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Berechnungsgrundlage des Dortmunder Solarpotenzialkatasters

Das vorliegende Solarpotenzialkataster dient als Informationsbasis, um für ein individuelles Dortmunder Gebäude bzw. die zugehörigen Dachflächen das Potenzial zur Nutzung von Solarthermie (Gewinnung von Wärme) und Photovoltaik (Gewinnung von Strom) zu bestimmen und intuitiv darzustellen. Dabei ist das Potenzial, die Bewertung der (Dach-) Fläche zur solaren Nutzung, im Wesentlichen von den Faktoren

  • Ausrichtung der Dachfläche,
  • Neigung der Dachfläche,
  • Verschattung der Dachfläche und
  • Lokaler Globalstrahlungswert
abhängig. Unter Berücksichtigung u.a. dieser Einflussparameter wurde eine modellhafte Berechnung der Solarpotenziale für das Dortmunder Stadtgebiet erstellt, welche interessierten Bürgerinnen und Bürgern und (Handwerks-) Unternehmen eine Erstinformation zur Verfügung stellt. Dabei basiert die Erstellung des Solarpotenzialkatasters auf den folgenden Teilaspekten welche im Folgenden näher erläutert werden. Das Solarpotenzialkataster dient damit als Ausgangsbasis für detailliertere Berechnungen zur individuellen, tatsächlichen Nutzbarkeit durch Fachfirmen.

Erstellung eines digitalen dreidimensionalen Geländemodells

Als Grundlage der Berechnungen der Solarpotenziale dient ein 3D-Modell des Dortmunder Stadtgebiets, welches sowohl die Landschaft, Gebäude und zugehörige Dachformen dreidimensional repräsentiert. Zur Bereitstellung dieser Informationen wurden sogenannte LiDAR-Daten genutzt, welche durch die Bezirksregierung Köln, Geobasis.NRW, zur Verfügung gestellt wurden.

Generierung der LiDAR-Daten Abbildung 1: Generierung der LiDAR-Daten
Bei LiDAR-Daten (Abkürzung für den englischen Ausdruck "Light detection and ranging") handelt es sich vereinfacht ausgedrückt um Laserscandaten. Hierzu wird das entsprechende Gebiet mit einem Flugzeugü berflogen (s. Abbildung 1), welches mittels eines Lasers die Oberfläche abtastet und für jeden einzelnen Punkt eine zugehörige Höheninformation bereitstellt. Aus der resultierenden dreidimensionalen Punktwolke und unter Einbeziehung der Deutschen Grundkarte (DGK) und der Automatisierten Liegenschaftskarte (ALK), welche topographische Objekte (u.a. Gebäudegrundrisse) repräsentieren, kann ein erweitertes digitales Oberflächenmodell ermittelt werden. In Abhängigkeit der Datenbasis (u.a. variierende Auflösung) beinhaltet dies neben den dreidimensionalen Gebäudemodellen auch individuelle Dachformen und Details wie z.B. Gauben in digital modellierter Form (s. Abbildung 2). Resultierend stehen für das ca. 280 km2 umfassende Dortmunder Stadtgebiet Informationen zu 202787 Gebäuden und vegetativen Gegebenheiten (z.B. Bäume) zur Verfügung.

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Simulation/Berechnung der Solarenergiepotenziale

Triangulierung mit ü berlagertem Solarpotenzial Abbildung 2: Triangulierung mit überlagertem Solarpotenzial
Ausgehend von dem dreidimensionalen Oberflächenmodell kann für jede identifizierte Dachfläche die pro Jahr verfügbare Solarenergie berechnet werden. Hierzu wird innerhalb einer Simulation auf Basis der Exposition einer individuellen Dachfläche (u.a. Ausrichtung bzgl. der Himmelsrichtung, Dachneigung), einer Verschattungsanalyse und zusätzlicher meteorologischer Kennzahlen die Ganzjahreseinstrahlung ermittelt.

