Solarkataster Zwischenwasser
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Solarkataster Zwischenwasser
Institut für Energiesysteme
Interstaatliche Hochschule für Technik Buchs NTB
Werdenbergstrasse 4
CH-9471 Buchs / SG
1 Zahlen Solarkataster
3‘320 Einwohner in Zwischenwasser.
10 Mio. kWh elektrischer Strom wird in Zwischenwasser jährlich verbraucht. Dies sind 3000
kWh pro Kopf.
15 Mio. kWh Elektr. Energie können über PV-Anlagen auf den geeigneten Dächern jährlich
produziert werden. Ein Drittel davon ist sehr gut geeignet (mehr als 920 kWh/kWpeak),
ein Drittel ist gut geeignet und ein Drittel ist geeignet für Photovoltaik.
17 MW Leistungspotential für PV-Anlagen auf den geeigneten Dachflächen, dies ist eine PV-
Fläche von über 100‘000 m2.
150 Millionen Datenpunkte für die Berechnung
1.5 1.5-mal mehr Strom kann in Zwischenwasser durch Photovoltaik auf den Dächern
produzieren, als Zwischenwasser selber verbraucht!
60% 60 % der Gebäude in Zwischenwasser können energieautonomi mit Wärme versorgt
werden. Annahme dass die Raumwärme und das Brauchwarmwasser durch eine
Wärmepumpeii erzeugt werden und so der Strom fürs Heizen selber produziert wird. Bei
Gebäuden jünger als 10 Jahre können sogar über 90% energieautonom betrieben werden.
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Inhalt
1 Zahlen Solarkataster ........................................................................................................................ 2
2 Funktionalität Solarkataster ............................................................................................................. 4
Flachdach ............................................................................................................................................. 4
Performance Ratio ............................................................................................................................... 4
Darstellung ........................................................................................................................................... 5
Attribute zu Einzelflächen.................................................................................................................... 5
Parameter im Solarkataster ................................................................................................................. 6
3 Aufbau Solarkataster........................................................................................................................ 6
4 Globalstrahlung ................................................................................................................................ 8
5 Strahlentransfermodel ..................................................................................................................... 9
6 Aufbau Software ............................................................................................................................ 10
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2 Funktionalität Solarkataster
Der Solarkataster zeigt das solare Energiepotential von Dachflächen. Der massgebliche Wert zur
Einteilung der Eignungsklasse ist die prognostizierte elektrische Jahresenergie pro installierte
Photovoltaik-Leistung und wird auch als spezifischer Ertrag (Yield) bezeichnet [kWh/kW].
Die Eignung von Dachflächen wird farblich dargestellt und ist eingeteilt in:
GELB: sehr gut geeignet für Photovoltaik (über 920 kWh/kW)
ORANGE: gut geeignet für Photovoltaik (820 bis 920 kWh/kW)
ROT: mässig gut geeignet für Photovoltaik (720 bis 820 kWh/kW)
Keine Markierung: Dachflächen, welche mit Ertrag kleiner 720 kWh/kW werden nicht
dargestellt.
Umgelegt auf die Stromgestehungskosteniii heisst dies:
GELB:
Darstellung
Die Darstellung erfolgt in einem Browser unter www.zwischenwasser.at
Das Gebäude kann durch Verschieben und Zoomen ausgewählt werden, oder über die Adressuche.
Für die Dachinformationen muss erst das „i“ auf der oberen Leiste aktiviert werden, anschliessend
kann die Dachfläche per Maus angeklickt werden und es erscheint ein neues Fenster mit den
Informationen zu der dargestellten Fläche.
Attribute zu Einzelflächen
DB Name Attribut Beschreibung
EIGNUNG Eignung GELB (sehr gut): über 920 kWh/kW;
ORANGE (gut): 820 - 919 kWh/kW;
ROT (mässig): 720 - 819 kWh/kW,
GELB schraffiert (sehr gut): Flachdach wird mit
Ausrichtung Süden (0°) und Aufständerung mit
Modulneigung 10° ausgewiesen. Flächenausnutzung liegt
bei 70%.
Flächen kleiner 719 kWh/kW werden nicht dargestellt.
SPEZERTR Spezifischer Ertrag Elektrische Energie pro Jahr bei pro kW, angegeben in
[kW/kW/a] kWh/kW pro Jahr. Bei Flachdach korrigiert um
Aufständerung (10° Neigung, Richtung Süden).
