29.07.2011
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Potenzialanalyse

Ein Solarkataster mit Sun Area

Luftbilder und Laserscanner ermöglichen die schnelle Analyse der Potenziale von Dächern für die Photovoltaik. Geoinformationssysteme liefern die Daten für flächendeckende Solarkataster.

 - Erfassung der Dachflächen aus der Luft.
Erfassung der Dachflächen aus der Luft.

Mit dem Forschungsprojekt Sun Area wurde ein Werkzeug entwickelt, um Solarkataster für große zusammenhängende Gebiete zu schaffen. Es bestimmt das Nutzungspotenzial jeder einzelnen Dachfläche für die Photovoltaik und Solarthermie. Eine webgestützte Anwendung des Geoinformationssystems (GIS) stellt die Ergebnisse für jedes geeignete Dach dar. Ermöglicht wird die Berechnung durch die Entwicklung einer vollautomatischen Algorithmenkette aus Raster- und Vektor-GIS-Funktionen. Sie ermitteln die Form, Neigung, Exposition und Verschattung der Dächer. Inzwischen wurde die Methode weiterentwickelt, so dass zusätzliche Informationen, wie eine Modultypenempfehlung oder eine Wirtschaftlichkeitsrechnung abrufbar sind. Dadurch wachsen die Anreize, in Solarenergie zu investieren.

Grünes Licht seit 2005

Im Jahr 2005 erhielt die Idee von einer „Standortanalyse für Photovoltaikanlagen durch hochauflösende Sensoren in der Fernerkundung – Sun Area“ grünes Licht. Die Arbeitsgruppe innovative Projekte des Ministeriums für Wissenschaft und Kultur des Landes Niedersachsen (Agip) unterstützte die Forschungen finanziell. In Kooperation mit dem Institut für Geoinformatik und Fernerkundung der Universität Osnabrück (IGF) und der Firma Topscan setzte das Forscherinnenteam unter der Leitung von Prof. Dr. Martina Klärle das Projekt erfolgreich um. Als Pilotprojekt wurde 2007 die Stadt Osnabrück gerastert, das weltweit erste Solarkataster überhaupt. Seither hat sich die installierte Photovoltaikleistung sehr positiv entwickelt. Lag diese laut Angabe des Umweltamts Osnabrück 2007 noch bei etwa 1.700 Kilowatt, so hat sich der Wert bis Mitte 2010 mit fast 6.000 Kilowatt mehr als verdreifacht. Inzwischen wurde mit Hilfe der Sun-Area-Methode das Solarpotenzial von über einer Millionen Dächer berechnet. Das Projekt wurde mit dem DVW GIS Best Practice Award 2008 und dem Deutschen Solarpreis 2009 ausgezeichnet. Erst im Juli 2010 hat Wirtschaftsminister Ernst Pfister, Klärle mit der Wirtschaftsmedaille des Landes Baden-Württemberg ausgezeichnet.

Orthofotos mit eingeblendeten Ergebnissen einer Verschattungsmodellierung

Schattenmodellierung 12 Uhr, Januar

Schattenmodellierung 12 Uhr, April

Schattenmodellierung 12 Uhr, Juli

Schattenmodellierung 12 Uhr, Oktober

Vollautomatische Analyse am Computer

Sun Area ist eine vollautomatische, computergestützte Analysemethode zur Ermittlung und Visualisierung des Solarenergiepotenzials für jedes Einzeldach. Ausgangsbasis der Berechnungen sind in den Kommunen meist für den Hochwasserschutz erhobene Daten. Je nach Datenbestand stehen für die Berechnung mittels Sun Area 2.0 verschiedene Alternativen zur Verfügung: Die Solarpotenziale werden entweder aus den originären Laserscannerdaten berechnet, über photogrammetrische Auswertungen stereoskopischer Luftbilder ermittelt oder aus einem 3D-Stadtmodell abgeleitet. Zur Erfassung der Laserscannerdaten werden Spezialflugzeuge eingesetzt. Ein Sensor am Rumpf der Flugzeuge scannt das gesamte Gelände hochauflösend ab.

Für eine Reihe von Bundesländern wurden mit erheblichem finanziellem Einsatz die dreidimensionalen Flugzeugscannerdaten mit hoher Genauigkeit flächendeckend erfasst. Hierzu zählen Baden-Württemberg und das Saarland, Schleswig-Holstein, Hamburg, Berlin und Bremen. Hessen wird aktuell flächendeckend beflogen. Weitere Bundesländer besitzen Laserscannerdaten, jedoch nicht flächendeckend. Ziel ist es, dass in absehbarer Zeit diese Daten für das gesamte Bundesgebiet vorliegen. Den volkswirtschaftlichen Mehrwert gilt es zu nutzen.