Die Ganzjahreseinstrahlung berü cksichtigt dabei sowohl die direkte als auch die diffuse Sonnenstrahlung, welche zusammengefasst als Globalstrahlung bezeichnet werden. Erreichen Sonnenstrahlen ohne Streuung die (Erd-) Oberfläche, wird von direkter Strahlung gesprochen. Falls die Strahlen innerhalb der Atmosphäre z.B. durch Wolken abgelenkt bzw. gestreut werden und somit aus verschiedenen Richtungen auf die (Erd-) Oberfläche treffen, entspricht dieses dem diffusen Anteil an der Globalstrahlung.

Neben der Beachtung atmosphärischer Gegebenheiten wird das Solarpotenzial auch durch den Grad der Verschattung beeinflusst (s. Abbildung 3). Hierzu ist die individuelle Verschattung pro Dachfläche aus dem jeweiligen Verlauf der Sonnenstände und unter Berücksichtigung der Umgebung, bezogen auf ein Kalenderjahr, zu ermitteln. Zugrunde liegt für jeden Tag des Jahres eine zeitliche Auflösung von 30 Minuten. Über das hiermit zur Verfügung stehende Verschattungsmodell können die Limitierung der solaren Einstrahlung und die Abschattung durch angrenzende/-liegende Dachstrukturen aber auch beeinflussende Vegetation mit in die Berechnung des Solarpotenzials einbezogen werden.

Zusätzliche meteorologische Kennzahlen dienen u.a. zur Berücksichtigung des Grads der Bewölkung.

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Auswertung und Darstellung des Solarenergiepotenzials

Verschattungsmodell für die Solarpotenzialanalyse Abbildung 3: Verschattungsmodell für die Solarpotenzialanalyse
Aus der Simulation steht resultierend eine detaillierte Information zum Solarpotenzial pro Auflösungseinheit (ein Rasterpunkt entspricht 0,25 m2) zur Verfügung, welcher in der Einheit kWh/m2 pro Jahr angegeben wird. Ausgehend davon kann eine qualitative Einordnung zur solaren Eignung pro Gebäude (-grundriss) oder quantitativ pro Dachfläche bestimmt werden. Im Hinblick auf sekundäre Einflüsse (u.a. nicht nutzbare Randflächen von Dachflächen) wurden die Strahlungswerte im Vorfeld der weiteren Auswertung global um 10% reduziert. Die Bewertung der qualitativen solaren Eignung geht von einem durchschnittlichen Globalstrahlungswert von 976 kWh/m2 pro Jahr aus und differenziert fünf Eignungsgruppen, welche den prozentualen Anteil des theoretisch nutzbaren Solarpotenzials ausweisen:
  • ungeeignet: <70%
  • wenig: 70-75%
  • mittel: 75-80%
  • gut: 80-95%
  • sehr gut: >95%.
Für detailliertere Informationen zur Interpretation der Auswertung und Darstellung sei auf die Ausführungen unter "Auswertungshinweise" verwiesen.

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Allgemeine Hinweise

Die berechneten Solarpotenziale basieren auf der modellbasierten Solarpotenzialsimulation Solardarus© (Dipl.-Inf. Daniel Bachmann und Dr. Frank Weichert) und zum Zeitpunkt der Simulation (Stand: Januar 2012) vorliegenden LiDAR-Daten (Stand: Dezember 2008), die sich teilweise zeitlich in ihrer Erstellung unterscheiden. Hierdurch sind teilweise inkonsistente Darstellungen durch bauliche Veränderungen (u.a. Neubau, Abriss) zwischen den Karten (Luftaufnahmen, Deutsche Grundkarte, Stadtkarte) aber auch den LiDAR-Daten nicht auszuschließen. Zudem werden z.B.

  • bautechnische Faktoren (z.B. Statik des Daches),
  • Denkmalschutz oder
  • Schutzzonen gemäß Bebauungsplan
nicht bei der Bewertung berücksichtigt.

Trotz sorgfältiger Prüfung, kann keine Garantie für die Richtigkeit, Aktualität oder Vollständigkeit der angegebenen Daten und Informationen übernommen werden. Daher ist jede Haftung bzw. Garantie hinsichtlich der zur Verfügung stehenden Daten und Informationen ausgeschlossen.

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