Die Möglichkeiten für dachintegrierte Solaranlagen in

Muri-Gümligen

Lorenz Andri Caliezi, Klasse W1b

Gymnasium Kirchenfeld, Bern

Abteilung Wirtschaft und Recht

Betreuung: Heiner Aebischer

Matura-Arbeit

Muri, im November 2016

2

Inhaltsverzeichnis

Glossar ............................................................................................................................................. 3

1. Einleitung ......................................................................................................................................... 4

1.1 Themenfindung und Motivation ................................................................................................... 4

1.2 Thema ............................................................................................................................................ 4

1.3 Allgemeines zur Sonnenenergie .................................................................................................... 5

2. Material und Methoden .................................................................................................................. 7

2.1 Messreihe ...................................................................................................................................... 7

2.2 Materialbeschaffung ..................................................................................................................... 9

3. Ergebnisse ...................................................................................................................................... 11

3.1 Ergebnisse der Messreihe ........................................................................................................... 11

3.2 Ergebnisse der Gemeinde Muri-Gümligen .................................................................................. 20

4. Diskussion ...................................................................................................................................... 27

5. Exkurs – Vergleich Grossaffoltern .................................................................................................. 30

5.1 RWG Solar .................................................................................................................................... 30

6. Schlussfolgerungen ........................................................................................................................ 31

7. Zusammenfassung ......................................................................................................................... 32

8. Literaturverzeichnis ....................................................................................................................... 33

9. Abbildungsverzeichnis ................................................................................................................... 34

10. Danksagung .................................................................................................................................... 34

11. Selbständigkeitserklärung .............................................................................................................. 35

3

Glossar

Autarkie: Unabhängigkeit von äusseren Energiequellen

Autarkiegrad: Prozentsatz dieser Unabhängigkeit

KWh: Kilowattstunde, Masseinheit der Energie

KWh/a: Kilowattstunde pro Jahr

KWp: Kilowattpeak, bezeichnet die maximale Leistung einer Solaranalage (PV und

Sonnenkollektoren)

Photovoltaik: Die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie

Photovoltaikmodul: Einzelne Photovoltaikzelle, kann verschiedene Grössen haben

Performance Ratio: häufig auch Qualitätsfaktor, Quotient einer Solaranlage aus dem Nutzertrag

und dem Sollertrag

Solarindex: Masseinheit für die Sonneneinstrahlung pro Fläche, Einheit: W/m2

Solarkataster: Darstellung der für die Nutzung von Sonnenenergie geeigneten Flächen auf

Karten oder Luftbildern

Solarstrom: Elektrische Energie, die aus Sonnenenergie erzeugt wurde

Solar. Web: App/Internetseite der Unternehmung «Fronius», auf welcher man seine

eigene Stromproduktion überblicken kann

Sonnenkollektor: Wandelt Sonnenenergie in Wärmeenergie um

4

1. Einleitung

1.1 Themenfindung und Motivation

Schon länger interessieren mich Solaranlagen, da sie meiner Meinung nach eine zentrale Rolle in der

Energiewende der Schweiz sein werden. Auf der Suche nach der geeigneten Fragestellung fiel mir

auf, dass ich nicht weiss, wie viel Energie eine Solaranlage produziert und wie viel Energie wir täglich

überhaupt brauchen. Ich wollte ermitteln, welches Potenzial Solaranlagen haben und welche Fläche

an Solaranlagen benötigt würde, um eine Gemeinde mit Energie zu versorgen. Als Testgemeinde

habe ich Muri-Gümligen gewählt, da ich selbst dort wohne und weiss, dass in Muri-Gümligen immer

mehr Häuser mit Solaranlagen bestückt werden.

Mit meiner Arbeit möchte ich zeigen, welches Potential in der Solarenergie steckt und ob sich in der

Gemeinde Muri-Gümligen grössere Investitionen in diese Richtung lohnen würden. Ausserdem

würde ich mich freuen, wenn mehr Leute das Potential der Solarenergie erkennen und selber einen

Schritt in Richtung der solaren Energieproduktion und damit zur Energiewende wagen würden.

Ich beziehe mich in meiner Arbeit auch auf den Energierichtplan der Gemeinde Muri-Gümligen [1].

Der Energierichtplan enthält Daten zum Gebäudepark, also der Wohnfläche, der Anzahl Häuser und

der Industriefläche und auch Daten zum Elektrizitäts- und Wärmeverbrauch der Gemeinde. Er enthält

auch verschiedene Energiekonzepte und Strommixanalysen. Mit dem Energierichtplan will die

Gemeinde Muri-Gümligen den Kanton Bern darin unterstützen, die in der Energiestrategie 2006

festgelegten Ziele zu erreichen. Der Richtplan soll dabei die energiepolitischen Ansätze räumlich

konkretisieren, das heisst für jedes Gebiet der Gemeinde die ideale Energielösung aufzeigen.

Dadurch kann die Gemeinde massgeschneiderte Energiestrategien für verschiedene Gebiete

festlegen und diese unter Nutzung von Synergien einfacher umsetzen.

1.2 Thema

Mit dieser Arbeit sollen die Möglichkeiten der Nutzung der Solarenergie in der Gemeinde Muri-

Gümligen untersucht werden. Dabei beschränkt sich die Arbeit auf die dachintegrierte Nutzung der

Solarenergie. Als Ziel soll das Potenzial von Solarenergie ermittelt werden, das mittels

Photovoltaikanlagen sowie Solarthermieanlagen in der Gemeinde Muri-Gümligen generiert werden

kann.

Die Arbeit besteht aus einem praktischen und einem theoretischen Teil. Der praktische Teil enthält

eine eigene Messreihe, in welcher anhand der eigenen dachintegrierten Photovoltaikanlage sowie

der Wetterstation des Gymnasiums Kirchenfeld, Daten zur Stromproduktion und der jeweils

dazugehörigen Wetterlage gesammelt werden. Der zweite Teil der Arbeit besteht aus einem

theoretischen Teil, in dem die eigenen Messwerte auf die Gemeinde projiziert und mit schon

vorhandenen Daten der Gemeinde verglichen werden. Es soll untersucht werden, welche Fläche mit

Solaranlagen bebaut werden müsste, damit sich die Gemeinde Muri-Gümligen selbst mit

Solarenergie versorgen könnte und wie viel davon auf Dachflächen realisierbar wäre.

Zum Schluss werden die Ergebnisse der Gemeinde Muri-Gümligen mit den Gegebenheiten der

Gemeinde Grossaffoltern verglichen, wo seit 2014 diverse Solarprojekte des Vereins RWG-Solar

laufen.

5

1.3 Allgemeines zur Sonnenenergie

Sonnenenergie kann heute mittels zweier verschiedener Prinzipien genutzt werden.

Ein Prinzip ist die Solarthermie mit thermischen Sonnenkollektoren. In thermischen

Sonnenkollektoren wird ein zirkulierender, flüssiger Wärmeträger (z.B. Alkohol) durch die

Sonnenenergie erhitzt, welcher danach mittels Wärmeaustausch das Speicherwasser (Boiler) erhitzt.

Thermische Sonnenkollektoren erreichen hohe Wirkungsgrade zwischen 60% und 80%. Sie nehmen

die Sonnenenergie aus allen Richtungen auf und geben selbst bei Bewölkung eine gewisse

Wärmeenergie weiter. Sonnenkollektoren sind attraktiv, weil sie selber keine Betriebsenergie

benötigen und niedrige Betriebskosten haben.

Das zweite Prinzip ist die Photovoltaik. Bei der Photovoltaik wird Sonnenenergie in elektrischen

Strom umgewandelt. Das geschieht mittels Photovoltaikmodulen(PV), die auch Solarzellen genannt

werden. Der Effizienzgrad der Photovoltaikmodule ist dabei deutlich geringer als bei

Sonnenkollektoren und liegt bei maximal 23%. Jedoch produzieren die Solarzellen ein höherwertiges

Produkt, nämlich elektrischen Strom.

Je nach Halbleitermetall werden verschiedene Arten von Photovoltaikmodulen unterschieden. Die

häufigste Art ist diejenige mit kristallinem Silizium, welche rund 90% aller Anlagen weltweit

ausmacht. Das Prinzip der Solarzellen wurde 1839 vom französischen Physiker Alexandre Edmond

Becquerel entdeckt. Er hat herausgefunden, dass eine Batterie unter Sonneneinstrahlung

leistungsfähiger ist. 1893 wurde dann die erste funktionsfähige Solarzelle aus Selen gebaut, mit

welcher elektrischer Strom erzeugt werden konnte. Das als Halbleitermaterial verwendete Selen

erzeugt unter Sonneneinstrahlung Ladungsträger, welche durch Anschluss an einen Stromkreislauf

elektrischen Strom generieren. Die Erfindung des Kristallgleichrichters im Jahre 1947 machte diese

Umwandlung in elektrischen Strom effizienter. Zudem wurde neu Silizium als Halbleitermetall

verwendet. Damit schafften Solarzellen den wirtschaftlichen Durchbruch. Ab 1959 wurden

Solarzellen auch in der Raumfahrt gebraucht. Ihr Vorteil ist, dass sie autonom arbeiten und somit

ideale Stromproduzenten für Satelliten und Raumfähren darstellen. [2]

Die Solarzellen von heute enthalten als Halbleiter kristallines Silizium in mono- oder polykristalliner

Form. Sie haben einen Effizienz- beziehungsweise Wirkungsgrad von 12%-23%. Das heisst, dass aus

1000 kW Sonnenenergie rund 150 kW elektrische Energie erzeugt werden kann. Photovoltaikanlagen

erzeugen Gleichstrom, welcher anschliessend in einem Wechselrichter zu Wechselstrom

umgewandelt werden muss, bevor dieser ins Stromnetz eingespeist werden kann.

