die Unabhängigkeit vom Netzbetreiber steigern und bei einer geeigneten Integration und Speicherausführung auch den Ausfall der öffentlichen Stromversorgung eine Zeitlang überbrücken.
Batteriespeicher werden immer leistungsfähiger, langlebiger und preiswerter. Die Wirtschaftlichkeit von Batteriespeichern hängt jedoch entscheidend davon ab, ob sie auf die jeweilige Anlage passend dimensioniert und abgestimmt werden. Maßgeblich sind dabei die Größe der Photovoltaik-Anlage, der Jahresstromverbrauch und das Lastprofil des zugehörigen Stromkunden.
Für die Planung, Auslegung und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung von Photovoltaik-Anlagen folgt daraus, dass Fläche und Leistung bei der Auslegung nicht mehr im Vordergrund stehen und neben technischen Parametern und Wechselwirkungen auch gesetzliche Rahmenbedingungen zu berücksichtigen sind. Das setzt Planungsprogramme voraus, die PV-Anlagen auf der Grundlage aktueller Technik und aktueller Gesetze, Richtlinien und Vorschriften auslegen und berechnen.
PV-Planung Schritt für Schritt
Die Funktionsweise der verfügbaren PV-Planungsprogrammen ist ähnlich: Nach der Projekt- und Kundendatenerfassung werden für den jeweiligen Standort Einstrahlungs-, Wind- und Schneelastdaten aus einer Klima-Datenbank entnommen. Danach müssen das Gebäude- bzw. Dachmodell sowie die Dachausrichtung, -neigung, -größe, -eindeckung und -konstruktion definiert werden.
IBC Solar
Um die wahlweise manuelle oder automatische Modulverteilung zu vereinfachen, werden anschließend Sperrflächen, respektive Grenzabstände zu Dachkanten, Dachgauben, Schornsteinen und sonstigen Dachaufbauten eingegeben. Hilfreich ist dabei ein Modulverlegungs-Assistent – vor allem dann, 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 eines Herstellers mit seinen technischen Kenndaten. Sind die Module, deren Verteilung und Verschaltung auf dem Dach festgelegt, können die Betriebsdaten berechnet werden. Zur Ermittlung der Einstrahlung, Verschattung, des Ertrags etc. wird die Anlage mit allen Komponenten mithilfe mathematischer Modelle abgebildet und in vorgegebenen Zeitschritten, meist im Stundentakt, berechnet.
Zusätzliche Anlagenkomponenten wie Module, Wechselrichter oder Stromspeicher können dabei jederzeit eingebunden und einzelne Einflussgrößen 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) der PV-Module.
Berechnen, nachweisen, optimieren
Zu den Ausgabedaten zählen die Einstrahlung, der Ertrag, der Eigenverbrauch oder die Höhe der Einspeisung, teilweise auch Speicherverluste, die Energiebilanz oder die Emissionsminderung. 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 Eigenverbrauch.
Levasoft
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 PV-Module inklusive Montagezubehör mit Preisen hinterlegt, können über die ermittelten Stücklisten Angaben 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.
Solarschmiede Software
Werden den Solarbauteilen 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, je nach Programm, mehr oder weniger realistisch visualisieren. Die Visualisierungsmöglichkeiten reichen von eher schematischen 2D-Ansichten bis hin zu fotorealistischen 3D-Darstellungen, inklusive des gewählten Dachmaterials, der umgebenden Vegetation etc.
Wo Sonne ist, ist auch Schatten …
Ihre Grenzen hat Software zur Projektierung von Solarstromanlagen im Detail. So werden Aspekte wie Modulverhalten, Modulträgheit, Leitungs- und Speicherverluste, Temperaturverhalten von Wechselrichtern, der Energieverbrauch, Nachführsysteme etc. gar nicht, nur teilweise oder nur überschlägig berücksichtigt.
Obwohl die Verschattung solare Erträge erheblich beeinflussen kann, fließt sie teilweise nur über einen Verschattungsfaktor überschlägig ein. Präzisere 3D-Verschattungsstudien bieten nur wenige Programme.
Probleme bereiten manchmal auch praktische Anforderungen – etwa wenn die Anlage auf mehrere Dächer verteilt werden soll oder mehrere Modulfelder oder Modultypen zur Anlage gehören. Auch unterschiedliche Dachneigungen – etwa vom Haus- und Garagendach oder die Gegenaufständerung auf der gegenüberliegenden Dachseite – bereiten einigen Programmen Schwierigkeiten. Eine Ost-/West-Modulausrichtung sehen ebenfalls nicht alle Programme vor.
Vela Solaris
Für TGA+E-Planer noch gravierender ist aber, dass zwar Batteriespeicher inzwischen von den meisten PV-Auslegungsprogrammen berücksichtigt werden, aber nicht alle Lösungen in der Lage sind, BHKWs oder Wärmepumpen in die PV-Anlage einzubinden und somit wichtige Fragen der Energie- und Wärmewende schwerlich beantworten können.
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 Solarsimulationen 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 im Hinblick auf die Höhe und zeitliche Verteilung.
Was bietet der Markt?
