Technische InfosEinleitung: Hinter den Kulissen der Ertragsberechnung
Wenn sich ein Photovoltaik-Installateur oder -Projektentwickler fragt, wie leistungsfähig ein künftiges Solarkraftwerk sein wird, stellt sich immer dieselbe Frage: „Wie hoch wird die jährliche Energieproduktion meiner Anlage sein?“
Hinter dieser scheinbar einfachen Frage verbirgt sich jedoch eine ganze Reihe komplexer Berechnungen. Eine professionelle PV-Simulationsanwendung ist notwendig, um meteorologische Daten, physikalische Modelle (z. B. das elektrische Verhalten von Modulen und Wechselrichtern), Energieflüsse zwischen Erzeugung, Verbrauch und Einspeisung sowie statistische Methoden zur realistischen Ertragsabschätzung miteinander zu kombinieren.
In diesem Artikel erhalten Sie einen detaillierten Einblick hinter die Kulissen dieser Berechnungen. Sie erfahren, wie Softwarelösungen die künftige Leistung einer Anlage bestimmen, warum diese Ergebnisse für das Design und die langfristige Stabilität eines Projekts entscheidend sind und wie ein Tool wie archelios PRO komplexe Mechanismen in verlässliche und umsetzbare Analysen übersetzt.
Den spezifischen Ertrag verstehen: zentrale Grundlagen
Bevor wir tiefer in die Berechnung einsteigen, klären wir einige wichtige Begriffe:
- Spezifischer Ertrag (kWh/kWp-Jahr): Energie, die die Anlage pro installiertem Kilowattpeak in einem Jahr erzeugt.
- P50 / P75 / P90: Statistische Kennzahlen, die die Wahrscheinlichkeit angeben, ein bestimmtes Produktionsniveau zu erreichen.
- Nahe und ferne Verschattungen: Hindernisse in unmittelbarer Umgebung (Gebäude, Bäume) sowie weiter entfernte Geländestrukturen (Horizont), die die Einstrahlung mindern.
- Albedo: Reflektivität einer Oberfläche (1 = vollständige Reflexion, 0 = vollständige Absorption).
- IAM (Incident Angle Modifier): Verluste durch Reflexion, die mit steilerem Einfallswinkel der Sonnenstrahlen zunehmen.
Diese Begriffe bilden die Grundlage für das Verständnis der Berechnungsmechanismen.
Wetterdaten: das Fundament jeder Simulation
Der erste und wichtigste Faktor jeder Ertragsberechnung ist die lokal verfügbare Solarstrahlung. Ein einzelnes Jahr zu betrachten, reicht nicht aus. Professionelle Software nutzt daher langfristig gemittelte Wetterdaten aus zuverlässigen Quellen wie Meteonorm, SolarGIS, 3E, NREL, Helioclim oder PVGIS.
Diese Datensätze enthalten u. a.:
- jährliche globale Bestrahlung,
- Anteil direkter und diffuser Strahlung,
- Umgebungstemperatur
- Windgeschwindigkeit.
Alle diese Parameter beeinflussen direkt die Temperatur der Module und damit deren tatsächliche Leistung. Die vor Ort erhaltene Bestrahlung, die Umgebungstemperatur und die Windgeschwindigkeit beeinflussen die Temperatur der Module und damit deren Leistung. Zuverlässige Wetterdaten sind deshalb der Ausgangspunkt jeder belastbaren Produktionssimulation.
Die Standortumgebung
Die Einstrahlung auf die Module hängt wesentlich von der Umgebung des Standorts ab.
Ferne Verschattung: Gelände und Horizont
Satellitendaten (z. B. der NASA) ermöglichen die Berechnung des Horizontprofils, welches umliegende Hügel oder Topografien abbildet. Diese Strukturen verursachen oft Schatten bei Sonnenauf- und -untergang und reduzieren damit die verfügbare Einstrahlung.
Orientierung und Neigung
Module werden nahezu nie flach montiert. Ausrichtung und Neigungswinkel bestimmen, wie viel Strahlung in der Modulebene tatsächlich ankommt, inklusive der IAM-bedingten Reflexionsverluste.
Nahe Verschattung und 3D-Modellierung
Schatten von Gebäuden, Brüstungen, Modulreihen oder Bäumen wirken sich teilweise auf jedes Modul unterschiedlich aus. Eine präzise 3D-Modellierung ist daher unverzichtbar, um:
- zeitabhängige Verschattungen realistisch abzubilden,
- Einstrahlungsunterschiede zwischen einzelnen Modulen zu erfassen.
Dies ist besonders bei komplexen oder verschattungsintensiven Anlagen entscheidend.
Modulleistung
Selbst optimal ausgerichtete Module liefern in der Praxis selten ihre Nennleistung. Verschiedene physikalische Faktoren beeinflussen das reale Verhalten.
Modultemperatur
Wärme verringert die Effizienz von PV-Modulen und gehört zu den wichtigsten Verlustquellen. Die Software berechnet die Zelltemperatur anhand von:
- Einstrahlung,
- Umgebungstemperatur
- Windgeschwindigkeit
- Hinterlüftung.
Verschmutzung
Staub, Sand und Pollen können die Leistung beeinträchtigen. In mitteleuropäischen Klimazonen liegen die Verluste meist bei bis zu 4 %, können jedoch z. B. in Wüstenregionen, landwirtschaftlichen Gebieten oder Steinbrüchen deutlich höher sein.
Schwachlichtverhalten
Die Effizienz der Module nimmt bei geringer Einstrahlung ab. Diese Effekte sind Teil der detaillierten Ertragssimulation.
