Photovoltaik Anlagenplanung

Photovoltaik (PV-)Anlagen werden immer attraktiver, deren Planung aufgrund der zunehmenden Nachfrage nach Kombinationen mit Batteriespeichern oder Wärmepumpen aber immer anspruchsvoller. PV-Planungsprogramme unterstützen die Beratung und Auslegung. War bei der PV-Anlagenplanung früher die Maximierung der Modulanzahl auf dem Dach für größtmögliche Erträge das Maß aller Dinge, sind es heute eher der Eigenverbrauch und eine optimale Integration von Batteriespeichern, Wärmepumpen, Blockheizkraftwerken (BHKW) oder der Klimatechnik.

Oct 31, 2023 - 07:52

Photovoltaik (PV-)Anlagen werden immer attraktiver, deren Planung aufgrund der zunehmenden Nachfrage nach Kombinationen mit Batteriespeichern oder Wärmepumpen aber immer anspruchsvoller. PV-Planungsprogramme unterstützen die Beratung und Auslegung. War bei der PV-Anlagenplanung früher die Maximierung der Modulanzahl auf dem Dach für größtmögliche Erträge das Maß aller Dinge, sind es heute eher der Eigenverbrauch und eine optimale Integration von Batteriespeichern, Wärmepumpen, Blockheizkraftwerken (BHKW) oder der Klimatechnik. Planerisch anspruchsvoll sind darüber hinaus auch unterschiedliche PV-Module, Modulausrichtungen, Dachneigungen, Nachführsysteme oder besondere Verschattungssituationen. Dann ist man auf PV-Planungsprogramme zwingend angewiesen. Was können sie und wie unterscheiden sie sich?

PV-Anlagen setzen vor der Installation und Montage eine sorgfältige Planung voraus. © EKT Klaus Hohenwarter, Photovoltaic Austria

Einspeisen, selbst verbrauchen oder speichern?

Wichtig für die Förderung, aber auch für die Auslegung von PV-Anlagen ist die Frage, ob der produzierte Strom in das öffentliche Netz eingespeist, selbst verbraucht oder gespeichert werden soll. Da die Strompreise in den vergangenen Jahren kontinuierlich steigen, während die Einspeisevergütungen sinken, wird der Eigenverbrauch von selbst erzeugtem Solarstrom immer attraktiver. Diese Entwicklung wird vermutlich weiter fortschreiten, so dass ein hoher Eigenverbrauchsanteil zu einem wichtigen Kriterium für die Wirtschaftlichkeit einer PV-Anlage wird. Dabei müssen allerdings neben gesetzlichen Bestimmungen auch technische 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. 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 und möglichen Stromausfällen steigern. Batteriespeicher werden zwar immer leistungsfähiger, langlebiger und preiswerter, deren Wirtschaftlichkeit hängt jedoch entscheidend davon ab, ob sie auf die jeweilige Anlage passend dimensioniert und abgestimmt werden. Maßgeblich sind dabei die Größe der PV-Anlage, der Jahresstromverbrauch und das Lastprofil des jeweiligen Haushalts. 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 zu berücksichtigen sind. Das setzt Planungsprogramme voraus, die PV-Anlagen auf der Grundlage aktueller Technik und aktueller Gesetze, Richtlinien und Vorschriften auslegen und berechnen.

Neben Standort- und Klimadaten spielen geometrische Verschattungssimulationen eine wichtige Rolle bei der Ertragsberechnung. © IBC Solar

PV-Planung Schritt für Schritt

Die Funktionsweise von PV-Planungsprogrammen ist ähnlich: Nach der Projekt- und Kundendatenerfassung werden für den jeweiligen Standort Einstrahlungs-, Wind- und Schneelastdaten aus der 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 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, kann berechnet werden. Zur Ermittlung der Einstrahlung, Verschattung, des Ertrags etc. wird die Anlage mit allen Komponenten mit Hilfe mathematischer Modelle rechnerintern abgebildet und in vorgegebenen Zeitschritten, meist im Stundentakt, für ein komplettes Jahr berechnet. Zusätzliche Anlagenkomponenten wie Module, Wechselrichter oder Stromspeicher können dabei jederzeit eingebunden und einzelne Einflussgrößen variiert werden, so dass 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.

Sowohl die Dachkonstruktion als auch die geometrische Auslegung auf der Dachfläche wird durch Automatismen unterstützt. © Trace Software International

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 Emissionseinsparung. Neben Berechnungen und Nachweisen ist auch eine Optimierung von Anlagen möglich – nicht nur nach dem maximalen Anlagenertrag, sondern auch nach maximaler Wirtschaftlichkeit, dem maximalen Deckungsgrad oder Strom-Eigenverbrauch. Die Ergebnisse werden in Form von Grafiken, Schaubildern und Tabellen übersichtlich dargestellt. Wie die Anlage auf einem neuen oder bestehenden Dach aussieht, wird ebenfalls angezeigt. Der Realitätsgrad der Darstellungen ist jedoch programmabhängig und reicht von schematischen 2D-Dachaufsichten bis hin zu fotorealistischen Visualisierungen – inklusive des gewählten Dachmaterials, der umgebenden Vegetation und einer tageszeitabhängigen Verschattungsdarstellung. Ausgegeben werden auch Anlagenübersichtspläne, Elektro-Schemapläne, Montage- und Stringpläne oder Berechnungen für Windsog und Schneelast. Sind die PV-Module inklusive Montagezubehör mit Preisen hinterlegt, können Stücklisten ausgegeben oder Angebote berechnet oder Ausschreibungstexte exportiert werden. Ertrags- und Wirtschaftlichkeitsberechnungen für Variantenvergleiche und die Kundenberatung werden ebenso ausgegeben. Dabei werden Einflussgrößen wie Investitions- und Betriebskosten, die Steuerersparnis, der Standort, die Modulqualität, der Anlagenwirkungsgrad sowie die Höhe der Einspeisevergütung berücksichtigt.