Die energetische Amortisationszeit von Photovoltaikanlagen beträgt heute ungefähr drei Jahre. Das

heisst, dass ein Photovoltaikmodul in drei Jahren gleich viel Energie produziert, wie es für seine

Herstellung, seinen Betrieb und seinen Rückbau verbraucht.

Weltweit deckten Photovoltaikanlagen im Jahr 2014 rund 1% des Strombedarfs, produzierten also

etwa 200 TWh Strom. In Europa wurden sogar 3.5% des Stroms mittels Photovoltaikanlagen erzeugt.

Spitzenreiter sind dabei Italien mit 8% und Deutschland mit 7%. [3]

Bis 1990 gab es in der Schweiz 97’200 Quadratmeter Photovoltaikmodule. Der grosse Teil der heute

installierten Module wurde nach 2010 gebaut. Bis Ende 2015 wurden total 1'560’000 Quadratmeter

Photovoltaikmodule installiert. Alleine im letzten Jahr wurden 98’000 Quadratmeter neu gebaut.

Total ergaben die bis 2015 installierten Photovoltaikmodule von 1.5 Millionen Quadratmetern einen

Energieertrag von 655 GWh. Im Vergleich dazu lag der gesamtschweizerische Elektrizitätsverbrauch

2015 bei 58'246 GWh. Das heisst, dass 2015 etwa 1.1% des Elektrizitätsbedarfs mit Solarenergie

gedeckt wurde. [4]

6

Die Schweiz hat sehr gute Bedingungen für die Solarenergie. Durchschnittlich hat das Mittelland

jährlich 900 bis 1100 Stunden direkte Sonneneinstrahlung. Im Vergleich dazu gibt es während rund

4000 Stunden Tageslicht pro Jahr. In den Alpen ist die Anzahl Sonnenstunden mit 1300 bis 1600 sogar

noch höher. Diese Werte sind vergleichbar mit den Sonnenstunden in der Sahara.

Bergdörfer wie Zermatt oder Samedan haben von März bis August eine Sonneneinstrahlung von über

150 kW pro Quadratmeter (Solarindex). Im Flachland werden solche Werte erst ab Mai erzielt. Eine

noch höhere Sonneneinstrahlung weisen Bergspitzen, wie zum Beispiel die Dufourspitze oder der

Grand Combin auf. Das heisst, dass man die Solarzellen eigentlich an hoch gelegenen Berghängen

installieren sollte. [5]

Die Gemeinde Muri-Gümligen hat eine ideale südliche Ausrichtung auf das Aaretal, welche nicht

durch Hügel und Berge gestört wird. Die Anzahl Sonnenstunden in Muri-Gümligen ist eher über dem

Durchschnitt und die Regenmenge eher unter dem Durchschnitt des Mittellandes. Somit hat die

Gemeinde Muri-Gümligen ideale Bedingungen für Solaranlagen.

7

2. Material und Methoden

2.1 Messreihe

2.1.1 Eigene Solaranlage

Die für die Messreihe benutzte

Solaranlage steht auf einem

zweigeschossigen EFH mit Flachdach

an der Waldriedstrasse in Muri-

Gümligen. Die Anlage ist gegen

Süden ausgerichtet sowie optimal

geneigt und wird zu jeder Tageszeit

direkt von der Sonne bestrahlt, das

heisst, dass zu keiner Tageszeit

Schatten von Bäumen oder anderen

Objekten auf die Zellen fallen. Die

Anlage besteht aus 26

Photovoltaikmodulen, welche

zusammen eine Fläche von 35

Quadratmetern ergeben.

Die durchschnittliche

Produktionszeit im Sommer beträgt etwa 14.5h pro Tag. Die Produktionsspitze liegt an guten Tagen

bei über 4.5 KW. An einem guten Sommertag produziert die Anlage über 25 KWh Strom.

2.1.2 Wetterstation des Gymnasiums Kirchenfeld

Die Wetterdaten lieferte die Wetterstation des Gymnasiums Kirchenfeld. [6] Die Wetterstation steht

auf dem Dach des Gymnasiums Kirchenfeld und misst verschiedene meteorologische Parameter,

welche gespeichert und auf der Website veröffentlicht werden.

Diese Wetterstation lieferte sieben Parameter: Die maximale und die minimale Temperatur in °C, die

Luftfeuchtigkeit in %, den Luftdruck in mbar, die Regenmenge in mm, die Tageslänge in h und den

maximalen Solarindex in W/m2. Von der App «Weather Pro» wurde zusätzlich die

Sonnenscheindauer des Tages in h entnommen.

Abbildung 1: Eigene Solaranlage

8

2.1.3 «Solar.Web»-App für das Mobiltelefon

Die Mobiltelefon-App «Solar.Web» der Firma «Fronius» war hilfreich für den praktischen Teil dieser

Arbeit. Dabei sendet ein Zähler, der im Minutentakt die produzierte Strommengen misst, die

erfassten Daten an die App. Diese zeigt direkt an wie viel Strom produziert wird. Ferner zeigt sie auch

an, wie viel davon selber genutzt wird und wie viel in das Stromnetz der BKW eingespiesen wird. Die

täglichen Messungen werden gespeichert und können jederzeit eingesehen werden.

Die Abbildung 2 zeigt ein Beispiel wie die App die erfassten Daten darstellt. Der blaue Graph zeigt

den Verbrauch im ganzen Haushalt und der graue Graph zeigt die produzierte Strommenge. Es ist

darauf ersichtlich, wie lange Strom produziert wurde und zu welcher Uhrzeit am meisten und am

wenigstens Strom erzeugt wurde. Aus diesen Graphen wurden drei Parameter für die eigenen

Messungen verwendet. Die totale Stromproduktion pro Tag in KWh, die Produktionsspitze des Tages

in KW zu einer bestimmten Uhrzeit sowie die Produktionsdauer pro Tag in h.

Abbildung 2: Graph der App "Solar.Web"

9

2.2 Materialbeschaffung

2.2.1 Solarkataster der Gemeinde Muri-Gümligen

Der Solarkataster der Gemeinde Muri-Gümligen (Abbildung 4) [7] und dessen Erläuterungen [8]

waren massgebend für die Erfassung der potenziellen Solarfläche auf den Hausdächern. Die

Gemeinde Muri-Gümligen hat diesen Kataster im Rahmen des Richtplans zur Energiewende von der

Aktiengesellschaft «Renewables-Now AG» aus Zürich [9] und der Firma «simuSOLAR» aus

Deutschland [10] erstellen lassen. Mit Hilfe des Solarkatasters soll aufgezeigt werden, auf welchen

Häusern es sich lohnen würde, eine Solaranlage zu installieren.

Die Dachflächen wurden auf Basis des digitalen Oberflächenmodells vom Kanton Bern (Stand Mai

2013) vermessen. Mittels einer speziellen Software, welche zum Beispiel Verschattungen durch

Gebäude und Vegetation und den Winkel der Sonneneinstrahlung berücksichtigt, wurde die jährliche

Einstrahlung auf jede Dachfläche bemessen. Jede Dachfläche wurde dann mit einer Farbe nach

absteigender Eignung (rot, orange, gelb, hellblau, blau) kategorisiert. Die Werte der Einstrahlung

wurden mit dem Normwert der durchschnittlichen jährlichen Einstrahlung auf eine unverschattete,

optimal geneigte und ausgerichtete Fläche in Muri-Gümligen, verglichen. Die unteren Grenzen für die

Farbeinteilung liegen bei 95%, 90%, 80% und 60%. Alles unter 60% gehört zum blauen Bereich.

(Abbildung 3)

Die AG «Renewables-Now» hat neben dem Solarkataster auch noch eine Analyse für die mögliche

Stromproduktion auf diesen Dachflächen erstellt.

Abbildung 3: Unterteilung der fünf Einstrahlungskategorien des Solarkatasters [A1]

10

Abbildung 4: Ausschnitt aus dem Solarkataster der Gemeinde [A2]

11

3. Ergebnisse

3.1 Ergebnisse der Messreihe

Vom 1. Mai 2016 bis zum 31. August 2016 wurden täglich 11 verschiedenen Parameter gemessen

und protokolliert. Gemessen wurden die totale Stromproduktion der Solaranlage (KWh), die

Produktionsspitze (KW), die Produktionsdauer (h), die maximale, sowie minimale Temperatur (°C),

die durchschnittliche Luftfeuchtigkeit (%), der durchschnittliche Luftdruck (mbar), die Regenmenge

(mm pro Tag), die Sonnenscheindauer (h) und den maximalen Solarindex (W/m2). Der Solarindex ist

eine Grösse, die die Einstrahlung der Sonne pro Fläche misst. Er hängt von der Globalstrahlung,

Bewölkung und Ozonschicht ab.

