Das Forschungsprojekt SUN-AREA

Transkript

1 Das Solarpotenzial-Dachkataster des Forschungsprojekts SUN-AREA Ein Erfahrungsbericht aus der praktischen Umsetzung M A R T I N A K L Ä R L E, DORO T H E A L U D W I G, SANDRA L A N I G U N D K AT H A R I N A M E I K Durch die Umsetzung des Forschungsprojekts SUN-AREA kann mittels Laserbefliegung ein Solarpotenzialkataster für große zusammenhängende Gebiete erstellt werden. Aus diesem kann das Energiepotenzial jeder einzelnen Dachfläche für die Nutzung von Photovoltaikund Solarthermieanlagen abgelesen werden. Die Ergebnisse der Analyse werden in einem Solardachkatasters für jedermann zugänglich als interaktive Internetkarte präsentiert. Diese Karte soll Kommunen und Energieagenturen als Beratungsgrundlage dienen. Durch diesen regionalen Ansatz findet das globale Thema des Klimawandels einerseits Zugang zu den politischen Entscheidungsträgern auf kommunaler Ebene und erreicht andererseits private Hausbesitzer. Das Forschungsprojekt SUN-AREA erbringt den Nachweis: In Deutschland sind ca. 20 % der vorhandenen Dachflächen für die solare Energienutzung geeignet. Diese können deutschlandweit ca. 100 % des privaten Strombedarfs decken. Dies entspricht mehr als dem 100-fachen der heutigen Nutzung. SUN- AREA berechnet das solare Energiepotenzial jeder einzelnen Dachfläche, jeder Stadt und jedes Landkreises. Mit Geographischen Informationssystemen (GIS) werden auf der Basis von Flugzeugscannerdaten, vollautomatisch alle Dachflächen, die für die Gewinnung von Solarenergie optimal geeignet sind, ermittelt. Daraus wird für jede Teilfläche eines Daches, die solare Eignung, der potenzielle Stromertrag und die CO 2 -Einsparung sowie das daraus resultierende mögliche Investitionsvolumen berechnet und in einer Internet- GIS-Karte für jedermann bereitgestellt. SUN-AREA liefert einen nachhaltigen Beitrag zur Wertschöpfung der Geoinformatik und erschließt das Anwendungsfeld der Solarpotenzialanalyse im Gebäudebestand. Anlässlich der INTERGEO 2008 in Bremen wurde vom DVW (Gesellschaft für Geodäsie, Geoinformation und Landmanagement) erstmals der mit dotierte GIS Best Practice Award vergeben. Honoriert wurden herausragende Leistungen auf dem Gebiet von GIS-Projekten. Unter Berücksichtigung sämtlicher Bewertungskriterien fiel die Wahl der Jury für den 1. Platz auf das Forschungsprojekt SUN-AREA und das Forscherteam um Prof. Dr. Martina Klärle. Die Jury kam zu der Überzeugung, dass sich das ausgewählte Projekt in hervorragender Weise dazu eignet, die enge Verbindung zwischen Geoinformation, Umwelt- und Klimaschutz deutlich zu machen (Abb. 1). Abb. 1: DVW-Preisverleihung SOLARZEITALTER