5
LEISTUNG Leistung [kW] Photovoltaikleistung der dargestellten Fläche. Die
Berechnung erfolgt ausgehend von der Modulfläche
unter Annahme von 16% Modulwirkungsgrad. Angabe in
kW.
ERTRAG Jahresertrag [kWh] Elektrischer Jahresertrag in kWh für die dargestellte
Fläche.
NEIGUNG Neigung [°] Neigung der dargestellten Teildachfläche in Grad.
MFLAECHE Fläche [m2] Zeigt die Grösse der dargestellten Teildachfläche in
Quadratmeter unter Berücksichtigung der Neigung an.
KOSTEN Anlagekosten [EUR] Anlagekosten für die dargestellte.
Parameter im Solarkataster
Parameter Wert Beschreibung
Koordinaten MGI Austria Koordinatensystem der Daten
GK West
upperValue 920 Schwellwert zwischen „sehr gut“ und „gut“
middleValue 820 Schwellwert zwischen „gut“ und „geeignet“
lowerValue 720 Schwellwert für „geeignet“ und nicht dargestellt
flachdachneigung 7 Schwellwert für Neigung der Dachfläche zur Erkennung
Flachdach (in Grad).
modulwirkungsgrad 0.16 Modulwirkungsgrad zur Bestimmung der PV-Leistung
pr 0.78 Performance Ratio zur Ertragsberechnung optimaler
Flächen.
spezKosten siehe iii PV-Kosten pro kW inkl. MwSt.
3 Aufbau Solarkataster
Grün dargestellt die Höhenmesspunkte des digitalen Oberflächenmodel (DOM) inklusiv
Bodenbedeckung (Gebäude, Bäume, …). Das DOM wurde durch eine Helikopterbefliegung im Jahr
2011 mittels Airborne Laserscan erstellt. Aus diesen Messpunkten wird durch Rasterung die
Oberfläche als Teilflächen berechnet. Rote Linien stellen die Gebäudegrundrisse aus der amtlichen
Vermessung dar.
Abbildung 1
6
Abbildung 2
Abbildung 2 zeigt die gerasterte Oberfläche. Abbildung 3 die 3D-Darstellung. Dunkelgrün entspricht
Flächen mit niederer Höhe (m.ü.M), rote Flächen zeigen Flächen mit grosser Höhe (m.ü.M).
Abbildung 3
Über den Gebäudegrundriss aus der amtlichen Vermessung, kann die Position des Dachs bestimmt
werden. Die Ermittlung der Dachgeometrie erfolgt aus den DOM-Daten.
Über die Neigung und die Ausrichtung der Flächen kann das Solarpotential berechnet werden. Durch
die gerechnete Oberfläche können auch die gegenseitigen Verschattungen berechnet werden.
Dadurch können umliegende Objekte (Gebäude, Bäume,…) berücksichtigt werden.
7
Die im Solarkataster gerechneten Daten entsprechen der farblich dargestellten Fläche. Sie bezieht
sich nicht auf die, im Foto links (Abbildung 4) erkennbare Dachfläche.
Aufgrund hochwachsender Bäume (grüne durchgezogene Linie) wird eine Dachfläche in zwei
Bereiche geteilt, welche unterschiedliche Erträge liefern. In Abbildung 4, Darstellung links, liefert die
rechte Teildachfläche einen geringeren Ertrag (orange Darstellung), als die grössere linke
Teildachfläche (gelb).
Abbildung 4
Die grün punktierte Linie markiert kleine Bäume oder Büsche vor dem Gebäude, welche zu keiner
Verschattung auf dem Dach führen.
4 Globalstrahlung
Für die Ermittlung des Potentials bei einem Solarkataster ist die am Ort vorherrschende Strahlung
von Bedeutung. Ausgangspunkt bildet die Jahresglobalstrahlung. Unter Globalstrahlung wird die
Strahlung von der unverschatteten Himmelshalbkugel auf die Horizontale verstanden.
Für die Bestimmung der Jahresglobalstrahlung werden die genauesten verfügbaren Messdaten
verwendet. Für Zwischenwasser sind es Messdaten des Satelliten Meteosat Second Generation
(MSG).
