Potential von Solarstrom in Frauenfeld

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1 Kantonsschule Frauenfeld Maturaarbeit Potential von Solarstrom in Frauenfeld Silas Odermatt 4md Betreuer S. Schärer Fach Geographie 0 Kantonsschule Frauenfeld 24. Oktober 2011

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort Einleitung Fragestellung Hypothese Definition zentraler Begriffe Verschiedene Möglichkeiten zur Solarenergienutzung Thermische Solarenergienutzung Photovoltaik Theoretische Grundlagen Vorgehen Resultate Diskussion Zusammenfassung Literaturliste Anhang

3 Vorwort Bei der Wahl des Themas für meine Maturaarbeit war mir dessen Aktualität wichtig und zudem wollte ich selbstständig einen kleinen Forschungsbeitrag leisten. Diese Bedingungen erfüllt das gewählte Thema vollständig. Danken möchte ich an dieser Stelle meinem Betreuer Herrn Simon Schärer, welcher mich die ganze Zeit begleitete und mir in schwierigen Situationen weiterhalf und Tipps gab. Weiter möchte ich Herrn Christof Helbing, Leiter des Hochbauamtes der Stadt Frauenfeld, danken, denn ohne seine Freigabe für das Webportal der Stadt Frauenfeld und seinen Tipps hätte ich die Berechnungen nicht durchführen können. 1. Einleitung Die vorliegende Maturaarbeit befasst sich mit dem Potential von Solaranlagen auf den Dächern im Quartier Huben in Frauenfeld. Das Gebiet, in dem sich die Häuser befinden, liegt im Süd-Osten von Frauenfeld auf 490m.ü.M. Es umfasst 162 Häuser, 14 Mehrfamilienhäuser und einen ehemaligen Bauernhof. Abb. 1 Lageplan des Gebiets 1

4 Das Thema Solarenergie ist sehr aktuell. Dies hat diverse Gründe. Der erste Grund ist, dass die fossilen Energieträger ausgehen und daher immer teurer werden. Auch wird durch die Nutzung dieser fossilen Energieträger sehr viel CO 2 freigesetzt, was zum Treibhauseffekt beiträgt. Der zweite Grund ist die Atomenergie. Aufgrund des Unfalls in Fukushima ist das Thema in der Politik sehr aktuell. Ein Atomausstieg wird gefordert und die Parteien prüfen Szenarien für eine atomfreie Zukunft in der Schweiz. Im Kanton Thurgau hat die Katastrophe in Fukushima einen Solarstrom-Boom ausgelöst, wie dies der Thurgauer Zeitung vom 1. Juli 2011 entnommen werden kann. In diesem Jahr hat der Kanton bereits 154 Gesuche um Beiträge an neue Photovoltaikanlagen bewilligt. Dies sind mehr als im ganzen Jahr Diese Ausgangslage hat mich dazu bewogen, mich intensiv mit dieser Thematik auseinanderzusetzen. 1.1 Fragestellung Diese Überlegungen führen zu folgender Hauptfragestellungen. Ist Potential im Quartier Huben der Stadt Frauenfeld vorhanden, um Solarstrom zu produzieren und wenn ja, in welchem Ausmass? Des Weiteren interessiert aber auch: Auf welchen Häusern im Quartier Huben ist es möglich, eine Solaranlage auf dem Dach zu installieren? Welche Kosten würden sich für den Hausbesitzer durch den Bau einer Solaranlage ergeben? Nach wie vielen Jahren wären die einzelnen Anlagen amortisiert und inwiefern würden sich diese Installationen für die Besitzer lohnen? Hätten diese Solaranlagen Auswirkungen auf den Stromverbrauch der Stadt Frauenfeld? Ergäbe sich aus der Stromproduktion ein Überschuss? 1.2 Hypothese Es ist Potential vorhanden, da die Installation einer Solaranlage auf sehr vielen Hausdächern möglich wäre, weil die meisten Häuser eher nach Süden ausgerichtet sind. Dies ist beim Betrachten der Bilder auf Google Earth gut ersichtlich. Auch ist feststellbar, dass praktisch keine Häuser von Bäumen beschattet werden. 2