Oberfläche vom Laser abgetastet

Beim Laserscanning wird die Erdoberfläche mittels eines Laserstrahls systematisch abgetastet. Die Bestimmung der dreidimensionalen Lage, der so entstandenen Messpunkte erfolgt aus der Kombination der Informationen dreier Systeme:

  • Ein GNSS-Empfänger (z.B. NAVSTAR-GPS = Navigation System with Timing and Ranging - Global Positioning System) zeichnet die punktuelle Position des Flugzeuges auf.
  • Über ein Inertialsystem (INS = Inertial Navigation System) wird die Fluglage des Flugzeuges bestimmt (Winkel quer, Winkel senkrecht und Winkel längs der Flugachse).
  • Der Laserscanner sendet Laserstrahlen in bekannten Winkeln aus. Über die Laufzeitlänge ist die zurückgelegte Strecke des Laserstrahls messbar. Mehrfachreflexionen der Lichtimpulse („First Pulse“ und „Last Pulse“) lassen eine Klassifizierung der Punktwolke in Bodenpunkte sowie Höhenpunkte (Vegetation und Gebäude) zu.

Die so erreichbaren Genauigkeiten für einen Messpunkt liegen bei ca. 15 Zentimeter in der Höhe und bei ca. Zentimeter in der Lage. Die Messpunktdichte kann mehrere Punkte pro Quadratmeter betragen. Ab einer Dichte von zwei Punkten pro Quadratmeter sind die Daten für eine Solarpotenzialanalyse geeignet. Liegt die Punktdichte darunter, werden kleinste Dachstrukturen wie Schornsteine oder Aufbauten nicht mehr berücksichtigt. Das wirkt sich besonders auf die Verschattungsanalyse aus. Die Analyse der Laserscannerdaten erfolgt mittels eines geografischen Informationssystems (GIS). Auf diese Weise wird es möglich, Größe, Form, Neigung, Exposition und Verschattung des Daches zu berechnen. Aus dieser Basis kann man das solarenergetische Potenzial ermitteln. In Osnabrück wurde diese Verfahrensweise gewählt, also die Datenerfassung über Flugzeugscanner.

 - Klassifizierung der Dächer nach sechs Kategorien der Eignung für Solarenergie.
Klassifizierung der Dächer nach sechs Kategorien der Eignung für Solarenergie.

Auswertung von Luftbildern

Auch die photogrammetrische Auswertung stereoskopischer Luftbilder erlaubt genaue Höheninformationen. Die Höheninformation wird bei der Auswertung, ähnlich wie beim menschlichen Stereosehen, aus zwei Abbildungen eines Punktes ermittelt. Die photogrammetrische Erfassung von Luftbildern erreicht mittlerweile eine Bodenauflösung (Ground Sampling Distance – GSD) von bis zu sieben Zentimetern. Werden diese hochwertigen Bilder mit einer entsprechend starken Überlappung beflogen, lassen sich daraus Höhenmodelle generieren und Objekte extrahieren. Um ein entsprechend dichtes 3D-Modell abzuleiten, ist eine Längs- und Querüberlappung der Flugstreifen von sechzig Prozent sinnvoll. Mit Hilfe photogrammetrischer Auswertesysteme (z.B. Match-T der Firma Inpho) werden sowohl Rastermodelle als auch 3D-Punktwolken ausgegeben. Das Verfahren erreicht Qualitäten ähnlich der Erfassung mit Laserscannern.

Modell der Oberfläche liefert Potenziale

Auf Basis des digitalen Oberflächenmodells (DOM) erfolgt die Analyse des Solarpotenzials. Für die Lokalisierung der Gebäude werden die Umrisse des amtlichen Liegenschaftkatasters verwendet. Die automatisierte Liegenschaftskarte (ALK) liefert die Grundrisse von Flurstück und Gebäude, das automatisierte Liegenschaftsbuch (ALB) kann später zur Verknüpfung der solaren Eignungsflächen mit den Eigentümern verwendet werden. Die beiden Informationssysteme werden zukünftig im Informationssystem ALKIS (Amtliches Liegenschaftskatasterinformationssystem) integriert.

Unter Berücksichtigung der Standards zur Geodateninfrastruktur können hier neben den reinen grafischen Geodaten, wie den Flurstücksgrenzen und Gebäudegrundrissen auch die Sach- und Metadaten genutzt werden. Neben der reinen Lokalisierung der Gebäudegrundrisse dienen diese bei der späteren Verwertung der Ergebnisse als Lieferant der Adressdaten. So können später alle Solarpotenzialflächen in einem internetgestützten Kartensystem (Web-GIS) zur Navigation bei der Ergebnisvisualisierung verwendet werden.