Abbildung 5 Meteosat Second Generation
85 Strahlentransfermodel
Neben der Genauigkeit der Globalstrahlung ist das Strahlentransfermodell das zentrale
Berechnungsmodell in einem Solarkataster.
Mit dem Strahlentransfermodell wird der Globalstrahlenwert, welcher für die Horizontale definiert
ist, umgerechnet auf die geneigte Fläche. D.h. die örtliche Globalstrahlung von HELIOMONT (definiert
für die horizontale Fläche) wird auf die geneigte Dachfläche umgerechnet.
Der, im Solarkataster verwendete Algorithmus „SKcalc“, zeichnet sich durch folgende Eigenschaften
aus:
1. Hohe Recheneffizienz. Notwendig für schnelle Berechnung des Strahlenpotentials für
grosse Region (> 500 km2).
2. Berücksichtigt Reflexionsverluste bei PV-Modulen.
3. Berücksichtigung der Verluste durch Temperatur.
4. Berücksichtigung des Schwachlichtverhaltens.
5. Berücksichtigung der gegenseitiger Abschattung durch Objekte (Gebäude, Bäume,…)
6. Berücksichtigung von Schnee
In Abbildung 6 ist die Zusammensetzung der Verluste dargestellt. Im linken Diagramm wird der
Einfluss der Modulneigung gezeigt bei Ausrichtung 0° Süden. Im rechten Diagramm wird die
Ausrichtung variiert (Süden = 0°, Norden = 180°, Westen = 90°, Osten = -90°), bei konstanter
Modulneigung 35°. Dabei nehmen die Verluste von Schwachlicht (gelb = Weak Losses) und
Reflexionsverluste (rot = Refl Losses), bei Ausrichtung Norden, zu.
0.25 SysLosses 0.35
TempLosses SysLosses
WeakLosses TempLosses
ReflLosses 0.3
WeakLosses
0.2
ReflLosses
0.25
0.15
Verluste [1]
Verluste [1]
0.2
0.15
0.1
0.1
0.05
0.05
0 0
-20 0 20 40 60 80 100 -200 -100 0 100 200
Neigung (bei Azimut 0°) Azimut (bei Neigung 35°)
Abbildung 6
96 Aufbau Software
Der „SKcalc“ Algorithmus wurde in MATLAB entwickelt und getestet. Für die Berechnung des
Solarkatasters wird ein Geoinformationssystem verwendet. Hierzu wird das Tool ArcGIS von ESRI Inc.
(Environmental Systems Research Institute) mit Sitz in Kalifornien/USA eingesetzt.
Für die Berechnung des Solarkatasters über ein grosse Gebiete (> 500 km2), ist ein leistungsfähiger PC
aufgrund der zu langen Rechenzeit nicht einsetzbar.
Aus diesem Grund war ein Wechsel auf eine leistungsfähige Infrastruktur notwendig. Für die
Berechnung wurde der HPC-Cluster des Instituts für Computational Engineering (ICE) eingesetzt.
Abbildung 7
Die SW-Struktur für die Berechnung des Solarkatasters wurde um die Funktionalität des
Multithreading erweitert, d.h. die SW unterstützt die Berechnung auf Multikern Architekturen,
wodurch die Entwicklung des Solarkatasters für grosse Region erst möglich wurde.
Weitere Informationen und Kontaktdaten:
Markus Markstaler
Institut für Energiesysteme
Interstaatliche Hochschule für Technik Buchs NTB
Werdenbergstrasse 4
CH-9471 Buchs / SG
Tel.nr +41 (81) 755 33 34
E-Mail: markus.markstaler@ntb.ch
Web: http://www.ntb.ch/ies
i
Energieautonom heißt das innerhalb einem Jahr gleich oder mehr Energie erzeugt wird als innerhalb einem
Jahr verbraucht wird (Jahresnullbilanz).
ii
Geschosshöhe 2.8 m; Bedarf Heizung 80 kWh/m2/a; Bedarf WW 14 kWh/m2/a; JAZ Heizung 3.3; JAZ WW 2.8.
iii
Berücksichtigung von 2.5% Kapitalzins, Dauer von 25 Jahre und PV-Preis nach „Strom vom eigenen Dach“
2015 von 1‘980 EUR/kWp inkl. MwSt. hinzu kommt ein Abzug für Förderungen von 275 EUR/kWp.
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