5 Es würde sich für die Besitzer innert weniger Jahre lohnen, eine Solaranlage installiert zu haben, da sich ihre Kosten für die verbrauchte elektrische Energie vermindern würden. Zudem würde sich dies im geringeren Stromverbrauch der Stadt Frauenfeld massgeblich niederschlagen. Vermutlich werden es etwa 2% sein, da ungefähr 1000 Personen / 200 Haushalte ihren Strom teilweise selber produzieren könnten. 2. Definition zentraler Begriffe Zur allgemeinen Verständlichkeit sollen die Inhalte der zentralen Begriffe, die im Zusammenhang mit erneuerbarer Energie Gebrauch finden, genauer dargelegt werden. Als erneuerbare Energien werden Energiearten aus Quellen bezeichnet, die sich kurzfristig selbst erneuern oder die nicht zur Erschöpfung der Quelle beitragen. Die Basis für alle erneuerbaren Energien ist die Sonne. Die Sonne kann direkt zur Wärme- und Stromerzeugung genutzt werden. Indirekt führt die Sonne zum Wachstum von Pflanzen und ist der Motor für das Wettergeschehen. Zudem entstehen durch unterschiedliche Erwärmung der Erde Winde und die Sonne regelt auch den Wasserkreislauf. Die Sonne ist also der Antrieb für alle erneuerbaren Energien und daher von speziellem Interesse und Bedeutung (vgl. Witzel & Seifried 2004, S. 24). Fossile Energieträger Die fossilen Energieträger 1 reichen nicht ewig. Das Braunkohlevorkommen wird in etwa 260 Jahren erschöpft sein, das Steinkohlevorkommen in ungefähr 160 Jahren, das Erdgasvorkommen in circa 66 Jahren, das Erdölvorkommen in rund 44 Jahren und das Uranvorkommen in annähernd 43 Jahren. Daher muss wieder auf die Kraft der Sonne zurückgegriffen werden, wie dies schon bis zur Nutzung der fossilen Energieträger gemacht wurde (vgl. Witzel & Seifried 2004, S. 24). Bioenergie Als Bioenergie fasst man Energie aus Biomasse 2 in den verschiedensten Energieformen wie Wärme, elektrische Energie und Kraftstoff für Verbrennungsmotoren zusammen. Die verschiedenen Formen der Bioenergie sind Biodiesel, Bioethanol, Biogas, Biowasserstoffe, BtL-Kraftstoffe 3, Holz und Pflanzenöl (vgl. Wikipedia Bioenergie). 1 Fossile Energie ist Energie aus nicht nachwachsenden Rohstoffen. 2 Biomasse bezeichnet sämtliches durch Fotosynthese direkt oder indirekt erzeugtes organisches Material, das nicht über geologische Prozesse verändert wurde. 3 BtL-Kraftstoffe sind synthetische Kraftstoffe aus Biomasse. 3

6 Geothermie Unter Geothermie wird die Nutzung der Wärme in der Erdkruste verstanden. Es gibt zwei verschiedene Varianten der Geothermie; die oberflächennahe Geothermie und die tiefe Geothermie. Die oberflächennahe Geothermie wird zum Heizen und Kühlen verwendet und die tiefe Geothermie wird im Wärmemarkt und zur Stromerzeugung verwendet (vgl. Wikipedia Geothermie). Wasserkraft Die Verwendung der Energie von Wasser wird als Wasserkraft benennt. Dafür gibt es verschiedene Möglichkeiten. Dies sind Gezeitenkraft, Laufwasserkraftwerke, Meereswärme, Osmosekraftwerke 4, Staudämme und Strömungsenergie des Meeres (vgl. Wikipedia Wasserkraft). Windenergie Mit dem Begriff Windenergie ist die kinetische Energie 5 der bewegten Luftmasse in der Atmosphäre gemeint. Die Möglichkeiten diese Energie zu nutzen, sind Fallwindkraftwerke, Thermikkraftwerke und Windkraftwerke (vgl. Wikipedia Windenergie). Solarenergie Unter Solarenergie versteht man die Nutzung der Sonne. Mehr dazu unter Kapitel Verschiedene Möglichkeiten zur Solarenergienutzung Es gibt zwei verschiedene Systeme zur Nutzung der Sonnenenergie. Die erste Variante ist die thermische Solarenergienutzung und die zweite Variante ist die Solarenergienutzung mit Hilfe der Photovoltaik. Im Folgenden werden diese beiden Methoden vorgestellt. 3.1 Thermische Solarenergienutzung Alle thermischen Sonnenkollektoren funktionieren nach dem gleichen Prinzip. Wenn Sonnenlicht auf einen dunklen Gegenstand trifft, erwärmt er sich. In Sonnenkollektoren wird dieses Prinzip genutzt. Meist wird eine dunkle Platte aus Kupfer, Aluminium oder Kunststoff (Absorber) verwendet. Durch die darin enthaltenen Rohre fliesst eine Flüssigkeit (Wärmeträger), welche sich erhitzt und dem Warmwasserkreislauf zugeführt wird (vgl. Witzel & Seifried 2004, S. 24). 4 Ein Osmosekraftwerk nutzt den unterschiedlichen Salzgehalt von Meer- und Süsswasser um Strom zu gewinnen. 5 Kinetische Energie ist Energie, die ein Objekt aufgrund seiner Bewegung erhält (Bewegungsenergie). 4