Die Abbildung 5 zeigt die Ergebnisse des Monats Mai:

Im Beispiel des Monats Mai, aber auch allgemein, fällt auf, dass der maximale Solarindex sowie die

Produktionsspitze der Anlage in 80% der Tage in der Mittagszeit zwischen 12.00 und 14.00 lagen.

Dies hängt mit dem Sonneneinstrahlungswinkel zusammen, der im Sommer zu dieser Zeit am besten

ist. Interessant ist, dass es an jedem Tag, an dem Solarindex und Produktionsspitze nicht um die

Mittagszeit waren, stark bewölkt war und meistens auch geregnet hat.

Weiterhin interessant ist der Zusammenhang zwischen der totalen Stromproduktion und der

Produktionsspitze. Die Messungen haben ergeben, dass ein besonders produktionsstarker Tag nicht

unbedingt auch die höchste Produktionsspitze aufweist und umgekehrt die höchsten

Produktionsspitzen von maximal etwa 5 KW an Tagen mit einer eher durchschnittlichen

Gesamtproduktion erzielt wurden.

Abbildung 5: Auszug aus der Messtabelle

12

3.1.1 Stromproduktion

Im Gesamten hat die Anlage von Mai bis August 2016 während total 123 Tagen beziehungsweise

1760 Stunden 2.22 MWh Strom produziert. Das ergibt eine durchschnittliche Stromproduktion von

18 KWh pro Tag. Die maximale Tagesproduktion betrug 29.5 KWh (4. Mai) und die minimale 4.11

KWh (12. Juli). Die Trendlinie in Abbildung 6 zeigt, dass die Stromproduktion gegen Ende der

Messzeit abnimmt. Das liegt daran, dass die Sonne im Spätsommer einen schlechteren Winkel zur

Anlage hat. Die Messungen zeigen, dass das Produktionsmaximum dieser Solaranlage zwischen Mai

und Juni liegt. Insgesamt produzierte die Anlage an sechzehn Tagen während der Messphase über 25

KWh Strom. Davon waren sieben Tage im Mai und sieben im Juni, jedoch nur zwei Tage während des

Juli. Im August kletterte die Gesamtstromproduktion des Tages nie mehr über 25 KWh.

Die Produktionsminima sind ebenfalls interessant. Insgesamt wurde an vier Tagen weniger oder

gerade 5 KWh Strom produziert. All diese Tage lagen in den Monaten Juli oder August. Die niedrigste

Tagesproduktion während der Messzeit war am 12. Juli. Gerade einmal 4.11 KWh wurden an diesem

Tag produziert.

Wenn die oben erwähnte Gesamtproduktion von 2.22 MWh während vier Monaten auf ein Jahr

hochgerechnet wird, ergibt sich einen jährlichen Gesamtertrag von 6.66 MWh. Nun gilt es zu

beachten, dass PV-Anlagen im Winter nur etwa die Hälfte des Sommerertrags liefern. Also können

die 2.22 MWh nur auf 6 Monate hochgerechnet werden. Für das ganze Jahr ergibt sich so ein

geschätzter Ertrag von 5 MWh. Im Vergleich dazu verbraucht ein durchschnittliches Schweizer

Einfamilienhaus mit vier Personen, welches einen Elektroboiler verwendet, also das Wasser mit

elektrischem Strom erwärmt, etwa 8 MWh pro Jahr. [11]

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Pro

du

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n in

MW

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Datum

Abbildung 6: Totale Stromproduktion

13

3.1.2 Stromproduktion im Zusammenhang mit dem maximalen Solarindex

Die Kurven der Stromproduktion und des maximalen Solarindexes verlaufen praktisch parallel

(Abbildung 7). Das bedeutet, dass die tägliche Stromproduktion direkt mit dem Solarindex

zusammenhängt. Dies ist einleuchtend, da der Solarindex die Sonneneinstrahlung in W auf einem

Quadratmeter Fläche angibt.

Die Energie, die von der Sonne bis auf den Erdboden gelangt, ist von vielen Faktoren abhängig. Die

Energie, die auf die Atmosphäre trifft, beträgt etwa 1370 W pro m2. Man nennt diese Zahl auch

Solarkonstante. Wolken und verschiedene Gase in der Atmosphäre absorbieren rund 19% und

reflektieren etwa 26% dieser Solarkonstante. Somit gelangen nur etwa 50-55% der eigentlichen

Sonnenstrahlung auf die Erdoberfläche, was ziemlich genau mit dem Durchschnittwert des

maximalen Solarindexes übereinstimmt, welcher rund 750 W pro m2 beträgt. [12]

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Datum

Total Stromproduktion Max. Solarindex

Abbildung 7: Stromproduktion im Zusammenhang mit dem maximalen Solarindex

14

3.1.3 Stromproduktion im Zusammenhang mit der Sonnenscheindauer

Die Abbildung 8 zeigt den Zusammenhang zwischen der Sonnenscheindauer und der

Stromproduktion. Die Stromproduktion korreliert positiv mit der Sonnenscheindauer. Das heisst, je

länger die Sonne scheint, desto mehr Strom wird produziert. Allerdings gibt es Ausnahmen. Zum

Beispiel, wenn die Sonne nur am Abend oder am Morgen scheint. Dann gibt es einige

Sonnenstunden, bei denen die Einstrahlung der Sonne allerdings gering ist und somit nur wenig

Strom produziert wird.

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Sonnenstunden in h

Abbildung 8: Stromproduktion im Zusammenhang mit der Sonnenscheindauer

15

3.1.4 Stromproduktion im Zusammenhang mit der Regenmenge

Die Abbildung 9 zeigt die Stromproduktion im Zusammenhang mit der Regenmenge. Die Kurven

zeigen, dass die tägliche Stromproduktion negativ mit der täglichen Regenmenge korreliert, das

heisst, je grösser die tägliche Regenmenge ausfällt, desto kleiner wird die Stromproduktion. Auffällig

ist, dass aber selbst an regenreichen Tagen eine minimale Strommenge produziert wird. Das lässt sich

damit erklären, dass Photovoltaikmodule bei Tageslicht auch dann Strom produzieren, wenn sie nicht

direkt von der Sonne beschienen werden.

Es gibt aber auch Ausnahmen von dieser Korrelation. Ein Beispiel ist ein sommerliches

Abendgewitter. Hier fallen grosse Regenmengen in einem kurzen Zeitraum, was die Stromproduktion

nur kurzzeitig beeinträchtig. Somit kann der Tagesertrag gleichwohl hoch ausfallen. Dies erklärt die

relativ hohen Stromerträge in der rechten Hälfte der Abbildung 9 bei höheren Regenmengen. Ein

weiteres Beispiel ist eine ganztägige Bewölkung ohne Niederschlag. Dann ist die Tagesproduktion

deutlich reduziert.

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Regenmenge in mm

Abbildung 9: Stromproduktion im Zusammenhang mit der Regenmenge

16

3.1.5 Stromproduktion im Zusammenhang mit der Temperatur

Abbildung 10 zeigt, dass trendmässig bei höheren Temperaturen mehr Strom produziert wird. Aber

es fällt auf, dass auch an kalten Tagen hohe, tägliche Stromproduktionen vorkommen. Die hohen

Erträge bei kühleren Temperaturen, hängen damit zusammen, dass die Effizienz der

Photovoltaikmodule bezüglich Stromproduktion bei niedrigen bis mittleren Temperaturen höher ist

als bei ganz hohen Temperaturen. Dies ist vor allem bei polykristallinen Siliziummodulen der Fall.

Gesamthaft gesehen wird aber trotzdem bei wärmeren Temperaturen über einen längeren Zeitraum

mehr Strom produziert, da warme Temperaturen meistens mit schönem Wetter zusammenhängen.

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Durchschnittliche Temperatur in °C

Abbildung 10: Stromproduktion im Zusammenhang mit der Temperatur

17

3.1.6 Stromproduktion im Zusammenhang mit der Luftfeuchtigkeit

Die Abbildung 11 zeigt den Zusammenhang zwischen der Luftfeuchtigkeit und der Stromproduktion.

Erwartungsgemäss nimmt die produzierte Strommenge mit steigender Luftfeuchtigkeit ab. Der

Grund dafür ist, dass hohe Luftfeuchtigkeit meistens mit Bewölkung, Nebel und Regen

zusammenhängt.

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Luftfeuchtigkeit in %

Abbildung 11: Stromproduktion im Zusammenhang mit der Luftfeuchtigkeit

18

3.1.7 Stromproduktion im Zusammenhang mit dem Luftdruck

Der Zusammenhang zwischen der Stromproduktion und dem Luftdruck ist schwach.

Erwartungsgemäss wird an Tagen mit hohem Luftdruck tendenziell mehr Strom produziert, als an

Tagen mit niedrigem Luftdruck. (Abbildung 12) Allerdings fällt auf, dass es auch Tage mit hohem

Luftdruck gibt, an denen der Stromertrag gering ist. Dies könnte damit zusammenhangen, dass der

aktuelle Luftdruck nicht immer mit der lokalen Wetterlage zusammenhängt, insbesondere zum

Beispiel bei Wetterwechseln.

