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Physik | Technik
Jonas Neuhaus, 2001 | Suhr, AG
Edward Persson, 2002 | Aarau, AG
In dieser Arbeit wurden drei Konzepte für Photovoltaikanlagen auf dem Dach des Paul-Karrer-Hauses an der Alten Kantonsschule Aarau erstellt und deren potenzieller Energieertrag anhand von Simulationsrechnungen berechnet.
Überprüft wurden die Simulationsrechnungen mit den Leistungsmessungen der Photovoltaikanlage von der Eniwa in Buchs AG sowie mit denen einer eigenen Testanlage auf dem Dach des Paul Karrer-Hauses. Die nutzbare Dachfläche beträgt 180 m2. Mit einer Photovoltaikanlage kann dort nach unserem dritten Konzept eine Anlage mit einer Leistung von 23 900 kWp gebaut und wirtschaftlich betrieben werden. Die Energy Payback Time einer solchen Anlage beträgt rund zwei Jahre. Somit könnte die Kanti auch ihren ökologischen Fussabdruck verkleinern.
Fragestellung
Hauptfragestellung: (I) Wie gross ist das Solarpotenzial der Alten Kantonsschule Aarau, insbesondere des Paul Karrer Hauses?
Nebenfragestellung: (II) Kann die Kantonsschule von der Einrichtung einer Photovoltaikanlage auf dem Dach des Paul-Karrer-Hauses finanziell profitieren? (III) Kann die Kantonschule ihre Nachhaltigkeit mit der Errichtung einer Photovoltaikanlage verbessern?
Methodik
Um die nutzbare Dachfläche festzulegen, wurde das Daches des Paul-Karrer-Hauses analysiert. Dabei wurde eine Schattenanalyse gemacht und untersucht, welche Bereiche des Daches aufgrund statischer Probleme oder Sicherheitsbedenken nicht bebaut werden können. Für die Fläche, die sich als nutzbar herausstellte, wurden dann drei Photovoltaikanlagenkonzepte gemacht, die sich durch unterschiedliche Anstellwinkel der Module auszeichnen. Für diese Konzepte wurde dann der Energieertrag jeder Stunde eines Jahres berechnet. In diesen Berechnungen wurde auch beachtet, wann wie viele Module der Anlage durch umliegende Gebäude oder sich selbst beschattet sind. Unsere Energieertragsberechnungen wurden mit Leistungsmessungen der Photovoltaikanlage von der Eniwa in Buchs AG sowie mit denen einer eigenen Testanlage auf dem Dach des Paul Karrer-Hauses überprüft.
Des Weiteren wurde untersucht, wie lange es dauern würde, bis jedes der Anlagenkonzepte amortisiert wäre. Dafür wurde berechnet, über wie viele Jahre der produzierte Strom an die Eniwa zurückverkauft werden müsste, bis die gesamten Investitionskosten relativiert sind.
Ergebnisse
Die für eine Photovoltaikanlage nutzbare Dachfläche auf dem Paul-Karrer-Haus beträgt ungefähr 180 m2. Mit einem Anstellwinkel von 30° weist unser erstes Anlagenkonzept für diese Fläche eine Gesamtleistung von 14 850 kWp und eine Amortisationsdauer von 26 Jahren auf. Das zweite Konzept weist mit einem Anstellwinkel von 20° eine Gesamtleistung von 15 500 kWp und eine Amortisationsdauer von ebenfalls 26 Jahren auf.
Das dritte Anlagenkonzept weist mit 5° den niedrigsten Anstellwinkel, mit 23 900 kWp die höchste Gesamtleistung und mit 23 Jahren die kürzeste Amortisationsdauer auf. Der Vergleich mit den Leistungsmessungen der Photovoltaikanalage der Eniwa in Buchs AG ergab, dass unsere Berechnungen eine Übereinstimmung von 98 Prozent aufweisen. Überdies hat, laut dem Fraunhofer ISE, eine Photovoltaikanlage in der Region Aarau nach bereits zwei Jahren ihre graue Energie wieder produziert.
Diskussion
Grundsätzlich kann man davon ausgehen, dass unsere Berechnungen genau sind. Zwar verwendeten wir die Bestrahlungsstärkewerte des Jahres 2019 und nicht ein Mittel mehrerer Jahre, doch dies wurde von uns bewusst so gewählt. Das Mittel des Jahres 2019 lag nämlich nur sehr leicht über dem steigenden Trend der letzten 35 Jahre. Des Weiteren fanden wir heraus, dass die von uns verwendete Formel jahreszeitliche Fluktuationen der Genauigkeit aufweist. Über ein ganzes Jahr hinweg relativieren sich diese jedoch. Die Kosten für unsere Konzepte hatten wir bewusst hoch angesetzt. Der Gedanke dahinter besteht darin, ein finanzielles «Worst-Case-Scenario» darzustellen.
Schlussfolgerungen
Wir sind der Meinung, dass die Alte Kantonsschule eine Photovoltaikanlage installieren sollte, was auch durch unsere Berechnungen unterstrichen wird. Natürlich kann eine so kleine Photovoltaikanlage den immensen Stromverbrauch der Schule niemals decken. Auch würde die Schule damit nicht viel Geld sparen, doch dies sollte unserer Meinung nach für eine Schule nicht ausschlaggebend sein. So kann eine Photovoltaikanlage an einer Schule als Vorzeigeobjekt für die Schüler dienen, diese inspirieren und ihnen zeigen, dass es nicht schwer ist, einen Beitrag an die Energiewende zu leisten. Zu guter Letzt wäre es auch eine grosse Freude, als Resultat unserer Arbeit zu sehen, wie die Schule selbst eine Photovoltaikanlage installiert.
Würdigung durch den Experten
Matthias Burri
Jonas Neuhaus und Edward Persson haben sich für Ihre Arbeit ein aktuelles und im Kontext der Energiewende sehr wichtiges Thema ausgesucht. Sie haben sich mit der Frage, ob sich eine Photovoltaikanlage auf dem Dach Ihrer Schule energetisch und finanziell lohnt, an ein komplexes und vielschichtiges Problem gewagt. Es galt nicht nur die technischen Herausforderungen zu lösen, sondern auch auf finanzielle Fragen eine Antwort zu finden. Das ist den beiden mit der durchgeführten Variantenanalyse gut gelungen. Die Arbeit bietet eine gute Ausgangslage, die Realisierung der Anlage weiter zu verfolgen.
Prädikat:
sehr gut
Alte Kantonsschule Aarau
Lehrer: Jonas Käser