7 Flachkollektor Der Flachkollektor ist die am weitesten verbreitete Variante zur thermischen Solarenergienutzung. Der Absorber wird bei dieser Methode in einen gut isolierten Kasten eingebaut, welcher auf der Vorderseite eine transparente Abdeckung hat. Ein solcher Sonnenkollektor verwandelt ca. 80% der Sonnenenergie in Wärme. Der Wärmeträger erreicht dabei Temperaturen von 80 C (vgl. Witzel & Seifried 2004, S. 24). Vakuum-Röhrenkollektor Beim Vakuum-Röhrenkollektor sind die Rohre im Absorbermaterial luftleer und aus Glas. Das Vakuum reduziert die Wärmeverluste sehr stark. Bei einer Temperaturdifferenz von 70 C zwischen Absorber und Aussenluft, hat diese Art von Sonnenkollektor einen um 15% grösseren Wirkungsgrad als Flachkollektoren (vgl. Witzel & Seifried 2004, S. 24). Absorbermatten Dieses System ist das einfachste der drei vorgestellten. Durch eine schwarze Absorbermatte wird Wasser gepumpt, welches durch die Sonnenenergie aufgewärmt wird. Das System eignet sich aber nur an Orten, wo eine Erwärmung um wenige Grad ausreicht, wie zum Beispiel in Freibädern (vgl. Witzel & Seifried 2004, S. 24). 3.2 Photovoltaik Die Photovoltaik funktioniert dank dem physikalischen Effekt, indem einige Halbleiter Licht direkt in Strom umwandeln. Eine Solarzelle besteht aus einer dünnen Scheibe (0.3mm) hochreinem Silizium 6. Durch gezieltes Einbringen, sogenanntes Dotieren, von Fremdatomen (z.b Bor und Phosphor), entstehen in dieser Scheibe zwei Schichten mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften, die p- Schicht und die n-schicht. Zwischen den beiden Schichten liegt der p-n-übergang. Durch das Sonnenlicht entstehen freie Ladungsträger, Elektronen und Defektelektronen (Löcher). Diese werden dann an den Frontkontakt negativ geladen und an den Rückseitenkontakt positiv geladen. Diese Ladungsträger gelangen so in den Stromkreislauf und erzeugen eine elektrische Spannung von etwa 0.5 Volt (vgl. Witzel & Seifried 2004, S. 24). 6 Silizium: Silizium ist ein chemisches Element, es kommt nach dem Sauerstoff auf der Erde am zweit häufigsten vor. 5

8 Monokristallines Silizium Monokristallines Silizium besteht aus einem Kristall, dessen Atome regelmäßig angeordnet sind. Bei der Fertigung der Solarzelle werden die Atome des geschmolzenen Siliziums in eine Richtung ausgerichtet. Aus diesem Grund ist die Herstellung sehr aufwendig und teuer, dafür hat monokristallines Silizium mit 14% bis 18% den höchsten Wirkungsgrad. Abb.2 Silizium Solarzelle Die Oberfläche des monokristallinen Siliziums ist glatt und graphitfarben oder blau (vgl. IT Wissen). Polykristallines Silizium Polykristallines Silizium besteht aus mehreren Kristallen, die jedes für sich eine regelmäßige atomare Struktur aufweist. Polykristalline Solarzellen sind etwa 200 µm bis 300 µm dünn. Sie können preiswerter hergestellt werden als monokristalline Solarzellen, haben allerdings einen geringeren Wirkungsgrad. Dieser liegt zwischen 10% und 15%. Die Oberfläche von polykristallinem Silizium ist blau (vgl. IT Wissen). Amorphes Silizium Amorphes Silizium hat keine geordneten atomaren Strukturen. Es kann relativ preiswert hergestellt werden und der Wirkungsgrad liegt lediglich bei 6% bis 10%. Dafür hat amorphes Silizium ein hohes Absorptionsvermögen (vgl. IT Wissen). 6

9 Andere Basismaterialien Neben den Silizium-basierten Basismaterialien gibt es bereits Solarzellen aus anderen Halbleiterverbindungen wie Cadmiumtellurid (CdTe), Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) und Galliumarsenid (GaAs), aber auch solche, die auf der organischen Photovoltaik 7 (OPV) basieren. Die genannten Materialien werden in Dünnschichtsolarmodulen eingesetzt. Deren Wirkungsgrad ist allerdings wesentlich geringer als der von Silizium-Solarzellen und liegt bei ca. 6 bis 10% (vgl. IT Wissen). 4. Theoretische Grundlagen In diesem Kapitel werden die für die Berechnung relevanten Grundlagen genannt und beschrieben. Solarmodul Ein Solarmodul wandelt das Sonnenlicht in Strom um. Es enthält mehrere Solarzellen. Für die Berechnungen wird ein Solarmodul mit 60 monokristallinen in Serie geschalteten Solarzellen verwendet. Das Solarmodul hat einen Wirkungsgrad von 15.2% und eine Fläche von 1.642m 2. Das Modul hat eine Nennleistung von 250Wp. Mit 4 Modulen, also einer Fläche von 6.568m 2, kann man in Frauenfeld eine Leistung von 1kWp erzeugen, was 950kWh pro Jahr entspricht (vgl. Sharp). Sonnenscheindauer Die Sonnenscheindauer ist die Anzahl Stunden, in welchen die Sonne scheint (vgl. Wikipedia Sonnenscheindauer). In der Schweiz wird an 64 Stationen gemessen. Für die vorliegende Arbeit wurden die Daten der Messstation Aadorf/Tänikon, welche etwa 7 Kilometer südlich von Frauenfeld liegt, herbeigezogen. Die Daten wurden von aufgenommen und sind Mittelwerte (vgl. Schweizerische Eidgenossenschaft). Globalstrahlung Die Globalstrahlung ist die gesamte horizontal auf der Erde auftreffende Solarstrahlung. Diese Globalstrahlung setzt sich zusammen aus der auf direktem Weg eintreffenden Solarstrahlung, der Direktstrahlung und der Diffusstrahlung, welche die Erdoberfläche über die Streuung von Wolken sowie Wasser-und Staubteilchen erreicht (vgl. Wikipedia Globalstrahlung). 7 Unter organischer Photovoltaik versteht man Solarzellen aus organischen Materialien, vor allem Kohlenwasserstoffe (Kunststoffe). 7