2 Z i e le v o n S U N - A R E A Trotz der globalen Dimension des Themas Klimawandel sind zur Bewältigung der energiespezifischen Probleme regionale Lösungen gefragt, die es jedermann ermöglichen, einen aktiven Beitrag zum Klimaschutz zu leisten. Durch die vollautomatische und flächenscharfe Ermittlung des Solarenergiepotenzials kann SUN-AREA durch Aufklärung einen großen Beitrag zum Ausbau des Solarzeitalters leisten. Mit den Ergebnissen der bisherigen Analysen konnte der rechnerische und kartographische Nachweis erbracht werden, dass etwa 20 % der vorhandenen Dachfläche in Deutschland für die solare Energienutzung geeignet sind. Der private Strombedarf könnte durch eine Nutzung dieser Potenziale um durchschnittlich 100 % gedeckt werden. SUN-AREA berechnet das solare Energiepotenzial auf jeder Maßstabsebene von der einzelnen Dachfläche bis hin zu kompletten Landkreisen oder Bundesländern. Durch die Anwendung Geographischer Informationssysteme (GIS) kann für jedes Dach und jede Teilfläche des jeweiligen Daches die solare Eignung, der potenzielle Stromertrag, die CO 2 -Einsparung sowie das daraus resultierende mögliche Investitionsvolumen exakt ermittelt werden. Auf Grundlage dieser Ergebnisse werden Initiativen der jeweiligen Kommunen gestartet, um den Bürgern das Informationsangebot im Internet nahezubringen. Auch konkrete Anschreiben der Grundstücksbesitzer mit sehr gut geeigneten Dachflächen, wie es in der Pilotstadt Osnabrück erfolgte, sind möglich. Durch solche öffentlichkeitswirksame Kampagnen wir das Bewusstsein der Bevölkerung für Erneuerbare Energien gestärkt und die Investitionsbereitschaft in solare Energieträger forciert. Infolge der potenziellen Investitionen ist zudem mit positiven Effekten für die jeweilige Wirtschaftsregion zu rechnen. Impulse für das Handwerk und private Investoren oder die Schaffung neuer Arbeitsplätze im Bereich Erneuerbare Energien werden erwartet. D a s K o o p e r a t i o n s n e t z w e r k v o n S U N - A R E A Das Forschungsprojekt SUN-AREA wurde von der Arbeitsgruppe innovativer Projekte vom Ministerium für Wissenschaft und Kultur des Landes Niedersachsen (AGIP) finanziert. Im Zeitraum von Januar 2006 bis zum Frühjahr 2008 wurde im Rahmen des Forschungsprojektes SUN-AREA die Berechnungsmethode zur Erstellung von flächendeckenden Solarpotenzialkatastern entwickelt. Dabei wurde eine Vielzahl von Kooperationspartner in die Entwicklung eingebunden. Im Bereich der Fernerkundung konnte das Institut für Geoinformatik und Fernerkundung (IGF) der Universität Osnabrück für eine Zusammenarbeit gewonnen werden. Mit der Firma Top Scan, Gesellschaft zur Erfassung topographischer Informationen in Rheine, als Kooperationspartner konnte ein Unternehmen mit langjähriger Erfahrung sein Expertenwissen zur Erfassung, Aufbereitung und Auswertung von Laserscannerdaten einbringen. Die Geobasisdaten wurden einerseits vom Landesbetrieb Landesvermessung und Geoinformation Niedersachsen in Hannover und andererseits vom Fachdienst Geodaten der Stadt Osnabrück zur Verfügung gestellt. Die anschließende Ergebnisdarstellung als interaktive Internetkarte der Stadt Osnabrück, begleitet von einer umfangreichen Öffentlichkeitsarbeit, wurde durch den Fachbereich Umwelt der Stadt Osnabrück realisiert. Diese interdisziplinäre Kooperation konnte die Entwicklung einer wissenschaftlich fundierten, marktrelevanten Berechnungsmethode für Solardach-Potenzialkataster gewährleisten. Die Geodatenmodellierung und anlayse sowie deren Verwertung in der Wirtschaft wurde in mehreren Expertenrunden mit verschiedenen Energieversorgern, Netzbetreibern, Energieagenturen, Solarmodulherstellern, Umweltverbänden wie auch Geodatenund GIS-Experten diskutiert und analysiert. Ein kontinuierlicher Optimierungsprozess konnte so innerhalb der Forschungs- und Entwicklungsabläufe sichergestellt werden. 86 SOLARZEITALTER

3 D i e B e re c h n u n g d e s S o l a r p o t e n - z i a l s p ro D a c h f l ä c h e Datengrundlagen Die Basis stellen hochauflösende, flugzeuggetragene Laserscannerdaten dar, die aus einer Messpunktwolke bestehend aus Lagekoordinaten und Höhewerten aufgebaut sind. Um die geeigneten Gebäude bzw. Dachflächen zu lokalisieren wird das Automatische Liegenschaftskataster (ALK), das die Flurstücksgrenzen und Gebäudeumrisse enthält, verwendet. Diese enthalten auch Sachdaten, die bei der späteren Ergebnisdarstellung als Lieferant der Adressdaten dienen. Eine weitere Grundlage zur Berechnung bildet der Globalstrahlungswert des jeweiligen Untersuchungsgebietes. Dieser wird vom Deutschen Wetterdienst (DWD) erhoben, indem Bodenmessungen durchgeführt und durch Satellitendaten ergänzt werden. Für die SUN-AREA-Berechnung wird das 20-jährige Mittel zu Grunde gelegt. Ermittlung der Einflussgrößen der Standorteignung Mit der SUN-AREA Methode können alle Faktoren berechnet werden, aus denen sich anschließend vollautomatisch die Eignung eines jeden Daches für die solare Nutzung ermitteln lässt. Die Eignung jedes einzelnen Daches für eine effiziente Nutzung der Solarenergie wird durch das im Rahmen des Forschungsprojekts entwickelte Regelwerk ermöglicht. Abb. 2 Laserscannerbefliegung Bei einer Dichte von etwa 3-4 Punkten pro m 2 und einer Lage- und Höhengenauigkeit von rund 0,15 cm können kleinste Dachstrukturen wie Schornsteine oder Gauben erfasst und bei der Berechnung des Solarenergiepotenzials berücksichtigt werden. Zudem ermöglicht die Differenzierung in Höhen- und Bodenpunkte, die Rückschlüsse auf bestehende Strukturen der Geländeoberfläche (z.b. Vegetation) erlaubt, eine hochgenaue Verschattungsanalyse. Diese Differenzierung geht zurück auf die Aufnahme von Mehrfachreflexionen des Laserstrahls während der Befliegung (first pulse und last pulse) (Abb. 3). Bei den Standortfaktoren handelt es sich um Dachform, -neigung, -ausrichtung, -größe und -verschattung. Über deren Ermittlung wird die Grundlage für die Berechnung des zu erwirtschaftenden Stromertrags über eine Photovoltaikanlage als auch von thermischen Solaranlagen geschaffen. Abb. 3: First und last Pulse SOLARZEITALTER

