Was wäre wenn die Hälfte der Schweizer Dächer Strom produzieren würde
Forscherinnen und Forscher analysieren das Solarenergiepotenzial der Schweiz. Die Ergebnisse zeigen, dass mehr als die Hälfte der 9,6 Millionen Dächer für die Anbringung von Fotovoltaikpanels zur Verfügung stünde. Dies würde mehr als 40 % des jährlichen Strombedarfs decken
Die grossflächige Nutzung der Fotovoltaik auf Gebäudedächern kann eine wichtige Rolle beim Übergang zu einem CO2-armen Energiesystem spielen. Bisher erschwerten der Mangel an Daten über die Gebäude und ihre Umgebung sowie grosse Unsicherheiten bei den bestehenden Berechnungsmethoden eine genaue Schätzung des Fotovoltaikpotenzials der Schweizer Dächer.
Um diese Lücke zu schliessen, haben Forscherinnen und Forscher am Labor für Solarenergie und Gebäudephysik eine Methode entwickelt, die Algorithmen für automatisiertes Lernen (Machine Learning), Geoinformationssysteme (GIS) und physikalische Modelle zur Einschätzung des Fotovoltaikpotenzials in der Schweiz kombiniert. Zum ersten Mal wurde auch dem Zeitprofil Rechnung getragen.
Jedes Dach hat seine Besonderheit
«Wir berücksichtigen nicht nur die Sonneneinstrahlung, sondern auch die auf den Dächern verfügbare Fläche. Diese haben manchmal eine spezielle Geometrie oder Aufbauten wie Kamine, die die Anbringung von Fotovoltaikpanels verhindern», erklärt Alina Walch, die die zweite Studienetappe geleitet hat. Die Grösse und Ausrichtung des Dachs sowie die Lage in der Stadt oder auf einem freistehenden Gebäude gehören zu den zahlreichen, in ihrem Algorithmus berücksichtigten und umgesetzten Parametern. Die Ergebnisse zeigen, dass 55 % der gesamten Schweizer Dachflächen für die Anbringung von Fotovoltaikpanels geeignet sind. Würde man nur die hauptsächlich nach Süden ausgerichteten Flächen nutzen, könnten mehr als 40 % des jährlichen schweizweiten Strombedarfs gedeckt werden.
An die unterschiedlichen Dachformen angepasste Solarpanels
Dan Assouline vom Labor für Solarenergie und Gebäudephysik hatte im Rahmen einer früheren Doktorarbeit bereits eine erste, auf künstlicher Intelligenz basierende Studie durchgeführt. Diese stützte sich auf Daten, die in Genf erhoben und anschliessend auf die ganze Schweiz extrapoliert wurden. «In der damaligen Studie wurde zum ersten Mal der Einsatz von künstlicher Intelligenz zur Quantifizierung des Potenzials einer grossflächigen Nutzung der Fotovoltaik auf Gebäuden untersucht. Durch die Verwendung neuer, hochauflösender Daten konnten wir die Schätzmethode verbessern und die räumlich-zeitliche Genauigkeit der Ergebnisse erhöhen. So werden wir künftige, zu 100 % aus erneuerbarer Energie bestehende Systeme im Modell darstellen können», erklärt Laborleiter Jean-Louis Scartezzini.
Dank des Geografischen Informationssystems (GIS Energie) konnten die Schweizer Gebäude vom Bundesamt für Energie sehr genau im Modell dargestellt werden, und mithilfe des Machine Learning konnte die Fläche geschätzt werden, die auf den Dächern je nach Form und Beschattung mit Solarzellen ausgerüstet werden kann. Über die Anwendung praktischer und möglichst realitätsnaher Regeln für die Anbringung hat die Schätzung einen grossen Sprung nach vorne gemacht und ein Potenzial von 24 Terawattstunden (TWh) ergeben, was einer Verzehnfachung der bestehenden Anlagen entspricht. Die Unsicherheit dieser Schätzung beträgt 9 TWh und ist auf die Schwankungen bei der Sonneneinstrahlung und die Methodik zurückzuführen.
Jährliches Energiepotenzial
Zeitliche Schätzung des Fotovoltaikpotenzials
Die Arbeit von Alina Walch ging aber noch weiter: In ihrer Studie erstellte sie zum ersten Mal eine zeitliche Schätzung des Fotovoltaikpotenzials. Dadurch kann die Produktion auf den Verbrauch abgestimmt werden. «Im Sommer haben wir einen Überschuss, im Winter ein Energiedefizit und in der Nacht gar keine Energie. Um dieses Ungleichgewicht ins Lot zu bringen, müssen wir noch andere Formen erneuerbarer Energie berücksichtigen. So kann die Lücke geschlossen und der Überschuss gespeichert werden. Die Speicherung mithilfe der Wasserkraft ist interessant, stellt uns aber vor das Problem der saisonalen Schwankungen bei der Wassermenge in den Stauseen. Grossflächige Windkraftanlagen könnten diese Lücke schliessen», sagt die Forscherin.
Zeitlicher Anteil der schattenfreien Dachfläche
Die im Labor der EPFL erzielten Ergebnisse können verwendet werden, um wirksame politische Massnahmen für die Nutzung der Fotovoltaik auf den Dächern vorzuschlagen. Das Labor für Solarenergie und Gebäudephysik, der Schweizerische Nationalfonds, Innosuisse und das Bundesamt für Energie führen zurzeit Gespräche für die Entwicklung einer Plattform, über die Städte, Kantone und Gemeinden sowie Privatpersonen das Potenzial für die Erzeugung erneuerbarer Energie auf ihren Gebäuden darstellen können.
In der Schweiz wird bisher nur ein Zehntel des Fotovoltaikpotenzials ausgeschöpft, sodass noch 90 % auf eine Nutzung warten.