3.1.8 Nutzbarkeit des eigens produzierten Stroms

Die Abbildung 13 zeigt, wie viel des im Monat Juni produzierten Strom selbst genutzt werden konnte

(grau) und wie viel ins Stromnetz eingespiesen wurde (grün).

Die Abbildung 14 zeigt, dass trotz eigener solarer Stromproduktion noch ein wesentlicher Teil des

täglichen Verbrauchs vom Netz bezogen werden musste.

Der Autarkiegrad, also der Prozentsatz der vollständigen Unabhängigkeit von einer externen

Stromquelle, betrug im Monat Juni durchschnittlich 52.23%. Das heisst, dass während der Hälfte des

Monats Juli kein Strom vom Netz bezogen werden musste. Der Autarkiegrad lag im Minimum bei

25.93% und im Maximum bei 56.21%. Der Autarkiegrad während der gesamten Messperiode von Mai

bis August lag bei durchschnittlich 50.2%.

Abbildung 13: Stromproduktion im Zusammenhang mit dem Luftdruck

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Stro

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in K

Wh

Luftdruck in mbar

Abbildung 12: Stromproduktion im Zusammenhang mit dem Luftdruck

19

Während der Messperiode von Mai bis August 2016 wurde total 2.22 MWH Solarstrom produziert

und 2.1 MWh Strom verbraucht. Das bedeutet, dass während dieser Zeit theoretisch gesehen der

gesamte Strombedarf durch eigenen Solarstrom gedeckt werden konnte.

Allerdings konnten nur 55% des produzierten Stromes auch selber genutzt werden, rund 45% wurden

ins Netz eingespiesen.

Abbildung 13: Ins Stromnetz eingespeiste Energie im Juni 2016

Abbildung 14: Vom Stromnetz bezogene Energie im Juni 2016

20

3.2 Ergebnisse der Gemeinde Muri-Gümligen

3.2.1 Die Gemeinde Muri-Gümligen – Allgemein

Die Gemeinde Muri-Gümligen liegt zwischen Bern und Münsingen am südlich exponierten Hang des

Aaretals. Sie hat knapp 13'000 Einwohner (Stand Ende 2015) [13]. Der Gebäudepark umfasst 2178

Wohngebäude, 252 Gebäude mit teilweiser Wohnnutzung und 130 Gebäude ohne Wohnnutzung.

Die gesamte Wohnfläche beträgt 668'700 m2. [1]

3.2.2 Potenziell nutzbare Dachflächen

Der Solarkataster weist für die Gemeinde Muri-Gümligen eine Gesamtdachfläche von 459’139 m2

aus. Zum Vergleich hat ein Fussballfeld etwa die Fläche von 7200 m2. Die potenziell nutzbare

Dachfläche der Gemeinde Muri-Gümligen entspricht also etwa der Fläche von 63.7 Fussballfeldern.

Von diesen 459’139 Quadratmetern Dachfläche werden 93’297 m2 optimal bestrahlt (rot), 78’916 m2

gut bestrahlt (orange) und 106’519 m2 ausreichend bestrahlt (gelb). Die restlichen 180'407

Quadratmeter sind zu Energiegewinnung nur bedingt oder nicht geeignet (hellblau oder blau).

Wichtig ist, dass die hellblauen und blauen Flächen zahlenmässig am häufigsten vorkommen und

rund 40% der gesamten Dachfläche ausmachen.

Die Verteilung der Farben ist dabei interessant. Die roten Flächen liegen eher im Bereich des

Aarehanges südlich der Thunstrasse, während orange und gelbe Flächen gleichmässig über das ganze

Gemeindsgebiet verteilt sind. Flachdächer, wie sie vor allem im Zentrum Muris oder im Thoracker zu

finden sind, haben meistens rote Flächen und sind daher gut geeignet. Giebeldächer haben

naturgemäss eine bessere und eine schlechtere Dachseite, die je nach Ausrichtung unterschiedlich

geeignet sind.

3.2.3 Optimal nutzbare Dachflächen

Zur Abschätzung des effektiven Potenzials von Solarenergie in der Gemeinde Muri-Gümligen, schien

es mir nicht sinnvoll, von der gesamten Dachfläche auszugehen. Um eine realistische Grösse der

Dachfläche zu erhalten, habe ich deshalb folgende Abzüge vorgenommen:

Erstens wurden alle hellblauen und blauen Dachflächen gestrichen. Sie haben eine Einstrahlung von

weniger als 80% des optimalen Wertes und sind damit nur bedingt oder gar nicht geeignet für eine

Photovoltaik- oder Solarthermieanlage. Hellblaue und blaue Dachflächen machen 180'407

Quadratmeter aus.

Zweitens habe ich 5% der Dachfläche abgezogen, weil der Solarkataster, aufgrund der digitalen

Berechnung nicht die exakten Dachflächen anzeigt. Ausserdem werden gewisse Dachstrukturen wie

Kamine, Dachfenster und Dachluken im Solarkataster nicht berücksichtigt. Weitere 5% habe ich

pauschal abgezogen für alle kleinen, alleinstehenden Dachflächen unter 5 Quadratmeter und für

denkmalgeschützte Häuser.

21

Drittens ergibt sich noch das Problem, dass Photovoltaikmodule und vor allem Sonnenkollektoren

viel Platz brauchen und gegenseitigen Schattenwurf verursachen. Dies ist besonders bei

Flachdächern ein Problem, weshalb ich die Fläche der Flachdächer um 10% gekürzt habe. Unter der

Annahme, dass in Muri etwa ein Drittel Flach- und zwei Drittel Schrägdächer sind, habe ich so

zusätzlich 3.33% von der totalen Dachfläche abgezogen.

Somit werden insgesamt 13.33% der gesamten Dachfläche abgezogen und wir erhalten folgende

Werte für die jeweiligen Flächenkategorien:

Tabelle 1: Berechnung der optimal nutzbaren Dachflächen

Die Gemeinde Muri-Gümligen hat somit aufgrund dieser Berechnungen eine optimal nutzbare

Dachfläche für Solarenergie von 241'566 Quadratmetern.

3.2.4 Szenario nur Photovoltaik

Das Szenario «nur Photovoltaik» geht davon aus, dass die gesamte optimal nutzbare Dachfläche mit

Photovoltaikmodulen bebaut wird. Photovoltaikmodule haben eine Effizienz von 12%-23%. Sie sind

bei kühleren Temperaturen effizienter als bei Hitze.

Um den Stromertrag aller Photovoltaikanlagen auf der Ebene der Gemeinde Muri-Gümligen

berechnen zu können sind folgende Annahmen nötig.

Annahme 1: Die installierten Solarzellen haben einen Effizienzgrad von 20%, was etwa dem

Effizienzgrad einer guten Photovoltaikanlage entspricht. Dieser Effizienzgrad der Solarzellen beziffert

wie viel Energie der Sonneneinstrahlung in Strom umgewandelt wird, wobei Verschmutzungen oder

Beschädigungen der Photovoltaikmodule nicht berücksichtigt werden.

Annahme 2: Alle Anlagen auf Gemeindeebene haben einen Systemwirkungsgrad von 80%. Der

Systemwirkungsgrad, in Fachkreisen auch PR (Performance Ratio) genannt, beschreibt, wie viel des

produzierten Stroms auch wirklich im Stromnetz ankommt und berücksichtigt dabei

Verschmutzungen und Beschädigungen der Module, sowie die Energieverluste entlang der Kabel und

insbesondere im Wechselrichter.

Um die Rechnung einfacher zu gestalten gilt die Voraussetzung, dass alle Zellen gleich stark geneigt

sind und zwar um 30°, da dies als idealer Wert bezeichnet wird. Ausserdem gilt, dass alle Flächen

einer Eignungsklasse (rot, orange, gelb) die gleiche Einstrahlung haben. Als Einstrahlungswert habe

ich für jede Eignungsklasse den jeweiligen Mittelwert genommen

Wenn die beiden Prozentsätze von Effizienz (20%) und PR (80%) verrechnet werden erhält man einen

Umwandlungsgrad von 16%. Das heisst 16% der Einstrahlungsenergie wird in Strom umgewandelt.

Rote Flächen: 93'297 m2 -13.33% = 80’857 m2

Orange Flächen: 78’916 m2 -13.33% = 68’393 m2

Gelbe Flächen: 106’519 m2 -13.33% = 92’316 m2

Total: 278'732 m2 -13.33% = 241’566 m2

22

Berechnet man nun unter Berücksichtigung der oben genannten Annahmen die potenzielle solare

Stromproduktion der Gemeinde Muri-Gümligen auf einer optimal nutzbaren Dachfläche von 241'566

Quadratmetern, ergibt sich eine jährliche Stromproduktion in Höhe von 45.41 GWh.

Tabelle 2: Berechnung der jährlichen Stromproduktion (Szenario «nur PV»)

3.2.5 Szenario nur Solarthermie

Im Szenario «nur Solarthermie» wird die gesamte optimal nutzbare Dachfläche mit

Sonnenkollektoren bebaut. Sonnenkollektoren haben den grossen Vorteil, dass sie eine viel höhere

Effizienz haben als Solarzellen. Sie erzeugen Wärme, welche relativ einfach in einem Wärmeboiler

gespeichert werden kann. Der Nachteil ist aber, dass man damit nur heizen und keine

Haushaltsgeräte betreiben kann. Um das Szenario «nur Solarthermie» realistisch zu berechnen, sind

folgende Annahmen nötig:

Annahme 1: Die Sonnenkollektoren haben alle einen Effizienzgrad von 70%.