4 Nach der Berechnung der Standorteignung nach den Faktoren Dachneigung, -ausrichtung und -verschattung werden die übrigen Dachflächen abschließend nach ihrer Größe gefiltert. Für den wirtschaftlichen Betrieb einer Photovoltaik-Anlage wird eine Dachfläche von mindestens 15 m 2 benötigt. Bei Flachdächern wird aufgrund der notwendigen Aufständerung und der daraus resultierenden Vergrößerung der Abstände der PV-Module untereinander der dreifache Flächenanspruch eingestellt. E rg e b n i s z u s a m m e n s t e l l u n g Nach der Berücksichtigung der Standortfaktoren Neigung, Ausrichtung, Verschattung, Flächengröße und dem Globalstrahlungswert kann für jede Dachfläche, abhängig von dem angenommenen Wirkungsgrad der Anlage der potenzielle Energiebetrag ermittelt werden. Darauf aufbauend werden der mittlere Jahresertrag an Strom und die damit verbundene CO 2 -Einsparung ermittelt. Die Solarpotenzial-Ergebnisse können zudem als neutraler Datensatz z.b. in Stadtpläne oder 3D-Stadtmodelle einfließen. SUN-AREA ermöglicht neben der Ermittlung des Solarenergiepotenzials auch die Klassifizierung der potenziellen Eignungsflächen hinsichtlich der empfehlenswerten Modultypen. Abhängig von der Dachneigung, Ausrichtung und Verschattung können die diffuse und die direkte Sonneneinstrahlung separat ermittelt werden. Über die Integration der Gebäudenutzungsarten aus den amtlichen Geobasisdaten und der berechneten Parameter Einstrahlungsenergie, Flächengröße und Neigung ist eine Aussage zum geeigneten Modultyp für die Dachfläche möglich (z.b. Mono-, Polychristalin-, Dünnschicht- oder z.b. CIS-Technologie). R e a l i s i e r t e P ro j e k t e Das Stadtgebiet von Osnabrück war Pilotregion für das Forschungsprojekt SUN-AREA. Die Stadt gab im Jahr 2005 eine Laserbefliegung mit einer Aufnahmedichte von 4 Punkten pro m 2 in Auftrag. Auf Grundlage dieser Daten konnte die Methode anhand des insgesamt ca Gebäude umfassenden Stadtgebietes mit einer Flächengröße von 120 km 2 entwickelt und erstmals angewandt werden. Im Zuge der Befliegung wurden 630 Mio. Rohpunkte aufgenommen. Osnabrück war nun seit Ende 2007 die erste Stadt deutschlandweit, die ein flächendeckendes Solarpotenzial-Dachkataster besitzt. Seit November 2007 sind die Solarpotenziale der Osnabrücker Dachflächen für jedermann online abrufbar. Das Potenzial auf Osnabrücks Dachflächen ist groß. Auf Gebäuden sind ca. 2 km 2 Dachfläche für die Photovoltaik-Nutzung optimal geeignet. Über diese Fläche könnten MWh/a Strom gewonnen werden, die den derzeitigen Strombedarf aller Privathaushalte von Osnabrück ( MWh/a, Stand 2006) mehr als vollständig decken würden. Im Jahr 2008 wurden zwei weitere Städte flächendeckend berechnet, Braunschweig in Niedersachsen und Weilheim in Oberbayern. Seit Februar 2009 ist auch Braunschweig mit seinem Solarkataster online. Darin wird neben den Karten für Photovoltaik eine separate Karte für die Eignung von Solarthermie bereitgestellt. Auch für Gelsenkirchen wurde die SUN-AREA-Methode angewandt und ist bereits im Internet abrufbar. Allerdings liegen die hierfür nötigen Laserscannerdaten nur für einen Teil von Gelsenkirchen vor. E rg e b n i s p r ä s e n t a t i o n m i t t e l s i n t e r a k t i v e r I n t e r n e t k a r t e Umwelt braucht Medien, deshalb entschlossen sich die Stadt Osnabrück (2007) (s. Abb. 8), Gelsenkirchen (2008) und Braunschweig (2009) das Potenzialkataster für jedermann zugänglich im Internet anzubieten. Die Benutzeroberfläche bietet Funktionen, wie die direkte Maßstabseingabe, das Zoomen mittels Klick auf das Plus/Minus-Zeichen oder das zoo- 88 SOLARZEITALTER