10 Tab.1 Durchschnittliche Globalstrahlung in Aadorf/Tänikon in den Jahren (vgl. Schweizerische Eidgenossenschaft). Station Höhe [m.ü.m] Globalstrahlung [W/m²] Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jahr Aadorf / Tänikon Stromhaushalt der Stadt Frauenfeld Der jährliche Strombedarf der Stadt Frauenfeld liegt bei 143 Mio. Kilowattstunden und wird zu 75% aus Kernenergie und zu 25% aus Wasserkraft gedeckt. Im Jahre 2008 lag der Stromverbrauch pro Haushalt bei etwa 8000 Kilowattstunden (vgl. Stadt Frauenfeld). Dachneigung und Ausrichtung Um die Dachneigung und die Ausrichtung der Dächer in die Berechnung des Ertrags einzubeziehen, wurde die nachfolgende Abbildung verwendet. Abb. 3 Solare Einstrahlung in Abhängigkeit von Neigungswinkel des Daches und Himmelsrichtung in Prozent des Maximalwerts (vgl. Solar Consult). 8

11 Voraussetzungen für eine Solaranlage Um eine Solaranlage auf dem Haus zu installieren, braucht es gewisse Voraussetzungen, die im Folgenden dargelegt werden. So sollte eine Verschattungen durch Bäume, Gebäude, Antennen und anderes vermieden werden. Zu beachten ist auch, dass der optimale Energieertrag einer Solaranlage auf einem Süddach mit Neigung erreicht wird. Zudem muss die Statik des Daches ausreichend sein und die Photovoltaik Anlage sollte sich auf einer Fläche von mindestens 10m² befinden. Je größer die Fläche ist, desto höher ist auch deren Ertrag. Bei guter Hinterlüftung der Photovoltaikanlage wird der Ertrag noch weiter optimiert (vgl. Solaranlagen.org). Annahmen Für die Ertragsabschätzung der Solarmodule auf den Dächern im Quartier Huben braucht es gewisse Annahmen, welche hier erläutert werden. Dachfläche Für die Berechnung der Anzahl Module, die es für ein bestimmtes Dach braucht, wurde von der Annahme ausgegangen, dass die zur Verfügung stehende Fläche kleiner ist als die tatsächliche Fläche des Hausdaches. Dies beruht auf der Tatsache, dass die gemessene Dachfläche die gesamte Fläche darstellt, darauf aber auch Kamine oder Dachfenster sind, welche die Platzierung von Modulen verhindern. Des Weiteren können die Solarmodule nicht bis ganz an den Dachrand montiert werden und zwischen den einzelnen Modulen gibt es immer kleine Zwischenräume. Aus diesen genannten Gründen ist die Fläche, auf der Module montiert werden können, nur halb so gross wie die gesamte Dachfläche. Globalstrahlung Da die Globalstrahlung, die in Aadorf/Tänikon gemessen wird, für die horizontale Fläche gilt, wird für die geneigte Fläche von einer Annahme ausgegangen. Für die horizontale Fläche liegt die durchschnittliche Globalstrahlung pro Tag bei 3.048kWh. Der Wert der Globalstrahlung pro Tag auf die geneigte Fläche liegt bei etwa 3.25kWh/m 2 /d und basiert auf der Annahme von Hadamovsky und Jonas (2004) (vgl. S.47). 9

