Berechnungsgrundlagen

Hintergrund
Das ursprünglich an der Fachhochschule Osnabrück entwickelte Verfahren zur Solarpotenzialermittlung ermöglicht es, auf Grundlage von hochauflösenden Laserscannerdaten flächendeckend für jedes Gebäude einer gesamten Stadt oder eines Landkreises vollautomatisch die Solareignung auf Dachflächen zu prüfen und das Solarenergiepotenzial zu berechnen.

 

PublicSOLAR  der IP SYSCON GmbH errechnete das Solarenergiepotenzial aller 16.481 Gebäude in der Stadt Datteln.

Grundlage waren hochauflösende Laserscannerdaten. Die Methode zur Berechnung des Solarenergiepotenzials erfolgt über geographische Informationssysteme (GIS). Für jeden homogenen Dachflächenbereich werden zunächst die Standortfaktoren Dachneigung, Dachexposition und Dachflächengröße ermittelt. Über hochgenaue Ganzjahreseinstrahlungsanalysen wird die solare Einstrahlung und die Abschattung, verursacht durch Dachstrukturen oder Vegetation, exakt errechnet und in der Potenzialberechnung berücksichtigt. Zu jeder geeigneten Dachteilfläche werden der potenzielle Stromertrag, die mögliche CO2-Einsparung und die mögliche zu installierende KW Leistung errechnet.


Berechnungsverfahren der Solarpotenzialanalyse

Datengrundlage

Grundlage der Solarpotenzialanalyse sind die Laserscannerdaten, die für die Stadt Datteln mit einer Gesamtfläche von rund  66 km²  2011 erfasst wurden (ein Teilgebiet stammt aus dem Jahre 2008). Zur Lokalisierung der nahezu 16.500 Gebäude wurden die Gebäudeumringe aus der Automatisierten Liegenschaftskarte (ALK) verwendet. Die Gebäudegrundrisse geben die Gebäudeaußenmauern des Hauses an. Dachüberstände sind darin nicht berücksichtigt. Nach dem Erfassungsdatum der Laserscannerdaten neu errichtete Gebäude sind noch nicht im Kataster dargestellt und berechnet worden.

Einstrahlungsanalysen
Im Zuge der Einstrahlungsanalysen werden die direkte und solare Einstrahlung ermittelt. Die solare Einstrahlung ist ausschlaggebend für die Wirtschaftlichkeit der solaren Nutzung. Über eine Ganzjahreseinstrahlungsanalyse, berechnet im Minutenrythmus des Sonnenstandes über das Jahr, ist es möglich die Jahressumme der solaren Einstrahlung genau zu ermitteln. Über die direkte Einstrahlung wird die Abschattung errechnet. Starke Minderung der direkten Einstrahlung deutet auf stark abgeschattete Bereiche hin. Diese können durch Bäume, angrenzende Gebäude oder durch Dachaufbauten verursacht werden. Auch nördlich ausgerichtete Dachflächen erreichen je nach Neigungswinkel keine direkte Sonneneinstrahlung. Stark abgeschattete Dachflächenbereiche werden als ungeeignete Bereiche aus der Berechnung heraus genommen. Geringere Abschattungen mindern die solare Einstrahlung und fließen in die Solarpotenzialberechnung mit ein. Die Einstrahlungsanalyse wird anhand von örtlichen Strahlungsdaten an lokale Verhältnisse angepasst. Zu Grunde gelegt wird der mittlere Globalstrahlungswert 989 kWh/m² * a der auf eine horizontale Fläche auftrifft. Für solarenergetische Nutzung geeignete Flächen werden ab einem prozentualen Einstrahlungsanteil von 70% für thermische Nutzung und 75% für die PV-Nutzung der in den Städten möglichen Solarstrahlung ausgewiesen.

 

PV-Modulwirkungsgrad
Für die Berechnung des potenziell zu erwirtschaftenden Stromertrags wurde der Wirkungsgrad von PV-Modulen zu Grunde gelegt. Dies sind 15% Wirkungsgrad. Die Berechnung des potenziellen Stromertrags fußt auf der Annahme, dass bei Flachdächern von einer Aufständerung der Module vorgenommen wird. Der Ertrag auf Flachdächern bei Aufständerung der Module entspricht in etwa dem Ertrag der über eine horizontale Installation erwirtschaftet werden könnte. Die horizontale Installation ermöglicht eine 100% tige Flächenausnutzung, an Einstrahlungsenergie sind nur ca. 87% der vor Ort maximalen Einstrahlungsenergie zu erwarten. Schwierigkeiten ergeben sich bei horizontaler Installation ggf. in der fehlenden Selbstreinigung, Verschmutzung kann zu einer Ertragsminderung führen.