5 men in jeweils vorgegebenen Maßstäben inklusive Druckfunktion. Zusätzlich wurde eine Adress- Suchfunktion implementiert, so dass jeder Nutzer über die Adresseingabe direkt an die gewünschte Adresse geführt wird oder sich die Straßen in alphabetischer Reihenfolge ausgeben lassen kann. Durch die Aktivierung des Buttons Solareignung und einen Klick auf das gewünschte Gebäude werden Informationen über die Solareignung der selektierten Fläche, d.h. die Größe der geeigneten Dachfläche, der daraus potenziell zu erwartende Stromertrag sowie die Solarpotenzialeignung und die mögliche CO 2 -Einsparung ausgegeben (Abb. 3). Es können auch mehrere Gebäude gleichzeitig ausgewählt und als Liste ausgegeben werden (Abb. 4). Diese Liste ist variabel ergänzbar, beispielsweise um die überschlägigen Installationskosten. Abb Beispiel Gelsenkirchen und Liste geeigneter Gebäude Gelsenkirchen (Adressen geändert) SOLARZEITALTER

6 D a t e n s c h u t z Bezüglich der Veröffentlichung der SUN-AREA- Ergebnisse im Internet wurde von verschiedenen Seiten die Frage des Datenschutzes angesprochen. Da das Solarenergiepotenzial von Dachflächen unter die Kategorie der Umweltinformationen fällt, können Daten nach den Vorschriften des Umweltinformationsgesetzes des Bundes (UIG) im Internet veröffentlicht werden. Zudem möchte die Bundesregierung den Zugang zu digitalen Geodaten vereinfachen. Der Gesetzesentwurf der Bundesregierung (16/10530) zum Geodatenzugangsgesetz (GeoZG) sieht vor, dass in Zukunft alle Bürgerinnen und Bürger via Internet Zugriff auf Geodaten und Metadaten zu deutschen und europäischen Umweltthemen erhalten sollen. Mit dem Gesetz wird eine Richtlinie (2007/2/EG) des Europäischen Parlaments umgesetzt, mit der eine EU-weite Geodateninfrastruktur (INSPIRE- Richtlinie) geschaffen wird (spezieller Bezug hier zu Energieeinsparmaßnahmen, siehe 4.4. gg). Der Landesdatenschutzbeauftragte von Baden- Württemberg erläuterte in seiner Stellungnahme zur Darstellung der SUN-AREA-Ergebnisse für Einzelgebäude seinen Standpunkt wie folgt: Die Realisierung des Projekts auf der Grundlage des Landesumweltinformationsgesetzes (LUIG) und der von diesem in Bezug genommenen Vorschriften des Umweltinformationsgesetzes des Bundes (UIG) kann akzeptiert werden, sofern den betroffenen Grundeigentümern ein Widerspruchsrecht gegen die Veröffentlichung der Daten über das Solarpotential ihres Grundeigentums eingeräumt wird. Fa z i t Mit SUN-AREA ist es gelungen, eine Methode zu entwickeln, die über eine flächendeckende Befliegung vollautomatisch das Solarpotenzial von Einzeldachflächen für große Gebiete ermitteln kann. Mit Hilfe der benutzerfreundlichen Darstellung der Ergebnisdaten über eine interaktive Internetkarte kann zudem das Bewusstsein der Bevölkerung für Erneuerbare Energien gestärkt werden. Wird über eine gezielte Öffentlichkeitsarbeit eine Mobilisierung der Investitionsbereitschaft in solare Energieträger erreicht, ergeben sich zudem positive Auswirkungen auf die regionale Wirtschaft. Prof. Dr. Martina Klärle (Professur für Landmanagement) ist Leiterin des Forschungsprojektes SUN-AREA. Zudem leitet sie den Studiengang Geoinformation und Kommunaltechnik an der Fachhochschule Frankfurt am Main. Dipl.-Ing. (FH) Dorothea Ludwig ist an der Fachhochschule Osnabrück für die Methodenentwicklung und Umsetzung von SUN-AREA verantwortlich und leitet SUN-AREA für Norddeutschland. Dipl.-Geoinf. Sandra Lanig und Dipl. Geogr. Katharina Meik sind am Steinbeis-Transferzentrum Geoinformations- und Landmanagement für die Koordinierung von SUN-AREA in Süddeutschland tätig. Eine Liste mit weiterführender Literatur kann unter meik@klaerle.de angefordert werden. Die Website des Forschungsprojektes: 90 SOLARZEITALTER