Annahme 2: Alle Sonnenkollektoren haben eine Performance Ratio von 90%, da bei Warmwasser in

der Regel nur wenig Verluste entlang der Leitungen auftreten, da diese heutzutage gut isoliert sind.

Kabel- und Wechselrichterverluste gibt es gar keine.

Die Neigung ist bei Sonnenkollektoren ebenfalls anders als bei PV-Anlagen. Sonnenkollektoren

werden idealerweise etwa 40%-45% oder mehr geneigt, damit sie im Winter bei tieferem

Sonnenstand relativ mehr Wärme produzieren können als im Sommer. In diesem Beispiel wird die

Neigung auf 40% festgelegt. Es wird wieder angenommen, dass die Einstrahlung bei allen Flächen

einer Klasse gleich ist. Somit ergibt sich bei diesem Szenario ein Umwandlungsgrad von 63%. Dieser

ist also deutlich höher als beim Szenario «nur Photovoltaik».

Eignungsklasse Fläche in m2

Einstrahlung in KWh/m2/a

Zwischen-total in GWh

Umwandlungs-grad

Stromproduktion pro Jahr in GWh

Rote Flächen 80’857 1254.9 101.46 X 0.16 16.23

Orange Flächen 68’393 1190.5 81.42 X 0.16 13.02

Gelbe Flächen 92’316 1094.1 101 X 0.16 16.16

Total 241’566 45.41

23

Die Berechnungen ergeben, dass beim Szenario «nur Solarthermie» insgesamt auf einer Dachfläche

von 241'566 Quadratmetern eine jährliche Energieproduktion in Form von Wärme in der Grösse von

178.84 GWh möglich ist.

Tabelle 3: Berechnung der jährlichen Wärmeproduktion (Szenario «nur ST»)

Eignungsklasse Fläche in m2

Einstrahlung in KWh/m2/a

Zwischen-total in GWh

Umwandlungs-grad

Wärmeproduktion pro Jahr in GWh

Rote Flächen 80’857 1254.9 101.46 X 0.63 63.92

Orange Flächen 68’393 1190.5 81.42 X 0.63 51.29

Gelbe Flächen 92’316 1094.1 101 X 0.63 63.63

Total 241’566 178.84

3.2.6 Szenario gemischte Energie

Das Szenario «gemischte Energie» geht davon aus, dass die Dachflächen mit Photovoltaik- und

Solarthermieanlagen bebaut werden. Dieses Szenario scheint mir für eine Gemeinde realistischer

und sinnvoller, als die beiden vorherigen Szenarien, bei denen nur ein Anlagetyp verbaut wird.

Die allgemeinen Empfehlungen des Bundesamtes für Energie und Zahlen aus der Baubranche gehen

davon aus, dass bei einem EFH mit vier Personen etwa 5 m2 Sonnenkollektoren zu Deckung des

Warmwasserbedarfs und etwa 25 m2 Photovoltaikmodule zur Deckung des Strombedarfs gebraucht

werden. Ausgehend von dieser Empfehlung habe ich ein Verhältnis von 1 zu 5 zwischen der Fläche

der Sonnenkollektoren und der Fläche der Photovoltaikmodule gewählt, das heisst, dass pro 10

Quadratmeter Dachfläche 2 Quadratmeter mit Sonnenkollektoren und 8 m2 mit

Photovoltaikmodulen bebaut werden. Somit erhalten wir folgende Werte für die optimal nutzbaren

Dachflächen im Szenario «gemischte Energie»:

Tabelle 4: Berechnung der Dachflächen im Szenario "gemischte Energie"

*ST steht für Solarthermie(Sonnenkollektoren)

Es werden also 193'240 Quadratmeter mit Photovoltaikmodulen und 48'326 Quadratmeter mit

Sonnenkollektoren bebaut. Als Einstrahlung gilt wieder die mittlere Einstrahlung der Eignungsklasse.

Die Umwandlungsfaktoren und Neigungen sind ebenfalls jeweils dieselben wie bei den vorherigen

Rechnungen. Somit erhalten wir folgende Energieproduktionswerte für die Photovoltaik (Tabelle 5)

und für die Solarthermie (Tabelle 6):

Eignungsklasse Total in m2 Davon PV in m2 Davon ST* in m2

Rote Flächen 80’857 64’680 16’177

Orange Flächen 68’393 54’712 13’681

Gelbe Flächen 92’316 73’848 18’468

Total 241’566 193’240 48’326

24

Tabelle 5: Berechnung der jährlichen Stromproduktion im Szenario "gemischte Energie"

Eignungsklasse Fläche in m2

Einstrahlung in KWh/m2/a

Zwischen-total in GWh

Umwandlungs-grad

Stromproduktion pro Jahr in GWh

Rote Flächen 64’680 1254.9 81.17 X 0.16 12.98

Orange Flächen 54’712 1190.5 65.13 X 0.16 10.42

Gelbe Flächen 73’848 1094.1 80.8 X 0.16 12.93

Total 193’240 36.33

Tabelle 6: Berechnung der jährlichen Wärmeproduktion im Szenario "gemischte Energie"

Eignungsklasse Fläche in m2

Einstrahlung in KWh/m2/a

Zwischen-total in GWh

Umwandlungs-grad

Wärmeproduktion pro Jahr in GWh

Rote Flächen 16’177 1254.9 20.3 X 0.63 12.8

Orange Flächen 13’681 1190.5 16.3 X 0.63 10.3

Gelbe Flächen 18’468 1094.1 20.2 X 0.63 12.73

Total 48’326 35.83

Die Berechnungen ergeben, dass mit diesem gemischten Szenario Solarthermie und Photovoltaik

jährlich 36.33 GWh Strom und 35.83 GWh Energie in Form von Wärme produziert werden können.

Der totale Energiegewinn des Szenarios «gemischte Energie» beträgt somit 72.16 GWh. Das ist

deutlich mehr, als die totale Energiegewinnung des Szenarios «nur Photovoltaik» mit 45.41 GWh,

aber deutlich weniger, als die totale Energiegewinnung des Szenarios «nur Solarthermie» mit 178.84

GWh.

3.2.7 Schon bebaute Flächen

Zurzeit sind in der Gemeinde Muri erst wenige Flächen mit Photovoltaik- oder Solarthermieanlagen

bebaut. Im Jahr 2013 waren es 11'454 Quadratmeter mit Photovoltaik und 6053 Quadratmeter mit

Sonnenkollektoren. Das entspricht 7.2% der gemäss meinen Berechnungen optimal nutzbaren und

3.8% der gesamten Dachfläche der Gemeinde. Auf dieser Fläche bestand 2013 eine jährliche

Produktion von etwa 2 GWh Strom und 4 GWh Wärme [1].

3.2.8 Kosten der Szenarien

Beim Szenario «nur Photovoltaik» würden insgesamt 241'566 Quadratmeter mit

Photovoltaikmodulen bebaut. Die Preise für Photovoltaikanlagen gingen in den letzten Jahren

drastisch zurück. Während eine 1 KWp-Anlage 2013 noch 8000-10000 CHF kostete, kostet sie heute

nur noch zwischen 4000-5000 CHF [14]. Unter festgelegten Standart-Testbedingungen hat eine 1

KWp-Anlage eine Nennleistung von 1 KW, produziert also pro Stunde 1 KWh Strom. Um eine Leistung

von 1 KWp zu erreichen, benötigt man etwa eine Modulfläche von 8 Quadratmetern.

25

In der Annahme, dass die Leistung von 1 KWp auf 8 Quadratmetern Modulfläche etwa 4800 CHF

kostet, kostet ein Quadratmeter Photovoltaikfläche 600 CHF. In diesem Preis ist die zusätzlich nötige

Infrastruktur inbegriffen (Wechselrichter, Leitungen usw.) Wenn man diesen Preis hochrechnet auf

die optimal nutzbare Dachfläche der Gemeinde Muri-Gümligen, ergeben sich Gesamtkosten von 145

Millionen CHF. Zieht man die bereits bebaute Dachfläche von 11'454 Quadratmetern im Wert von 6.8

Millionen CHF ab, ergibt sich eine Investitionssumme von 138.2 Millionen CHF.

Beim Szenario «nur Solarthermie» würden insgesamt 241’566 Quadratmeter mit Sonnenkollektoren

bebaut. Ein Quadratmeter Sonnenkollektor kostet etwa 2100 CHF [14], ebenfalls inklusive

Infrastruktur. Hochgerechnet auf die zu bebauende Fläche ergibt dieses Szenario kosten von 507

Millionen CHF. Abzüglich der bereits bebauten Flächen von 6'053 Quadratmetern im Wert von 12.7

Millionen CHF ergibt dies eine Investitionssumme von 494.3 Millionen CHF.