12 Performance Ratio Die Performance Ratio ist ein vom Standort unabhängiges Mass für die Qualität einer Photovoltaikanlage und wird daher oft als Qualitätsfaktor bezeichnet. Die Performance Ratio wird in Prozent angegeben und bezeichnet das Verhältnis zwischen dem Ist-Ertrag und dem Soll-Ertrag der Photovoltaikanlage. Damit gibt sie an, welcher Anteil der Energie nach Abzug der Energieverluste (bspw. durch thermische Verluste und Leitungsverluste) und des Eigenverbrauchs für den Betrieb für die Einspeisung zur Verfügung steht. Je näher dieser Wert bei 100% liegt, desto effektiver arbeitet diese Photovoltaik Anlage. Die Performance Ratio für die Berechnungen dieser Arbeit wurde bei 80% gewählt, da dies einem realistischen Wert für eine moderne Photovoltaikanlage entspricht (vgl. SMA Solar Technology). Förderprogramme Im Kanton Thurgau stehen verschiedene Förderprogramme zur Verfügung. Das eine ist die kostendeckende Einspeisevergütung (KEV) des Bundes. Der überschüssige Strom kann über 25 Jahre zu einem Preis zwischen -.49 und -.70Rp pro kwh verkauft werden. Die Preise variieren aufgrund der Grösse, dem Inbetriebnahmedatum und der Art der Anlage. Wenn man die KEV in Anspruch nimmt, hat man kein Anrecht mehr auf die Förderbeiträge des Kantons (vgl. Alsol AG alternative Energiesysteme). Die zweite Möglichkeit ist das Kantonale Förderprogramm des Kantons Thurgau. Der Kanton fördert Anlagen mit 2'500.-/kWp, bei welchem der maximale Förderbeitrag bei 75'000.- liegt. Voraussetzung dafür ist, dass die Anlage netzgekoppelt ist, mindestens eine Leistung von 1kWp hat und das Gebäude mindestens 5 Jahre alt ist (vgl. Swissolar). Die letzte Möglichkeit ist der Solarstrom-Pool Thurgau. Er unterstützt die Anlage mit einem Baubeitrag von 1'000.-/kWp, wobei der maximale Beitrag bei 15'000.- liegt. Dafür hat der Solarstrom-Pool die Vermarktungsrechte für den überschüssigen Strom für 10 Jahre (vgl. Solarstrompool Thurgau). Zusammen mit dem Förderprogramm des Kantons erhält man Förderungen von 3'500.-/kWp. 10

13 5. Vorgehen In diesem Kapitel wird das Vorgehen zur Bestimmung der wichtigen Daten für die Berechnung erläutert und die Formel zur Berechnung des Potentials erklärt. Dachfläche Die Dachflächen konnten mit Hilfe des WebGis 8, welches einen Ortsplan der Stadt Frauenfeld mit allen wichtigen Daten für die Raumplanung zur Verfügung stellt, berechnet werden. Mittels eines Tools zur Flächenmessung konnte die Dachfläche bestimmt werden. Da dies aber zweidimensionale, von oben gemachte Aufnahmen sind, konnte die Dachfläche nur ungefähr bestimmt werden. Aus diesem Grund wurde zu der gemessenen Dachfläche der Häuser noch 15m 2 hinzugezählt, damit es auch für ein abgeschrägtes Dach stimmt. Ausrichtung der Dachfläche Um die Ausrichtung der Dachfläche zu bestimmen, wurde ein Ausdruck der Karte im WebGis gemacht. Die Ausrichtung wurde dann mit dem Geodreieck gemessen. Dies ist möglich, da die Karte immer nach Norden ausgerichtet ist. Dachneigung Die Dachneigung zu bestimmen, stellte die grösste Herausforderung dar. Die einzige Möglichkeit zur Bestimmung ist die Schätzung, welche vor Ort vorgenommen wurde. Diese Werte stellen die ungenausten der drei Angaben dar. 8 Webbasiertes Geoinformationssystem (WebGis). 11

14 Berechnung Für die Berechnung des Ertrags der Photovoltaikanlagen verwendete ich folgende Formel: P DC = PR*N*P Nenn *(G k /S Nenn )* E Max P DC : Gleichstromgeneratorenleistung = Leistung der Anlage PR: Performance Ratio = 80%= 0.8 N: Anzahl Photovoltaikmodule P Nenn : Modulnennleistung in kwp = 0.25kWp G k : korrigierte Globalstrahlung = 3.25kWh/m 2 /d S Nenn : Standartbestrahlung = 1kWh/m 2 /d E Max : Prozentualer Anteil vom Maximum der Solaren Einstrahlung in Abhängigkeit vom Neigungswinkel des Daches und der Ausrichtung. 6. Resultate Im Folgenden sollen die Resultate der Berechnungen vorgestellt werden. Bei den zur Verfügung stehenden Flächen der Dächer gibt es grosse Unterschiede. Bei den folgenden Ausführungen gilt als Berechnungsgrundlage die maximal mögliche Ausnutzung der Dachfläche. Das kleinste Dach befindet sich auf dem Haus Nr. 5 und verfügt über eine brauchbare Fläche von nur 19m 2. Im Gegensatz dazu hat das grösste Dach des Hauses Nr. 112 eine nutzbare Fläche von 155m 2. Alle in die Berechnung einbezogenen Hausdächer haben eine durchschnittliche Fläche von 44m 2, wobei die Standardabweichung 9 bei 23.1m 2 liegt. Auch beim Neigungswinkel der Dächer gibt es grosse Unterschiede. Das Dach mit der geringsten Neigung ist Nr. 24 und hat einen Neigungswinkel von nur 10. Im Gegensatz dazu haben die Häuser Nr. 11 und 17, sowie das Haus Nr. 175 einen Neigungswinkel von 60. Der durchschnittliche Neigungswinkel liegt bei 34 und die Standardabweichung bei Die Standardabweichung gibt Aufschluss über die Flächenanteile vom Mittelwert aus nach links und nach rechts. 12