Von Punktwolken zu Solarinformationen

Aus den Grundlagendaten werden mit Sun Area 2.0 nicht nur geeignete Dachflächen, sondern auch Dachflächen mit Sonderformen, wie Tonnen- und Wellendächer berechnet. Aufgrund der hohen Punktdichte entsteht ein sehr hochauflösendes Oberflächenmodell. Je genauer es ist, desto besser lassen sich „unregelmäßige“ Dachformen darstellen (da weniger generalisiert) und die darauf eintreffende solare Einstrahlung ermitteln.

Besondere Bedeutung hat die Analyse der Dachform bei der Unterscheidung zwischen Flachdach und Giebeldach. Bei Flachdächern ist eine Aufständerung der Module notwendig, um durch den verbesserten Neigungswinkel die Sonnenenergie optimal zu nutzen. Um eine gegenseitige Verschattung zwischen den einzelnen Modulreihen zu vermeiden, sind Abstände einzuplanen. Im Vergleich zu einem geneigten Dach verringern sich dadurch die Modulfläche und damit der Stromertrag. Mit der neuen Methode wird dies berücksichtig. In der Datenbank wird ein Hinweis ausgegeben, wenn es sich bei dem angefragten Gebäude um ein Flachdach handelt bzw. Flachdachanteile vorhanden sind. Modulfläche, zu erwartender Stromertrag und Kohlendioxideinsparung werden entsprechend angepasst. Um ein Flachdach selektieren zu können wird im ersten Schritt die Neigung des Daches auf Basis des Oberflächenmodells ermittelt. Sind genügend Flachdachanteile auf dem Dach vorhanden, so erfolgt über die Gebäude-ID in der ALK der Zugriff auf das Gebäude und es wird zusätzlich zur Einstrahlungsberechnung auf die horizontale Dachfläche ein Abschlag für die Aufständerung und die Abstände einbezogen.

Klassifizierung der Dächer

Bisher haben Interessierte im Solarkataster ablesen können, ob ihr Dach grundsätzlich zur solaren Strom- oder Wärmeerzeugung geeignet ist. Bei der Einteilung in drei Klassen lässt sich pro Gebäude die Information abrufen, ob die Dachfläche sehr gut, gut oder nur bedingt für die solare Energienutzung geeignet ist. Pro Gebäude wird hier jeweils eine Klasse ausgegeben, die sich aus den möglichen Teilflächen errechnet. Auf dieser Grundlage werden für jedes Gebäude: die geeignete Modulfläche, der potenzielle Stromertrag, die Leistung in Kilowatt und das mögliche Investitionsvolumen berechnet. Mit Sun Area 2.0 ist auch eine flächenscharfe Darstellung möglich. Durch die Einteilung in sechs Eignungsklassen ist ersichtlich wie gut die einzelnen Teilflächen eines Daches geeignet sind.

Besonders wenn nicht die komplette Dachseite mit Photovoltaik bestückt werden soll, ist diese Information hilfreich bei der Entscheidung wo auf dem Dach genau die Anlage installiert werden soll. Die Einteilung der Eignung in sechs Klassen, abhängig von der eintreffenden Globalstrahlung (gesamte auf eine Fläche auftreffende Sonnenstrahlung) ermöglicht eine detaillierte Sicht auf das Potenzial jeder einzelnen Teilfläche der Dächer. So können beispielsweise Verläufe der Eignung über die potenzielle Modulfläche erkannt werden. So wird deutlich, welche Teilbereiche der Dachfläche am besten, welche weniger – z.B. aufgrund von Verschattung – geeignet sind.

Sun Area 2.0 empfiehlt auch geeignete Modultypen. Abhängig von der Dachneigung, Ausrichtung und Verschattung werden die diffuse und die direkte Sonneneinstrahlung separat ermittelt. Über die Integration der Gebäudenutzungsarten aus den amtlichen Geobasisdaten und der berechneten Parameter zur Einstrahlungsenergie, Flächengröße und Neigung ist eine Aussage zum geeigneten Modultyp möglich (z.B. mono-Si, poly-Si, Si-Dünnschicht- oder CIS-Module). Sun Area ermittelt auch für jeden Quadratmeter eines Daches die direkte und diffuse Sonneneinstrahlung in Kilowattstunden. Je nach Anteil der beiden Strahlungsarten versprechen entweder der kristalline Typ oder Dünnschichtmodule einen wirtschaftlichen Betrieb der Solaranlage.

(Prof. Dr. Martina Klärle , Studiengangsleiterin  Geoinformation-Kommunaltechnik , Fachhochschule Frankfurt am Main, Fachgebiet Landmanagement )

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