Beim Szenario «gemischte Energie» würden 48’326 Quadratmeter mit Sonnenkollektoren und

193’240 Quadratmeter mit Photovoltaik bebaut. Die Kosten der Photovoltaik belaufen sich dabei auf

116 Millionen CHF, die der Solarthermie auf 101.5 Millionen CHF. Zusammen müssten bei diesem

Szenario 217.5 Millionen CHF investiert werden. Die schon bebaute Fläche beträgt hier 17'507

Quadratmeter im Wert von 19.5 Millionen CHF, sodass eine mögliche Investition von 198 Millionen

CHF bleibt.

3.2.9 Energieverbrauch der Gemeinde Muri

Die folgenden Daten zum Energieverbrauch der Gemeinde Muri-Gümligen stammen aus dem

Energierichtplan der Gemeinde Muri-Gümligen von 2013. [1] Die Gemeinde Muri-Gümligen hat einen

jährlichen Energiebedarf von ungefähr 436 GWh. Jeder Einwohner der Gemeinde hat einen

Gesamtenergieverbrauch von 35 MWh/a. Der Bedarf an Strom macht dabei rund 115 GWh/a aus und

der Bedarf an Wärmeenergie rund 226 GWh/a. Im Bedarf an Wärmeenergie sind die fossilen

Energieträger Erdgas und Erdöl eingeschlossen. Im Vergleich dazu produzierte das AKW Mühleberg

2011 2600 GWh Strom [15].

3.2.10 Wärmebedarf

Die Wohn- und Mischzone in Muri-Gümligen umfasst rund 244 Hektaren. Darin wohnen 12400 und

arbeiten 7600 Personen. Der Gesamtwärmebedarf der Gemeinde Muri-Gümligen wird auf 226

GWh/a geschätzt. Dabei wird der Gesamtwärmebedarf in drei Klassen unterteilt. Der Bereich

Wohnen verbraucht mit 113 GWh/a mit Abstand am meisten Wärmeenergie. Industriebetriebe

belegen mit 61 GWh/a den zweiten Platz. Am wenigsten benötig der Dienstleistungssektor mit nur 52

GWh/a. Der durchschnittliche Bedarf an Wärmeenergie pro Kopf liegt bei etwa 18 MWh/a.

Die Träger der Wärmeenergie setzen sich wie folgt zusammen: 48% Heizöl, 41% Erdgas, 8%

Elektrizität, 3% erneuerbare Energien. Durch viele relativ alte, schlecht isolierte Häuser in der

Gemeinde geht allerdings viel Wärme verloren.

Unter der Annahme, dass die gesamte optimal nutzbare Dachfläche der Gemeinde Muri-Gümligen

mit Sonnenkollektoren bebaut würde, könnte die Gemeinde rund 80% (178.84 GWh von 226 GWH)

des Wärmebedarfs decken. Bei gemischter Bebauung mit Photovoltaik und Sonnenkollektoren

könnten rund 16% (35.83 GWh von 226 GWH) des Wärmebedarfs gedeckt werden.

26

3.2.11 Elektrizitätsbedarf

Der Gesamtelektrizitätsbedarf der Gemeinde Muri-Gümligen beträgt rund 115 GWh/a. Dieser wird in

die drei Bereiche Wohnen, Wirtschaft und Verkehr unterteilt. Den grössten Teil der Elektrizität

verbraucht die Wirtschaft mit 57 GWh/a, gefolgt von den Haushalten, die 35 GWh/a brauchen. Den

Schluss bildet der Verkehr mit nur 23 GWh/a.

Vom Strombedarf der Bereiche Wirtschaft und Haushalte von insgesamt 92 GWh/a werden rund 11.3

GWh (13%) nur für das Heizen verwendet. Die restlichen 80.7 GWh (87%) werden für den Betrieb von

Licht und Maschinen verwendet.

Im Bereich Haushalte werden von 35 GWh/a Strombedarf rund 26 GWh/a (ca. 75%) für

Haushaltsgeräte und Beleuchtung verbraucht. Der Rest wird für das Heizen verwendet.

Unter der Annahme, dass die gesamte optimal nutzbare Dachfläche der Gemeinde Muri-Gümligen

mit Photovoltaikmodulen bebaut würde, könnte die Gemeinde damit rund 40% (45.41 GWH von 115

GWh) ihres Strombedarfs decken. Bei gemischter Bebauung mit Photovoltaik und Sonnenkollektoren

könnten rund 32% (36.33 GWh von 115 GWH) des Strombedarfs gedeckt werden

27

4. Diskussion

Vom 1. Mai bis zum 31. August 2016 wurde die tägliche Produktion von Solarstrom und ihre

Abhängigkeit zu verschiedenen Klimaparametern untersucht. Die benutzte Solaranlage besteht aus

26 polykristallinen Photovoltaikmodulen, welche zusammen eine Fläche von 35 m2 haben. Die Anlage

produzierte während der Monate Mai bis August 2.22 MWh Strom. Der produktionsstärkste Tag war

der 4. Mai mit 29.5 KWh.

Die Messungen zeigten, dass die Stromproduktion umso höher ist, je höher der Solarindex, die

Sonnenscheindauer und die Temperatur sind. Die beste Übereinstimmung zeigte die

Stromproduktion mit dem Solarindex und der Sonnenscheindauer. Die beste negative

Übereinstimmung zeigte sie mit der Luftfeuchtigkeit. Bei den Parametern Niederschlagsmenge und

Luftdruck war die negative Übereinstimmung nicht so deutlich. Bei diesen Parametern gab es viele

Abweichungen von der erwarteten Übereinstimmung.

Dies führe ich darauf zurück, dass bei kurzem, intensiven Niederschlag oder schnellem

Wetterwechsel, wie zum Beispiel bei einem Abendgewitter, die Werte der Niederschlagsmenge und

des Luftdrucks nicht genau mit der örtlichen Sonneneinstrahlung übereinstimmen.

Die Messungen der eigenen Stromproduktion und die Daten zur Einspeisung und Entnahme von

Netzstrom haben ergeben, dass die alleinige Versorgung eines EFH mit Solarstrom und damit die

vollständige Unabhängigkeit vom externen Stromnetz während der Messperiode nur während 50.2%

der Zeit möglich war. Das heisst, dass der Autarkiegrad 50.2% betrug. Während der gleichen

Zeitperiode wurden 45% des eigens produzierten Stroms ins Netz eingespiesen. Vergleicht man aber

die totale Stromproduktion mit dem totalen Stromverbrauch während der Messperiode, stellt man

fest, dass es theoretisch möglich wäre den gesamten Strombedarf mit eigenem Solarstrom zu

decken. Insgesamt war also die Nutzung des selber produzierten Stroms ungenügend. Diese Nutzung

könnte verbessert werden, wenn die eigenen Gewohnheiten umgestellt und die grossen

Stromverbraucher des Hauses tagsüber benutzen würden. Eine andere Möglichkeit wäre die

Speicherung des überschüssigen, tagsüber produzierten Solarstromes in entsprechenden Medien

(z.B. Batterie, Akku).

Die Gemeinde Muri-Gümligen hat einen jährlichen Gesamtenergiebedarf von 436 GWh respektive 35

MWh/a pro Einwohner. Der Wärmebedarf der Gemeinde inkl. Industrie beträgt insgesamt 226

GWh/a, respektive 18 MWh/a pro Einwohner. Der Wärmebedarf der Haushalte beträgt 113 GWh/a.,

respektive 9.1 MWh/a pro Einwohner. Die Wärme-Energieträger im Bereich Haushalte sind heute

Heizöl (48%) und Erdgas (41%). Erneuerbare Energien mache lediglich 3% aus.

Der Strombedarf der Gemeinde Muri-Gümligen beträgt jährlich insgesamt 115 GWh. Davon brauchen

die Industrie und der Verkehr rund 80 GWh/a, die Haushalte 35 GWh/a. Von den 35 GWh der

Haushalte wiederum werden rund 9 GWh/a für das Heizen und die restlichen 26 GWh/a für den

Betrieb von Haushaltsgeräten und Beleuchtung verwendet.

Die maximal mit Solaranlagen bebaubare Dachfläche der Gemeinde Muri-Gümligen beträgt nach

Berechnungen auf Basis des Solarkatasters der Gemeinde 459'139 Quadratmeter. Die optimal

nutzbare Dachfläche beträgt entsprechend meinen Berechnungen aber nur 241'566 Quadratmeter.

In den drei Szenarien «nur Photovoltaik», «nur Solarthermie» und «gemischte Energien» wurde dann

die auf dieser Dachfläche produzierbare Energie berechnet. Bei der totalen Bebauung mit

Photovoltaik könnten so jährlich 45.41 GWh Strom produziert werden. Bei der totalen Bebauung mit

Sonnenkollektoren wären jährlich 178.84 GWh Energie in Form von Wärme möglich. Beim Szenario

28

«gemischte Energie» mit einer Rate von 1 zu 5 Sonnenkollektoren zu Photovoltaik könnten jährlich

36.33 GWh Strom und 35.83 GWh Energie in Form von Wärme produziert werden.

Wenn man diese Werte mit dem Bedarf der Gemeinde Muri-Gümligen an Elektrizität von 115 GWh/a

und an Wärme von 226 GWh/a vergleicht, sieht man, dass in allen drei Szenarien nicht genügend

Energie produziert werden könnte. Mit kompletter Photovoltaik könnten rund 40% des Strombedarfs

gedeckt werden. Mit kompletter Solarthermie könnten rund 80% des Wärmebedarfs gedeckt

werden. Bei gemischter Bebauung mit Photovoltaik und Sonnenkollektoren wäre eine Deckung von

rund 32% des Strombedarfs und 16% des Wärmebedarfs möglich. Zusammengefasst zeigt sich, dass

die optimal nutzbare Dachfläche der Gemeinde Muri-Gümligen nicht ausreicht, um die ganze

Gemeinde mit Solarenergie zu versorgen.

