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Bessere Abschätzung des Solarpotenzials dank passenden Wetterdatensätzen

Von: Christof Biba  (SPF News-Artikel vom 24.09.2020)

Die 1974 gegründete Internationale Energieagentur (IEA) organisiert verschiedene Programme zur Förderung der globalen Zusammenarbeit bei Energiethemen. Das Photovoltaic Power Systems Program (PVPS) konzentriert sich dabei auf Photovoltaiksysteme. Ein aktueller Themenbereich des PVPS ist im Task 16 als «Solar resource for high penetration and large scale applications» aufgeführt. Hierbei sollen die solaren Ressourcen auf Basis gemessener und künstlich generierter Wetterdaten beurteilt werden. Die Relevanz von örtlich und zeitlich hochaufgelösten Einstrahlungsdaten ist insbesondere in Ländern relevant, deren Solaranteil über 2 % der jährlichen Stromerzeugung liegt – dieser Wert ist in der Schweiz bereits überschritten. Grund hierfür sind vor allem die grossen Leistungsschwankungen, welche kurzfristig zu einem Solarstromanteil von bis zu 20 % führen können.

Relevanz von Einstrahlungsdaten

Für den Bau und den Betrieb von Solaranlagen spielen die Einstrahlungsdaten in drei Phasen eine zentrale Rolle:

  1. Die Langzeitwerte dienen als Kriterium für die geeignete Standortwahl neuer Solaranlagen.

  2. Die Vorhersage des Anlagenertrags über die Laufzeit hat einen Einfluss auf das Anlagendesign und die Finanzierung.

  3. Während des Betriebs sind Echtzeitwerte und Vorhersagen über die Energieerzeugung für den Anlagen- und Netzbetreiber wichtig.

IEA PVPS Task 16

Der IEA PVPS Task 16 wird von Jan Remund (Meteotest, Bern) geleitet. Das Institut für Solartechnik (SPF) der OST ist mit einem Team unter der Leitung von Prof. Christof Biba und einer Co-Finanzierung durch das Bundesamt für Energie (BFE) am Projekt beteiligt. Nach einer erfolgreichen ersten Phase (2017 – 2020) folgt nun die zweite Phase des Projekts bis 2023. Das SPF beteiligt sich einerseits bei der Untersuchung von bodengestützten Messmethoden zur Erfassung der Einstrahlung (Dr. Mercedes Rittmann-Frank). Andererseits unterstützt es die Forschung über den Einfluss der unterschiedlichen Jahresverläufe der Einstrahlung auf die Resultate von Systemsimulationen (Dr. Dani Carbonell und Jeremias Schmidli). Zusätzlich wurde vor zwei Jahren eines der Task-Meetings in Rapperswil mit globaler Beteiligung organisiert (Abbildung 1).

Abbildung 1: 3. Experten-Workshops PVPS Task 16 in Rapperswil 2018, Teilnehmende
Foto 3. Experten-Workshops PVPS Task 16 in Rapperswil 2018, Teilnehmende
Abbildung 1: Besichtigung des Sonnensimulators des SPF
Foto Besichtigung des Sonnensimulators des SPF

Simulationen von Netto-Nullenergie-Gebäuden mit unterschiedlichen Wetterdaten

Im Projekt von Dr. Dani Carbonell und Jeremias Schmidli werden verschiedene Systeme hinsichtlich ihrer Abhängigkeit unterschiedlicher Wetterdaten untersucht. Ein Fokus liegt dabei auf der Simulation von Netto-Nullenergie-Gebäuden. Konkret werden Mehrfamilienhäuser untersucht, welche wärmepumpenbasierte Heizsystemen in Kombination mit Photovoltaikanlagen betreiben. Letztere werden so gross dimensioniert, dass sie im Verlauf eines Jahres gleich viel Strom produzieren, wie vom Gebäude verbraucht wird. Als Wärmequelle der Wärmepumpe kommen beispielsweise Luft, Bodenwärme und Solarkollektoren mit Eisspeicher in Frage.

Für die sechs Standorte Basel (BAS), Bern (BER), Davos (DAV), Genf (GVE), Locarno (OTL) und Zürich (SMA) werden die entsprechenden Systeme mit unterschiedlichen Wetter-Datensätzen simuliert. Die Untersuchungen werden dabei mit dem Simulationsprogramm TRNSYS 17 sowie der am SPF entwickelten Python-Simulationsumgebung Pytrnsys durchgeführt. Simulationen mit mehrjährigen Messdaten werden mit den Simulationen unterschiedlicher jährlicher Wetter-Datensätze verglichen.

Abbildung 2: Vergleich des jährlichen Strahlungsverlaufs IG,H der unterschiedlichen Wetter-Datensätze.
Abbildung Vergleich des jährlichen Strahlungsverlaufs I_G,H der unterschiedlichen Wetter-Datensätze

In Abbildung 2 sind die Globalstrahlungsverläufe (IG,H) der untersuchten Datensätze zu sehen. Für das stündliche (HMY), das tägliche (DMY) und das monatliche (MMY) Medianjahr wurden jeweils strahlungstypische Perioden aneinandergereiht. Beim Typical Meteorological Year (TMY) werden typische Monate aufgrund der Kriterien Strahlung, Temperatur, Taupunkt und Windgeschwindigkeit aneinandergereiht. Beim SIA-DRY handelt es sich um ein Design Reference Year (DRY) des Schweizerischen Ingenieur- und Architekten Verein (SIA). Auch für diesen Datensatz wurden typische Monate aneinandergereiht. Es beruht jedoch auf älteren Daten und basiert auf den Parametern Temperatur, Strahlung und Luftfeuchtigkeit. Beim MN-WS handelt es sich um ein synthetisches Jahr von Meteonorm (MN), welches aufgrund von monatlichen Messwerten für die jeweilige Wetterstation (WS) stochastisch erstellt wurde. Es ist gut ersichtlich, dass das aus älteren Daten generierte SIA-DRY einen signifikant tieferen Strahlungsverlauf hat. Dies konnte für alle Stationen beobachtet werden.

Abbildung 3: Unterschiede im Selbstversorgungsgrad der verschiedenen Datensätze gegenüber der 14-Jahres-Simulation für das Luftwärmepumpensystem (ΔRsuff).

Exemplarische Simulationsergebnisse sind in Abbildung 3 dargestellt. Gezeigt wird der Unterschied des Selbstversorgungsgrads der Simulationen mit den Jahresdatensätzen gegenüber der jeweiligen Simulationen mit einem Messdatensatz über 14 Jahre (ΔRsuff). Der Selbstversorgungsgrad (Rsuff) berechnet sich wie folgt:

Mathematische Formel für R_suff

Wobei:

Elsys = Gesamtstromverbrauch für Heizung und Warmwasser
Elh     = Stromverbrauch für den Haushalt
Elgrid  = Stromverbrauch, welcher vom Netz bezogen wird

∅ bezeichnet den Durchschnitt der verschiedenen Abweichungen. ∅abs bezeichnet den Durchschnitt der entsprechenden Beträge.

Die auf monatlichen Werten basierenden Datensätze (MMY und TMY) liefern die genausten Abschätzungen des Selbstversorgungsgrads. Die durchschnittliche Abweichung liegt bei 2.0 % und 2.3 %. Die auf älteren Werten beruhende Datensätze SIA-DRY führen hingegen zu den grössten Abweichungen.


Foto Christof Biba


Autor:
Prof. Christof Biba
SPF Institut für Solartechnik
OST – Ostschweizer Fachhochschule

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