Derzeit gibt es rund 20 produktneutrale und produktspezifische Programme für die PV-Solaranlagenplanung mit unterschiedlichen Einsatz- und Zielgruppenschwerpunkten. In diesem Produktvergleich nicht berücksichtigt wurden kostenfreie, meist online aufrufbare Ertragsrechner für Hausbesitzer sowie mobile Applikationen (siehe Info-Kasten). Sie eigenen sich nur für eine überschlägige Dimensionierung, respektive für die Vor-Ort-Erfassung von Objektdaten wie Standort, Dachneigung und -ausrichtung, Verschattung etc. und teilweise zur Weitergabe der erfassten Daten an PV-Planungsprogramme.
Ebenfalls nicht berücksichtigt wurden fotobasierende Planungsprogramme, zum Beispiel Foto-Aufmaß Professional von Hottgenroth. Sie dienen nicht der hier im Fokus stehenden Berechnung, sondern der geometrischen Belegung und Visualisierung von Photovoltaik- oder Solarthermie-Modulen auf der Dachfläche.
Kostenfreie Konfigurationsprogramme wie der „StecaGrid Configurator“ eignen sich lediglich für die Grobauslegung einfacher Netzanlagen und die Berechnung des Stromertrags.
Envisys
Für die detaillierte Anlagenauslegung und -berechnung konzipierte PV-Planungsprogramme berechnen unter Berücksichtigung aller relevanten technischen Daten, Kennlinien, Leitungsverlusten oder der Verschattungssituation auch komplexe Hybridanlagen, deren Anlagenkomponenten und Zusammenspiel, die elektrische Verschaltung und Verkabelung sowie das erforderliche Montagesystem (etc.).
Damit können Fachplaner Anlagen auslegen und berechnen, sowie Solarteure zusätzlich die erforderlichen Komponenten und Mengen ermitteln. Simulationen ermöglichen zusätzlich präzise Ertrags- und Wirtschaftlichkeitsberechnungen sowie Anlagen-Optimierungen.
Dafür werden die Anlage in Zeitschritten anhand solarer Einstrahlungsdaten und Temperaturen simuliert und wichtige Daten wie Anlagenzustände oder Energiesummen im Stundentakt ermittelt. CAD-basierende Planungsprogramme, zum Beispiel DDScad PV, 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. Marian Behaneck
Fachberichte mit ähnlichen Themen bündelt das TGA+E-Dossier TGA+E-Software
Levasoft
Levasoft
Literatur und Infos
[1] DIN EN 15316-4-3 Energetische Bewertung von Gebäuden – Verfahren zur Berechnung der Energieanforderungen und Nutzungsgrade der Anlagen – Teil 4-3: Wärmeerzeugungssysteme, thermische Solaranlagen und Photovoltaikanlagen. Berlin: Beuth Verlag, September 2017
[2] DIN V 18599-9 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, September 2018
[3] DIN VDE 0100-712 Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 7-712: Anforderungen für Betriebsstätten, Räume und Anlagen besonderer Art – Photovoltaik-(PV)-Stromversorgungssysteme. Berlin: Beuth Verlag, Oktober 2016
[4] Gesamtverband der deutschen Versicherungswirtschaft e. V. (Hrsg.): Photovoltaikanlagen (VdS 3145), Eigenverlag, Köln, 2017, Download: www.bit.ly/tga1455
[5] Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE (Hrsg.): Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland, Freiburg: Eigenverlag, 2023, Download: www.bit.ly/tga1456
[6] Wagner, A.: Photovoltaik Engineering. Handbuch für Planung, Entwicklung und Anwendung. Berlin: Springer Vieweg Berlin 2019
Valentin Software
[7] Weitere Infos (Auswahl):
• www.baunetzwissen.de Baunetz Wissen „Solar“
• www.photon.info/de Solarstrom-Magazin
• www.photovoltaik.eu Solarstrom-Magazin
• www.pv-magazine.de Newsplattform und Solarstrom-Magazin
• www.pvaustria.at Bundesverband Photovoltaic Austria
• www.solarserver.de Solarportal mit Software-Übersicht
• www.sonnenenergie.de Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie
• www.solaranlagen-portal.com PV- und ST-Solaranlagen-Portal
• www.solarwirtschaft.de Bundesverband Solarwirtschaft
• www.sonnewindwaerme.de Plattform für erneuerbare Energien
[8] Weitere Anbieter / Produkte (Auswahl):
• EasySolar www.easysolar.app
• MF Solar www.friedrich-datentechnik.de
• PVSyst www.pvsyst.com
• SolarEdge Designer www.solaredge.com/de
• SolarGeo3D www.nefa-kassel.de
• Sunny Design www.sma.de
• Tri-Design www.tritec-energy.com
• ViCADo.solar www.mbaec.de
Kostenlose Ertragsrechner …
… ermöglichen eine erste Ertragsabschätzung. Werden Standort, Dachausrichtung, Leistung und Anlagentechnik in eine Eingabemaske eingetragen, erhält man eine grobe Ertragsprognose. Beispiele sind PVCALC (www.pvcalc.org/de/pvcalc) oder PV PV*SOL online (pvsol-online.valentin-software.com). Auch kostenlose Android- und iOS-Solarplaner-Apps gibt es bereits, teilweise inklusive Einstrahlungs- und Netzeinspeisungsberechnung, GPS-Ortsbestimmung und Dachneigungserfassung etc. Beispiele sind die EasySolar App, der IBC Solarstromrechner, SunOnTrack oder der Vario Solar-Ertragsrechner.