Um den ganzen Bedarf an Wärme der Gemeinde Muri-Gümligen abzudecken, wäre eine

Gesamtfläche von ungefähr 300'000 Quadratmetern Sonnenkollektoren nötig. Es müssten also

zusätzlich zur optimal nutzbare Dachfläche 60'000 Quadratmeter Sonnenkollektoren installiert

werden. Dies entspricht einem Feld von 200 m x 300 m.

Um den Bedarf an Elektrizität zu decken müsste eine Gesamtfläche von 600’000 Quadratmetern mit

Photovoltaikmodulen bebaut werden. Das heisst es müssten zusätzlich zur optimal nutzbare

Dachfläche eine Fläche von 360'000 Quadratmetern bebaut werden. Dies entspricht einem Feld von

600m x 600m, also einer wesentlich grösseren Fläche, als bei der Solarthermie.

Angenommen, dass nur der Energiebedarf der Haushalte mit Solarenergie gedeckt werden soll,

ergeben sich folgende Zahlen:

Für den Wärmeverbrauch von 113 GWh/a benötigt man eine Fläche mit Solarthermie von rund

153'000 Quadratmetern, was 64% der optimal nutzbaren Dachflächen im Gemeindegebiet

entspricht. Die Wärmeproduktion mittels Sonnenkollektoren für Haushalte wäre also möglich.

Für den Strombedarf der Haushalte von 35 GWh/a bräuchte es eine Fläche von rund 185'000

Quadratmetern, was 76% der optimal nutzbaren Dachflächen entspricht. Auch dafür wäre die

Dachfläche ausreichend. Die Dachfläche reicht aber nicht aus um sowohl Wärme- als auch

Strombedarf der Haushalte zu decken.

Diese Zahlen sind mit Vorsicht zu betrachten, da die Solarenergie für Wärme und elektrischen Strom

nur bei Tageslicht verfügbar ist und während dieser Zeit oft nicht voll genutzt werden kann.

Ausserdem gäbe es nachts und im Winter Engpässe. Die tagsüber produzierte Solarenergie müsste

also unbedingt gespeichert werden können, zum Beispiel in Form von Akkus oder Warmwassertanks.

Die Gemeinde Muri-Gümligen beschreibt in ihrem Energierichtplan, dass mit Photovoltaikanlagen

rund 84 GWh/a Strom produziert werden könnte und sich damit 90% des Strombedarfes der

Gemeinde decken liesse. Meinen Berechnungen zufolge mit einer geringeren, aber realistischeren

Dachfläche und gewissen Abzügen wegen Ungenauigkeiten im Solarkataster, scheint mir dieser

Ertrag deutlich zu hoch. Ich denke, dass rund 45 GWh pro Jahr entsprechend einer Abdeckung von

40% des Strombedarfs realistischer sind.

Die Gemeinde Muri-Gümligen plant im Energierichtplan, dass bis 2035 10% des Wärmebedarfs der

Gemeinde mit Sonnenenergie gedeckt werden soll. Dies entspricht rund 26 GWh/a. Dies scheint mir

realistisch, da sowohl mit Photovoltaik als auch mit Solarthermie auf der optimal nutzbaren

Dachfläche so viel Solarenergie produziert werden kann. Das heisst aber, dass in den nächsten 20

Jahren eine Fläche von rund 54'000 Quadratmetern mit Sonnenkollektoren (bei aktuell 6000

Quadratmetern) oder eine Fläche von 120'000 Quadratmetern mit Photovoltaikmodulen (bei aktuell

11'000 Quadratmetern) bebaut werden müsste. Am sinnvollsten wäre wahrscheinlich eine Bebauung

gemäss Szenario «gemischte Energien» z.B. in einem Verhältnis 1 zu 5. Grobe Berechnungen aus

29

oben erwähnten Kennzahlen ergeben, dass dafür eine Fläche von rund 15'000 Quadratmeter mit

Solarthermie (Ertrag 12 GWh/a) und eine Fläche von 75'000 Quadratmeter mit Photovoltaik (Ertrag

14 GWh/a) bebaut werden müssten. Die gut geeigneten Dachflächen im Solarkataster (rot, orange,

gelb) wären dafür ausreichend.

Die Kosten für eine umfassende Versorgung der Gemeinde Muri-Gümligen mit Solarenergie, sei es

mit Photovoltaik oder Solarthermie oder in einem gemischten Szenario, wären enorm. Es müssten

dafür zwischen 140 und 510 Millionen Franken aufgewendet werden. Der Energierichtplan der

Gemeinde sieht lediglich eine Versorgung von 10% des Wärmebedarfs bis ins Jahr 2035 vor. Das

würde im oben erwähnten gemischten Szenario Sonnenkollektoren/Photovoltaik im Verhältnis 1 zu 5

Kosten von rund 76 Millionen CHF entsprechen.

30

5. Exkurs – Vergleich Grossaffoltern

Die Gemeinde Grossaffoltern im Seeland nahe Lyss hat dieses Jahr ein interessantes Projekt lanciert.

Am 1. September 2016 war ein Artikel über das Projekt 800 Quadratmeter Solarfläche für 800 Jahre

Bestehen der Gemeinde in der Berner Zeitung. Das Ziel der Gemeinde ist es, im Jahr 2016 800

Quadratmeter Photovoltaikanlagen auf Gemeindehäusern, Schulanlagen und privaten

Liegenschaften zu installieren. Sie will damit nicht nur auf 800 Jahre zurückblicken, sondern auch

nach vorne schauen und die Energiewende einleiten. Die Kosten werden von der Bevölkerung

getragen, die mittels Anteilscheinen der einfachen Gesellschaft «Grossaffoltern Erneuerbare

Energien» in das Projekt investieren kann. Mehr als 20 Familien und Parteien haben schon investiert

und so den Bau einer 150 Quadratmeter grossen Photovoltaikanlage auf dem Gemeindehaus von

Grossaffoltern ermöglicht. Leiter des Projekts in Herr Christian Moy, welcher zusätzlich auch noch im

Verein RWG Solar(rwg-solar.ch) tätig ist. Er hat zusammen mit Solarspezialisten eine

Solarpotenzialanalyse des ganzen Gemeindegebietes anfertigen lassen und koordiniert die neu

geplanten Anlagen im Gemeindegebiet. RWG Solar hat bis im August 2015 insgesamt 3306

Quadratmeter Solaranlagen im Gemeindsgebiet erfasst. Die grösste umfasst 1860 Quadratmeter.

Geplant sei eine weitere Anlage von 1700 Quadratmetern sowie zahlreiche kleinere.

Die Gemeinde produziert mit den bis jetzt gebauten Anlagen jährlich etwa 623 MWh elektrische

Energie. Dies entspricht 5% des jährlichen Stromverbrauchs der Gemeinde im Jahr 2014. Die

Solarpotenzialanalyse hat ergeben, dass die Gemeinde den eigenen Strombedarf von 12.34 GWh/a

(Messwert 2014) mit Photovoltaikanlagen auf Dächern mit einem berechneten Stromertrag von

16.41 GWh/a komplett decken könnte. Bei der Gemeinde Grossaffoltern handelt es sich um eine

ländliche Gemeinde mit Landwirtschafts- und Wohnzone und wenig Industrie. Daher ist der jährliche

Stromverbrauch wesentlich geringer als in Muri-Gümligen.

5.1 RWG Solar

Seit 20 Jahren haben sich einige Hausbesitzer aus Rapperswil, Wengi und Grossaffoltern mit

Erneuerbaren Energien beschäftigt. Die Nuklearkatastrophe in Fukushima 2011 und der Beschluss

des Bundesrates, aus der Atomenergie auszusteigen, waren dann der Auslöser, im Jahre 2014 den

Verein RWG Solar (Rapperswil-Wengi-Grossaffoltern-Solar) zu gründen. Seither setzt sich die RWG

Solar für die Sonnenenergie ein, hilft Privatpersonen ihre eigenen Anlagen zu realisieren und

koordiniert und initiert solare Grossprojekte im Raum um Grossaffoltern. Ausserdem fördert sie neue

Solaranlagen sowie Stromsparmassahmen und stellt ihre 20-jährige Erfahrung auf dem Gebiet der

Solarenergie gerne Interessierten zur Verfügung. Auf ihrer Website [16] publizieren sie ihre Arbeiten

und Erfahrungen und haben eine interaktive Karte mit allen Anlagen aus der Region aufgeschaltet.

2014 unterstützten sie den Bau einer 117 Quadratmeter Photovoltaikanlage auf dem Schulhaus in

Wengi bei Büren. Das neuste Projekt ist das oben erwähnte Grossprojekt in Grossaffoltern 800

Quadratmeter für 800 Jahre.