CO2-Einsparung PV
Die Berechnung basiert auf einem CO2 Äquivalent Wert von 0,633 kg/kWh bezogen auf Bundesdeutschen Strommix (Stand 2010). Berücksichtigt wurde die produktionsbedingte CO2 Emission, die nach Gemis 4.6 für monokristalline Anlagen bei 0,135 kg/kWh liegt. Demnach wurde die CO2 Einsparung für eine Anlage mit 15% Wirkungsgrad mit 0,498 kg/kWh berechnet. Die Ergebnisse der Stromertragsberechnung bilden die Grundlage für die mögliche CO2 Einsparung.

KWp-Leistung PV
Für die als Nennleistung von Photovoltaikanlagen bezeichnete Kilowatt-Leistung (KW-Leistung) wurden 7m² pro KWp zu Grunde gelegt. Dies entspricht einer Leistung von monokristalinen Anlagen. Die potenzielle KWp-Leistung geht bei Flachdächern von einer  Aufständerung der Module aus.

Potenzialermittlung und Eignungsklassifizierung PV
Für PV-Anlagen positiv beurteilte Standorte erfolgt die Berechnung des potenziellen Stromertrags, der damit einhergehenden CO2 Einsparung mittels PV-Anlagen eines jeden Daches in kg pro Jahr, des überschlägigen Investitionsvolumens (Euro) und der möglichen zu installierenden KWp-Leistung. Die dieser Berechnung zugrunde liegenden Größen für die Ermittlung der einzelnen Kennwerte zur Nutzung von Photovoltaikanlagen stellen eine Momentaufnahme der Marktsituation dar. Wirkungsgrade, Preise und Installationskosten für PV Module können sich durch Faktoren wie technische Neuerungen, Produktionskosten, Nachfrage und Angebot sowie regionaler Preisdisparitäten während der Projektphase verändern. Mit der Berechnung dieser Anlagen-Kenngrößen ist die Möglichkeit gegeben, für jedes Dach zu einem späteren Zeitpunkt mit geringem Aufwand eine Wirtschaftlichkeitsanalyse unter Berücksichtigung der dann aktuellen Werte für Modulwirkungsgrade, Anlagenkosten, Einspeisevergütung und Finanzierungskonditionen durchzuführen.

Das Ergebnis weist die Flächen aus, die ein Solarenergiepotenzial von 100% bis 75% der maximalen Einstrahlungsenergie in Datteln aufweisen. Für die PV-Nutzung geeignete Dachflächenbereiche sind mindestens 10m² für geneigte Dächer an Modulfläche (3D Fläche) groß. Flachdächer müssen bei Aufständerung der Module mindestens 40m² geeignete Dachfläche für die PV-Nutzung aufweisen.
Klassifizierung in Eignungsstufen Photovoltaik:

•      sehr gut geeignet, >95% der solar nutzbaren Strahlung
•      gut geeignet, 80–95% der solar nutzbaren Strahlung
•      bedingt geeignet, 75–80% der solar nutzbaren Strahlung

Potenzialermittlung und Eignungsklassifizierung Solarthermie
Grundsätzlich sind alle Flächen, die für PV Anlagen geeignet sind, auch für thermische Solaranlagen geeignet. Für die Thermienutzung geeignete Dachflächenbereiche verfügen über ein Solarpotenzial von 100% bis 70% Einstrahlungsenergie.

Für die Thermienutzung geeignete Dachflächenbereiche verfügen über ein Solarpotenzial von 70% bis 100% Einstrahlungsenergie. Für die Nutzung thermischer Anlagen wird eine Mindestflächengrößen von 5m² (geneigtes Dach) zu Grunde gelegt. Flachdächer müssen bei Aufständerung der Module mindestens 10m² für die Solarthermie -Nutzung aufweisen. Es erfolgt eine zweistufige Klassifizierung:

•      sehr gut geeignet, > 85% der solar nutzbaren Strahlung
•      gut geeignet, 70% – 85% der solar nutzbaren Strahlung