15 Bei der Ausrichtung der Dächer gibt es keine so grossen Unterschiede. 25 Häuser haben eine Ausrichtung des Daches mit einer Abweichung von -45 von Süden, das bedeutet, dass sie genau nach Süd- Ost ausgerichtet sind. Eine Abweichung von +50 von Süden, also etwa nach Süd-Westen, haben die Dächer von 15 Häusern. Alle anderen Häuser weisen eine Ausrichtung auf, die zwischen diesen beiden Werten liegt. Die durchschnittliche Abweichung liegt bei +7 und die Standardabweichung bei Die Solaranlage, welche die geringste Energiemenge produzieren würde, ist die des Hauses Nr. 5. Die Produktion würde nur gerade 7.8kWh pro Tag umfassen. Dies entspricht einer Energiemenge von 0.91l Benzin. Pro Jahr würden auf diesem Hausdach 2847kWh produziert, was 333l Benzin entspricht. Im Gegensatz dazu könnte eine Anlage des Hauses Nr. 112 eine Energiemenge von 61.1kWh pro Tag produzieren. Dies entspricht 7.15l Benzin. In einem Jahr ergäbe dies eine Produktion von kWh, was 2608l Benzin entspricht. Würde auf allen Hausdächern im Quartier eine Solaranlage installiert, könnte pro Haus eine durchschnittliche Energiemenge von 17kWh pro Tag produziert werden. Die Standardabweichung läge bei 9.0kWh. Pro Jahr könnte so eine durchschnittliche Energiemenge von 6209kWh erzeugt werden. Die Standardabweichung würde kWh betragen. Alle Anlagen zusammen würden pro Jahr 1155MWh Strom erzeugen, was ungefähr 0.8% des Stromverbrauchs der Stadt Frauenfeld entspricht. Etwa 30% aller Anlagen im Quartier würden mehr Strom produzieren als der jeweilige Haushalt selber verbrauchen würde. Diese 30% würden ein Überschuss von 117MWh pro Jahr produzieren. Im Jahre 2008 lag der Stromverbrauch bei etwa 8000 Kilowattstunden pro Haushalt. Der maximale Überschussstrom würde die Anlage des Hauses Nr. 112 erzeugen, nämlich 14302kWh. Im Durchschnitt würden die Anlagen jedoch 1791kWh zu wenig produzieren. Die Anlagekosten würden sehr unterschiedlich ausfallen. Die geringsten Kosten hätte das Haus Nr. 5, nämlich 16'500 Franken, die grössten das Haus Nr. 112, nämlich 129'250 Franken. Die durchschnittlichen Kosten würden bei Franken liegen, mit einer Standardabweichung von Franken. Für die Anlage Nr. 5 könnten 8'700 Franken Fördergelder eingefordert werden, für Nr. 112 sogar 68'150 Franken. Durch eine Solaranlage könnte unterschiedlich viel Geld gespart werden. Bei 50 Anlagen wären es 1360 Franken pro Jahr, ausgehend von einem Stromverbrauch von 8000kWh und einem Strompreis von 17 Rappen pro kwh. Mit 484 Franken pro Jahr könnte mit der Anlage Nr. 5 am wenigsten eingespart werden. 13

16 161 von 179 Anlagen wären nach etwa Jahren amortisiert, 10 Anlagen nach Jahren und die restlichen 8 Anlagen nach ungefähr Jahren. Mit den Anlagen, die sich in weniger als 25 Jahren amortisieren würden, liesse sich viel Geld sparen. Im Schnitt sind das 10'712 Franken an Stromkosten bis zum 25. Jahr nach der Inbetriebnahme. Im Folgenden sind die Resultate noch in Tabellenform dargestellt. Tab. 2 Mittelwert und Standardabweichung der gesamten erhobenen Daten Dachfläche (gerundet) Anz. Module Leistung kwp kwh/d kwh/a Sparen/a Neigungswinkel Ausrichtung Anlagekosten Fördergeld Überschuss Stromkosten Amortisationszeit Kostenersparnis Mittelwert Standardabweichung Tab. 3 Summe der gesamten erhobenen Daten Dachfläche (gerundet) Anz. Module Leistung kwp kwh/d kwh/a Anlagekosten Fördergeld Kosten Überschuss Stromkosten Sparen/a Kostenersparnis Summe Diskussion Aufgrund der Resultate komme ich zum Schluss, dass es auf 19 der insgesamt 177 Häusern nicht möglich ist, Solaranlagen zu installieren. Dies, weil die Dächer in die falsche Richtung geneigt sind und daher für die optimale Produktion von Strom nicht in Frage kommen. Auf 9 Dächern halte ich die Installation einer Solarstromanlage für nicht geeignet, da sie erst nach über 25 Jahren amortisiert wären. Das heisst, der Besitzer würde mit der Anlage kein Geld sparen. Vielmehr hätte er damit nur Auslagen. Der Stadt Frauenfeld würden die Installationen verhältnismässig wenig bringen. Nur gerade 0.8% des gesamten Stromverbrauchs der Stadt könnten durch die Anlagen im Quartier Huben gedeckt werden. Dies scheint auf den ersten Blick wenig, aber es wäre immerhin ein Anfang zur Bekämpfung des Klimawandels. Mögliche Fehlerquellen Eine mögliche Fehlerquelle ist sicher die ungenaue Messung und die verwendeten Annahmen bei der Berechnung der Dachfläche. Um die Dachfläche zu bestimmen, welche für die Berechnung verwendet wird, waren zwei Annahmen nötig, welche zu einem Fehler führen könnten. Da ein Fehler bei der Flächenberechnung des Daches grosse Auswirkung hat, stellt dies der schwerwiegendste Fehler dar. 14