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6. Schlussfolgerungen

- Der Ertrag von Photovoltaikanlagen ist wetterabhängig. Die positive Übereinstimmung ist am

grössten mit dem Solarindex und der Sonnenscheindauer. Die negative Übereinstimmung ist

am grössten mit der Luftfeuchtigkeit.

- Gemäss den Berechnungen am Beispiel unseres Hauses wäre es möglich, mit einer 35

Quadratmeter Photovoltaikanlage den gesamten Strombedarf mit Solarstrom zu decken.

- Die zentralen Probleme der Nutzung der Solarenergie sind die Abhängigkeit vom Tageslicht

und das Fehlen von Speichermöglichkeiten. Daher ist leidglich ein Autarkiegrad von rund 50%

möglich.

- Der Solarkataster der Gemeinde Muri-Gümligen weist eine maximal bebaubare Dachfläche

für Solaranlagen von 459'139 Quadratmetern aus. Die optimal für Solarenergie nutzbare

Dachfläche ist gemäss meinen Berechnungen geringer und dürfte bei 241'566

Quadratmetern liegen.

- Auf der optimal nutzbaren Dachfläche der Gemeinde Muri-Gümligen wäre es möglich,

jährlich 45.41 GWh Strom oder 178.84 GWh Wärmeenergie zu produzieren. Im Szenario

«gemischte Energie», welches meiner Ansicht nach realistischer ist, könnten rund 36.33 GWh

Strom sowie 35.83 GWh Wärmeenergie produziert werden.

- Diese optimal produzierbare Energie reicht aus, um entweder den Strom- oder den

Wärmebedarf der Haushalte der Gemeinde zu decken, nicht aber beides. Allerdings reicht

diese Energie nicht aus, um den Gesamtbedarf entweder an Strom oder an Wärme der

Gemeinde zu decken. Es könnten aber rund 80% des Wärme- und 40% des Strombedarfs

gedeckt werden.

- Das Ziel der Gemeinde, bis ins Jahr 2035 10% des Gesamtwärmebedarfs mittels Solarenergie

zu decken, ist realistisch.

- Das Projekt in Grossaffoltern zeigt, dass grössere Solarprojekte durchaus realisierbar sind. Ein

möglicher Weg dazu ist ein gemeinsames Vorgehen von Gemeinde und interessierten

Einwohnern.

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7. Zusammenfassung

In dieser Arbeit wurde die Produktion von Solarstrom einer dachintegrierten Photovoltaikanlage von

35 Quadratmetern Fläche während einer Messperiode von Mai bis August 2016 gemessen und deren

Abhängigkeit zu verschiedenen meteorologischen Daten untersucht. In einem zweiten Teil wurde

anhand des Solarkatasters der Gemeinde Muri-Gümligen eine für Solarenergie optimal nutzbare

Dachfläche für dir Gemeinde berechnet und die darauf mögliche Energieproduktion anhand dreier

Szenarien ermittelt.

Eine 35 Quadratmeter Photovoltaikanlage vermag theoretisch den Strombedarf eines EFHs zu

decken. Der Autarkiegrad beträgt allerdings nur 50.2%. Das liegt daran, dass der Ertrag einer

Solaranlage wetterabhängig ist. Der Ertrag korreliert positiv mit dem Solarindex und der

Sonnenscheindauer und negativ mit der Luftfeuchtigkeit. Zusammen mit dem Fehlen von effizienten

Speichermöglichkeiten ist dies das grösste Problem der Nutzung der Solarenergie.

Die Gemeinde Muri hat eine für Solarenergie optimal nutzbare Dachfläche von etwa 241'000

Quadratmetern. Auf dieser Fläche könnten jährlich rund 45 GWh Strom oder 178 GWh

Wärmeenergie produziert werden. Damit könnte entweder der totale Strom- oder der Wärmebedarf

aller Haushalte in Muri-Gümligen gedeckt werden. Um den gesamten Energiebedarf der Gemeinde

zu decken, wäre allerdings eine weitaus grössere Fläche nötig.

Da die Produktion von Wärme mittels Solarthermie weitaus effizienter ist, als die Produktion von

Strom mittels Photovoltaik, bietet sich aufgrund der begrenzten Dachfläche ein gemischtes Szenario

an.

33

8. Literaturverzeichnis

[1]: http://www.muri-

guemligen.ch/fileadmin/muriguemligench/02_Verwaltung/Bauverwaltung/Umwelt/Energiefachstelle

/ERP_MUR.02_RPE-Bericht_141125_final_neu_01.pdf (15.10.2016)

[2]: https://de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle (29.9.2016)

[3]: https://de.wikipedia.org/wiki/Photovoltaik (30.9.2016)

[4]:

http://www.bfe.admin.ch/themen/00526/00541/00543/05525/index.html?lang=de&dossier_id=055

28 (25.9.2016)

[5]: Gunzinger, Anton (2015): Kraftwerk Schweiz

[6]: http://wetter.gymkirchenfeld.ch/ (31.8.2016)

[7]: http://solarkataster.muri-guemligen.ch/gm_muri/ (25.9.2016)

[8]: http://www.muri-

guemligen.ch/fileadmin/muriguemligench/02_Verwaltung/Bauverwaltung/Umwelt/Energiefachstelle

/Erl%C3%A4uterungen.pdf (15.10.2016)

[9]: http://www.renewables-now.ch/ (15.10.2016)

[10]: http://www.simusolar.de/ (15.9.2016)

[11]:

http://www.energieeffizienz.ch/dam/studien/2013_typischer_haushalt_stromverbrauch_d/pdf_de/T

ypischer_Haushaltstromverbrauch-2007.pdf (25.10.2016)

[12]: http://klima-der-erde.de/strahlungshshlt.html (10.10.2016)

[13]: https://de.wikipedia.org/wiki/Muri_bei_Bern (10.10.2016)

[14]: https://www.energieschweiz.ch/page/de-ch/kosten-einer-solaranlage 7 (25.10.2016)

[15]: https://de.wikipedia.org/wiki/Kernkraftwerk_M%C3%BChleberg (10.10.2016)

[16]: https://www.rwg-solar.ch/ (10.10.2016)

[A1]: http://www.muri-

guemligen.ch/fileadmin/muriguemligench/02_Verwaltung/Bauverwaltung/Umwelt/Energiefachstelle

/Erl%C3%A4uterungen.pdf (15.10.2016)

[A2]: http://solarkataster.muri-guemligen.ch/gm_muri/ (25.9.2016)

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9. Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Eigene Solaranlage ............................................................................................................. 7

Abbildung 2: Graph der App "Solar.Web" ............................................................................................... 8

Abbildung 3: Unterteilung der fünf Einstrahlungskategorien des Solarkatasters ................................... 9

Abbildung 4: Ausschnitt aus dem Solarkataster der Gemeinde ............................................................ 10

Abbildung 5: Auszug aus der Messtabelle ............................................................................................. 11

Abbildung 6: Totale Stromproduktion................................................................................................... 12

Abbildung 7: Stromproduktion im Zusammenhang mit dem maximalen Solarindex ........................... 13

Abbildung 8: Stromproduktion im Zusammenhang mit der Sonnenscheindauer ................................ 14

Abbildung 9: Stromproduktion im Zusammenhang mit der Regenmenge ........................................... 15

Abbildung 10: Stromproduktion im Zusammenhang mit der Temperatur ........................................... 16

Abbildung 11: Stromproduktion im Zusammenhang mit der Luftfeuchtigkeit ..................................... 17

Abbildung 12: Stromproduktion im Zusammenhang mit dem Luftdruck ............................................. 18

Abbildung 13: Ins Stromnetz eingespeiste Energie im Juni 2016 .......................................................... 19

Abbildung 14: Vom Stromnetz bezogene Energie im Juni 2016 ........................................................... 19

Tabelle 1: Berechnung der optimal nutzbaren Dachflächen ................................................................. 21

Tabelle 2: Berechnung der jährlichen Stromproduktion (Szenario «nur PV») ...................................... 22

Tabelle 3: Berechnung der jährlichen Wärmeproduktion (Szenario «nur ST») .................................... 23

Tabelle 4: Berechnung der Dachflächen im Szenario "gemischte Energie" .......................................... 23

Tabelle 5: Berechnung der jährlichen Stromproduktion im Szenario "gemischte Energie" ................. 24

Tabelle 6: Berechnung der jährlichen Wärmeproduktion im Szenario "gemischte Energie" ............... 24

10. Danksagung

Ich möchte mich bei folgenden Personen bedanken:

Herrn Christian Moy, für unsere wertvollen Diskussionen über Solarenergie sowie die

neuen Denkanstösse und die Daten der Gemeinde Grossaffoltern.

Herrn René Zollinger, für seine Hilfsbereitschaft, mir Fragen zu beantworten und für die zur

Verfügung gestellten Daten der Gemeinde Muri-Gümligen.

Herrn Heiner Aebischer, meinem Fachlehrer, für die Betreuung und Ermöglichung dieser

Arbeit.

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11. Selbständigkeitserklärung

Ich erkläre hiermit, dass ich diese Arbeit selber verfasst habe und keine anderen, als die

angegebenen Quellen verwendet habe.

Muri, November 2016 Lorenz, Caliezi W17b