Angesichts steigender Strompreise werden der Eigenverbrauch und die Integration von Wärmepumpen, Ladestationen oder Batteriespeichern immer wichtiger. © Hottgenroth Software

Wo Sonne ist, ist auch Schatten…

Ihre Grenzen haben Solaranlagenplanungs-Programme im Detail. So werden Aspekte wie Modulverhalten, Modulträgheit, Leitungs- und Speicherverluste, Temperaturverhalten von Wechselrichtern, der Energieverbrauch, Nachführsysteme und so weiter nicht, nur teilweise oder nur überschlägig berücksichtigt. Obwohl die Verschattung solare Erträge erheblich beeinflussen kann, wird sie teilweise nur über einen Verschattungsfaktor überschlägig berücksichtigt. Präzisere 3D-Verschattungsstudien ermöglichen 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 eine unterschiedliche Dachneigung – etwa vom Haus- und Garagendach oder eine Gegenaufständerung auf der gegenüberliegenden Dachseite – bereiten einigen Programmen Schwierigkeiten. Eine Ost-/West-Modulausrichtung sehen ebenfalls nicht alle Programme vor. Gravierender ist, 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. 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 Prozent deutlich über oder unter den berechneten Erträgen liegen. Die größten Unterschiede zwischen Simulation und realen Betriebsergebnissen entstehen aber im Zusammenhang mit den angenommenen und den tatsächlichen Verbrauchswerten, deren Höhe und zeitlichen Verteilung.

Anschauliche Diagramme und Reports zur Finanzierung, Wirtschaftlichkeit und Rentabilität von Anlagen vereinfachen die Beratung. © Luxea

Was bietet der Markt?

Parallel zum Solaranlagen-Boom wird aktuell eine beachtliche Anzahl an digitalen Planungshilfen für Photovoltaikanlagen mit unterschiedlichen Einsatz- und Zielgruppenschwerpunkten angeboten. Kostenfreie, meist online aufrufbare Ertragsrechner für Hausbesitzer sowie mobile Applikationen wie PVCALC, PV PV*SOL online, EasySolar App, der IBC Solarstromrechner, SunOnTrack oder der Vario Solar-Ertragsrechner eigenen sich nur für eine überschlägige Dimensionierung, respektive für die Vor-Ort-Erfassung von Objektdaten wie Standort, Dachneigung und -ausrichtung, Verschattung etc. Fotobasierende Planungsprogramme, wie zum Beispiel Foto-Aufmaß Professional von Hottgenroth dienen nicht der Berechnung, sondern lediglich der geometrischen Belegung und Visualisierung von Photovoltaik- oder Solarthermie-Modulen auf der Dachfläche. Kostenfreie Konfigurationsprogramme eignen sich nur für die Grobauslegung einfacher Netzanlagen und die Berechnung des Stromertrags. Für die detaillierte Anlagenauslegung und -berechnung konzipierte PV-Planungsprogramme (siehe Info-Kasten) berechnen auch komplexe Hybridanlagen, deren Anlagenkomponenten und Zusammenspiel, die elektrische Verschaltung und Verkabelung, das erforderliche Montagesystem etc., unter Berücksichtigung aller relevanten technischen Daten, Kennlinien, Leitungsverlusten oder der Verschattungssituation. Damit können Planer Anlagen auslegen und berechnen und Fachfirmen zusätzlich die erforderlichen Komponenten und Mengen ermitteln.

Digitale Anlagenplaner sind heute eine Grundvoraussetzung für eine optimale Auslegung und einen wirtschaftlichen Betrieb von PV-Anlagen die teilweise auch die gesamte Gebäudetechnik einbeziehen können. © Graphisoft Building Systems

CAD-basierende Programme, wie zum Beispiel DDScad PV von Graphisoft Building Systems, sind um ein PV-Planungsmodul ergänzte CAD-Programme, die eine automatische Modulbelegung, 3D-Visualisierung, 3D-Verschattungssimulation, Ausführungsplanung und Ausschreibung von Anlagen ermöglichen. Nahezu alle Programme bieten eine Zeitschritt-Simulation, die präzise Ertrags- und Wirtschaftlichkeitsberechnungen sowie Anlagen-Optimierungen ermöglicht. Dabei werden die Anlage in Zeitschritten anhand solarer Einstrahlungsdaten und Temperaturen simuliert und wichtige Daten wie Anlagenzustände oder Energiesummen im Stundentakt für ein komplettes Jahr ermittelt.

Die Visualisierungsfunktionen reichen vom 2D-Schemaplan bis hin zu anschaulichen 3D-Darstellungen, die teilweise auch die gesamte Gebäudetechnik einbeziehen können. © Graphisoft Building Systems