17 Eine andere Fehlerquelle ist die Bestimmung der Dachneigung und Ausrichtung. Da die Ausrichtung und die Dachneigung jedoch nur eine Veränderung von ±5% ausmacht, ist der Fehler nicht sehr schwerwiegend. Der Stromverbrauch in den einzelnen Haushalten ist sehr unterschiedlich. Für die Arbeit wurde vom gleichen Stromverbrauch für alle Häuser ausgegangen. Daher kann eine Differenz zur Realität nicht ausgeschlossen werden. Beantwortung der Fragestellung und Hypothese In diesem Kapitel wird einerseits die Fragestellung beantwortet und andererseits die Hypothesen bestätigt oder verworfen. Die Hauptfragestellung lautet: Ist Potential im Quartier Huben der Stadt Frauenfeld vorhanden, um Solarstrom zu produzieren und wenn ja, in welchem Ausmass? Es kann festgehalten werden, dass ein grosses Potential für Solarstromanlagen vorhanden ist. Auf 149 der 177 Häusern wäre eine Installation empfehlenswert und machbar. Diese Anlagen im Quartier Huben würden zusammen 1006MWh Strom pro Jahr erzeugen. Mit den neun nicht geeigneten Häusern käme man sogar auf eine Stromproduktion von 1155MWh pro Jahr. Diese neun Häuser würden also etwa 12.9% des gesamten Stromverbrauchs ausmachen. Das Ausmass ist recht gross, stellt es doch etwa 0.8% des gesamten Stromverbrauchs von Frauenfeld dar. Auf welchen Häusern im Quartier Huben ist es möglich, eine Solaranlage auf dem Dach zu installieren? Eine Solarstromanlage zu bauen wäre auf allen betrachteten Häusern möglich. Bei den Häusern Nr. 35, 39, 41, 42, 43, 59, 61, 63, 65, 98, 99, 100, 102, 103, 104, 106, 107, 108 und 148 ist eine Installation aber nicht empfehlenswert, da die Dächer in die falsche Richtung geneigt sind. Die Häuser Nr. 37, 96, 111, 112, 149, 152, 158, 179 und 183 sind zwar von der Ausrichtung und der Dachneigung geeignet, doch ihre Flächen sind zu gross für Anlagen, welche nach spätesten 25 Jahren amortisiert sein sollten. 15

18 Welche Kosten ergeben sich für den Hausbesitzer durch den Bau einer Solaranlage? Für den Hausbesitzer ergeben sich Kosten für die Anschaffung und den Unterhalt. Die Kosten für die Anschaffung belaufen sich auf etwa 5000 bis 7000 Franken pro kwp. Eine Anlage mit 1kWp ist nach etwa fünf Jahren amortisiert. Die Kosten für den Unterhalt sind sehr gering. Die Solaranlage muss einzig regelmässig gereinigt werden, da Verschmutzungen die Leistung verringert. Nach wie vielen Jahren sind die einzelnen Anlagen amortisiert und inwiefern lohnt sich diese Installation für die Besitzer? Die meisten Anlagen sind nach etwa 15 bis 20 Jahren amortisiert. Für die Besitzer würde sich der Bau also lohnen. Nachdem die Anlage amortisiert ist, fallen keine oder nur noch geringe Stromkosten an. Es gibt aber auch solche Anlagen, die erst nach 30 oder noch mehr Jahren amortisiert sind. Die Installation einer solchen Anlage würde sich für den Besitzer kaum lohnen. Auffallend ist, dass die Anlagen, welche erst nach über 25 Jahren amortisiert würden, die grössten Flächen aufweisen. Dies hängt damit zusammen, dass die Investitionskosten für grosse Anlagen sehr hoch sind. Zudem produzieren die Anlagen mehr Strom als sie verbrauchen und der Strom muss billiger verkauft werden, als er produziert wurde. Gibt es Auswirkungen auf den Stromverbrauch der Stadt Frauenfeld? Wenn auf jedem Dach im Quartier Huben eine Solarstromanlage installiert würde, hätte dies Auswirkungen auf den Stromverbrauch. Durch diese Anlagen würden etwa 0.8% des verbrauchten Stroms der Stadt produziert. Insgesamt werden in Frauenfeld 143'000Mwh Strom benötigt. Die Anlagen würden immerhin 1155MWh produzieren. Ergibt sich aus der Stromproduktion ein Überschuss? Etwa 30% aller Anlagen würden mehr Strom produzieren als sie verbrauchen. Dieser Überschuss beträgt 117MWh pro Jahr. Die gleiche Energiemenge entspricht 13'684l Benzin. Alle Häuser zusammen produzieren aber nicht genug Strom, um den Verbrauch zu decken. Sie produzieren pro Jahr 285MWh zu wenig Strom, was 32'203l Benzin entspricht. Beantwortung der Hypothese Die erste Hypothese wird durch die Ergebnisse der Berechnungen bestätigt. Das Potential ist recht gross. Auf 149 der 177 Häusern wäre es möglich und würde sich eine Solarstromanlage lohnen. Alle Anlagen zusammen würden etwa 1000MWh pro Jahr produzieren. 16

