Berechnungsgrundlagen Solarthermie

Grundlage dieses Katasters ist eine geodatenbasierte Ermittlung der Solarpotenziale für jedes Gebäude in der Stadt Ratingen. Die Methode zur Berechnung des Solarenergiepotenzials erfolgt über geographische Informationssysteme (GIS). 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 Potenzialparameter wie der potenzielle Wärmeertrag pro Jahr und die mögliche CO₂-Einsparung. Die Methodik sowie die angenommenen Parameter sind im Folgenden näher beschrieben.

Hintergrund

Datengrundlage

Grundlage der Solarpotenzialanalyse sind Laserscandaten, die für das Untersuchungsgebiet flächendeckend zur Verfügung stehen. Das Datum der Erfassung dieser Daten liegt im Jahr 2015. Zur Lokalisierung der Gebäude wurden die Gebäudeumringe aus dem Automatisierten Liegenschaftskataster (ALKIS) mit Stand 2018 verwendet. Die Gebäudegrundrisse geben die Gebäudeaußenmauern des Hauses an. Dachüberstände sind darin nicht berücksichtigt. Nach dem Erfassungsdatum der ALKIS-Daten neu errichtete Gebäude sind noch nicht im Kataster dargestellt und berechnet worden. Gebäude, die zwischen dem Erfassungsdatum der Laserscandaten und den ALKIS-Daten errichtet worden sind, sind in der Regel als Flachdach erfasst, da ihre tatsächliche Dachstruktur nicht in den Oberflächenhöhendaten abgebildet ist. 

Ermittlung homogener Dachteilflächen

In einem ersten Schritt werden aus dem Oberflächenhöhenmodell homogene Dachteilflächen abgeleitet. Eine homogene Teilfläche verfügt jeweils über eine einheitliche Neigung und Ausrichtung und ist damit gleichermaßen mit Solarkollektoren belegbar. Störelemente werden dabei ausfindig gemacht und separiert. Über das anzuwendende Verfahren werden auch Schornsteine, Gauben und andere Dachstrukturen berücksichtigt. Dies ermöglicht die differenzierte Berechnung der Einstrahlung pro homogener Teilfläche. 

Einstrahlungsanalysen

Im Zuge der Einstrahlungsanalysen werden die direkte und diffuse Einstrahlung ermittelt. Die solare Einstrahlung ist ausschlaggebend für die Wirtschaftlichkeit der solaren Nutzung. Über eine Ganzjahreseinstrahlungsanalyse, berechnet im Minutenrhythmus 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 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 herausgenommen. Geringere Abschattungen mindern die solare Einstrahlung und fließen in die Solarpotenzialberechnung mit ein. Die Einstrahlungsanalyse wird anhand von örtlichen Strahlungsdaten, die vom DWD zur Verfügung gestellt werden, an lokale Verhältnisse angepasst. 

Eignungsklassifikation 

Das Ergebnis weist die Flächen aus, die einen spezifischen Wärmeertrag von 350 kWh/m² pro Jahr und mehr aufweisen und weniger als 20 % verschattet sind. Für die Solarthermienutzung geeignete Dachflächenbereiche sind in ihrer Grundfläche mindestens 5 m² groß. Bei Flachdächern wird angenommen, dass bei einer Aufständerung von 30° nach Süden 40 % der Fläche genutzt werden können. Flachdächer müssen daher mindestens eine Grundfläche von 12,5 m² aufweisen, um als geeignet eingestuft zu werden.

Potenzialermittlung auf Dachflächen

Kollektorwirkungsgrad

Für die Berechnung des potenziell erzeugbaren Wärmeertrags wurde ein zum Zeitpunkt der Analyse gängiger Wirkungsgrad von Flachkollektoren zu Grunde gelegt. Dies sind 50 % Wirkungsgrad. Die Berechnung des potenziellen Wärmeertrags fußt auf der Annahme, dass bei Flachdächern von einer Aufständerung der Module auf 30° Süd ausgegangen.

Wärmeertrag

Basierend auf den errechneten Parametern geeignete Kollektorfläche, Wirkungsgrad und Einstrahlungsenergie wird der potenzielle Wärmeertrags für die ausgewählte Fläche/n ermittelt. Die Berechnung des Wärmeertrags basiert auf folgender Berechnungsformel: 

Y = η ·H·F3D
Y= zu erwartender Jahresenergieertrag für die Dachteilfläche [kWh / a] 
η = Wirkungsgrad der Anlage 
H= mittlere jährliche solare Einstrahlung auf die geeignete Kollektorfläche [kWh/(m² ·a)]
F3D = geeignete Dachfläche [m²]    

CO₂-Einsparung 

Die Berechnung basiert auf einem CO₂-Äquivalent Wert von 0,25 kg/kWh bezogen auf die CO₂-Emissionen von Gas als Energieträger. Berücksichtigt wurde ebenso die produktionsbedingte CO₂-Emission, die nach GEMIS 4.95 für Solarthermieanlagen bei 0,0218 kg/kWh liegt. Demnach wurde die CO₂-Einsparung für eine Anlage mit 50 % Wirkungsgrad mit 0,228 kg/kWh berechnet. Die Ergebnisse der Wärmeertragsberechnung bilden die Grundlage für die mögliche CO₂-Einsparung.

Weitere Hinweise

Im Solarkataster sind nur für eine Solarthermienutzung geeignete Dachflächen ausgewiesen. Auf eine weitere Klassifizierung innerhalb der geeigneten Flächen wird verzichtet, da die Eignung einer Dachfläche stark vom Verbrauchsverhalten der Bewohner/ Nutzer des Gebäudes abhängig ist. Bitte nutzen Sie daher den Ertragsrechner Solarthermie, um einen Eindruck von der Wirtschaftlichkeit einer Solarthermieanlage auf Ihrem Dach zu bekommen.
Die dieser Berechnung zugrunde liegenden Größen für die Ermittlung der einzelnen Kennwerte zur Nutzung von Solarthermieanlagen stellen eine Momentaufnahme der Marktsituation dar. Wirkungsgrade und CO₂-Äquivalente können sich durch Faktoren wie technische Neuerungen, während der Projektphase verändern. 
Die geodatenbasierte Analyse der Solarpotenziale bieten eine erste Einschätzung der Eignung eines Daches für die Installation von Solarthermie. Sie ersetzt nicht die vor Ort-Prüfung der Machbarkeit durch ein Fachunternehmen. Ob die Statik des Daches für die Installation von Solarthermiekollektoren geeignet ist, wird im Rahmen der geodatenbasierten Analyse nicht geprüft.