LID und Alterung
LID (Light Induced Degradation) setzt bereits in den ersten Sonnenstunden ein. Hinzu kommt die natürliche jährliche Alterung, die über die gesamte Lebensdauer der Anlage berücksichtigt werden muss.
Bifaziale Module: Energiegewinn über die Rückseite
Bifaziale Module erzeugen zusätzlich Energie aus rückseitig reflektiertem Licht. Dieses hängt wesentlich von der Bodenbeschaffenheit und deren Albedo ab. Die Simulation berücksichtigt:
- rückseitige Einstrahlung,
- deren räumliche Ungleichmäßigkeit (Mismatch-Effekte),
- teilweise Lichtdurchlässigkeit zwischen Zellen und Modulreihen.
Eine präzise Modellierung ist entscheidend für korrekte Ertragsprognosen und eine optimale Dimensionierung bifazialer Anlagen. Eine verbesserte Genauigkeit ermöglicht einen zuverlässigen Vergleich der Größenvariablen, die den größten Einfluss auf den bifazialen Gewinn haben, wie Inklination, Höhe der Module vom Boden oder Dach, Abstand zwischen Modulreihen usw.
Elektrische Systemarchitektur
Kabelverluste
DC- und AC-Kabel verursachen unvermeidliche Übertragungsverluste. Wenn genaue Leitungslängen noch unbekannt sind, werden typische Standardwerte (z. B. 1 %) angesetzt; anschließend simuliert die Software die realen Betriebsverluste.
Die Leistung des Wechselwechsels
Der Wechselrichter ist eine der wichtigsten Komponenten zur Verwaltung von PV-Modulstrings und zur Umwandlung von Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) für den Vor-Ort-Verbrauch oder Netzzuspeisung. Er muss so dimensioniert sein, dass Strom und Spannung der Installation korrekt gesteuert werden, mit korrekter Verwaltung der Modulketten, möglicherweise verteilt über verschiedene Belichtungen. Die Simulation berücksichtigt:
- DC/AC-Wirkungsgrad,
- Clipping-Verluste bei Überdimensionierung der DC-Leistung,
- Betriebsbereiche von Strom und Spannung,
- Blindleistungsmanagement,
- ggf. Einspeisebegrenzungen durch den Netzbetreiber.
Verfügbarkeit und Wartung
Wartungsfenster, potenzielle Ausfälle oder Netzunterbrechungen werden als Verfügbarkeitsparameter modelliert und reduzieren die Jahresproduktion.
Von der Physik zur Statistik: von P50 bis P90
Nachdem alle Verluste ermittelt wurden, ergibt sich zunächst die P50-Produktion: die mittlere zu erwartende Jahreserzeugung. Diese Schätzung unterliegt jedoch mehreren Unsicherheiten:
- verwendete Wetterdaten,
- Modellgenauigkeit der 3D-Umgebung,
- Verschmutzung,
- Systemverfügbarkeit,
- exakte Moduldaten,
- Modellierungsansätze,
- natürliche Schwankung der Solarressource zwischen den Jahren.
Diese Unsicherheiten werden in ein statistisches Modell (meist Normalverteilung) integriert. Dadurch entstehen:
- P50: durchschnittlich erwartete Produktion,
- P75: Szenario mit moderatem Risiko,
- P90: konservative Ertragsprognose, die in 90 % der Fälle überschritten wird.
Diese Indikatoren ermöglichen es Investoren und Banken, die finanzielle Robustheit des Projekts zu bewerten.
Wie professionelle Software diese komplexen Mechanismen in konkreten Mehrwert überführt
Eine Software wie archelios PRO nutzt all diese Modelle und Daten, um eine verlässliche, konsistente und fundierte Einschätzung der künftigen Energieproduktion bereitzustellen. Der besondere Mehrwert liegt in:
- hoher Genauigkeit der Daten und Berechnungen,
- zuverlässigen Wetterdatenbanken und umfangreichen Gerätekatalogen,
- fortgeschrittener 3D-Modellierung,
- transparenter Darstellung aller Annahmen,
- Erstellung bankfähiger (bancable) Berichte (P50/P90).
So entsteht aus einer einfachen Potenzialanalyse eine vollständige, investitionsrelevante Bewertung, wie sie Investoren, Endkunden und Finanzierungspartner benötigen.
Fazit: Von Solarressourcen zu belastbaren Ertragsprognosen
Die Berechnung der PV-Erträge ist weit mehr als eine theoretische Übung: Sie ist ein präziser, interdisziplinärer Prozess, der Meteorologie, Physik, Thermik, Elektronik und Statistik verbindet. Eine leistungsfähige Simulationsanwendung macht diese Komplexität beherrschbar und liefert zuverlässige Prognosen. Diese sind entscheidend, um das Design zu optimieren, Investitionen abzusichern und die langfristige Stabilität eines Projekts zu gewährleisten.
Mit professionellen Werkzeugen wie archelios PRO lassen sich PV-Installationen präzise simulieren, transparent bewerten und auf einem fachlich hochwertigen Niveau präsentieren, das den Anforderungen des Marktes entspricht.
Dieser Artikel wurde verfasst von :
Carl WARD
Produktmanager Photovoltaik - Trace Software
Carl WARD spielt eine Schlüsselrolle in der Entwicklung unserer Archelios-Softwarereihe, die sich der Planung und Optimierung von Photovoltaikprojekten widmet. „Mit großer Leidenschaft und Fachwissen entwickeln wir Lösungen, die Fachleute gezielt unterstützen – für eine leistungsstärkere, zugängliche und nachhaltige Solarenergie.“