19 Die zweite Hypothese wird durch die Resultate nur teilweise bestätigt. 149 Anlagen wären nach etwa Jahren amortisiert. Auf die Stromproduktion der Stadt Frauenfeld hätten die Anlagen allerdings einen nicht sehr grossen Einfluss. Es würde nur etwa 0.8% der gesamten Stromproduktion von 143 Mio. Kilowattstunden durch diese Anlagen produziert. 8. Zusammenfassung Die vorliegende Maturaarbeit befasst sich mit dem Potential von Solaranlagen auf den Dächern im Quartier Huben in Frauenfeld. Das Gebiet, in dem sich die Häuser befinden, liegt im Süd-Osten der Stadt auf 490m.ü.M. Es umfasst 162 Häuser, 14 Mehrfamilienhäuser und einen ehemaligen Bauernhof. In der Arbeit befasste ich mich mit der folgenden Hauptfragestellung : Ist Potential im Quartier Huben der Stadt Frauenfeld vorhanden, um Solarstrom zu produzieren und wenn ja, in welchem Ausmass? Der Solarstrom wird mittels Photovoltaik produziert, welche durch einen physikalischen Effekt, Licht direkt in Strom umwandelt. Um die erzeugte Strommenge hypothetisch berechnen zu können, wird in dieser Arbeit ein Solarmodul mit monokristallinen Solarzellen als Grundlage verwendet. Um eine Solaranlage auf einem Haus zu installieren, braucht es gewisse Voraussetzungen. So sollte beispielsweise eine Verschattung durch Bäume, Gebäude und Antennen vermieden werden. Den optimalen Energieertrag erreicht eine Solaranlage auf einem Süddach mit 20 bis 40 Neigung. Für den Hausbesitzer ergeben sich Kosten für die Anschaffung und den Unterhalt. Die Kosten für die Anschaffung belaufen sich auf etwa 5000 bis 7000 Franken pro kwp, wobei eine Anlage mit 1kWp nach etwa fünf Jahren amortisiert wäre. Es hat sich gezeigt, dass auf 149 der 177 Häusern eine Installation empfehlenswert und ausführbar wäre. Diese 149 Anlagen würden zusammen 1006MWh Strom pro Jahr erzeugen. Damit könnte nur etwa 0.8% des Stromverbrauchs der Stadt Frauenfeld gedeckt werden. Eine Schwierigkeit, die sich bei dieser Arbeit zeigte, war das Abschätzen der Neigungswinkel. Diese Abschätzungen sind sicherlich sehr ungenau, weil dazu die Hilfsmittel fehlten. Eine weitere Schwierigkeit ergab sich bei der Auswertung der erhobenen Daten und der daraus folgende Berechnung. Dies, weil es schwierig war zu überprüfen, ob die Berechnungen der Wahrheit entsprechen oder total danebenliegen. 17

20 Bei dieser Arbeit konnte ich einige Erfahrungen sammeln. Ich habe gelernt, wie die Quellen richtig nachgewiesen werden und wie eine wissenschaftliche Arbeit aufgebaut wird. Bezüglich der Zeiteinteilung war ich froh, genügend Zeit für das Recherchieren zur Verfügung zu haben, da dies sehr aufwendig ist. Auch für die Fertigstellung der Arbeit brauchte ich mehr Zeit als ich vorgängig gedacht habe. Abschliessend möchte ich sagen, dass ich es eine gute Idee finde, in erneuerbare Energien zu investieren. Einerseits, um die Umwelt zu schützen und die Klimaerwärmung zu stoppen, andererseits auch dem Portemonnaie zuliebe, da die Fossilen Energieträger immer teurer werden. Zu guter Letzt hat die Arbeit auch gezeigt, dass es auf sehr vielen Hausdächern möglich wäre, Solaranlagen zu installieren und sich diese auch lohnen würden. Jedoch zählen bei einem Entscheid, eine Solaranlage zu bauen, vor allem auch ideelle und ökologische Werte und Überzeugungen. 18

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