Technische Details und Bewertungskriterien

1. Ausgangssituation

Um die Potenziale für die solare Energienutzung im Landkreis Cham zu ermitteln, haben die Kreiswerke Cham in Zusammenarbeit mit dem Landkreis Cham eine Solarpotenzialanalyse in Auftrag gegeben. Diese wird alle zwei Jahre für den jeweils vorhandenen Gebäudebestand (Stichtag der Datenausspielung durch die Bayerische Vermessungsverwaltung) aktualisiert.

Die Standortanalyse und Potenzialberechnung wird auf der Grundlage von hochaufgelösten Oberflächenhöheninformationen für Solaranlagen durchgeführt. Die Potenzialanalyse bezieht sich dabei auf die Standortfaktoren wie Neigung, Ausrichtung, Verschattung und solare Einstrahlung. Die Berechnung dieser Faktoren erfolgt über ein digitales Oberflächenmodell (DOM40). Das DOM40 wird durch das Bayerische Landesamt für Digitalisierung, Breitband und Vermessung (LDBV) alle zwei Jahre aus Stereoluftbildern abgeleitet.

Diese 3-dimensionale Analyse bietet zahlreiche Vorteile gegenüber 2-dimensionalen Methoden zur Ermittlung von Solarpotenzialen. Sie ermöglicht beispielsweise eine genaue Berechnung der solaren Einstrahlung und die Höhe der Abschattung durch umliegende Gebäude und Vegetation. Dabei wird durch Berücksichtigung zahlreicher Sonnenstände über den Tages- und Jahreslauf die direkte und die solare Einstrahlung errechnet. Eine starke Minderung der direkten Einstrahlung führt zur Ausweisung von verschatteten Dachflächenbereichen, die für die Nutzung von Solarenergie de facto ungeeignet sind.

Bautechnische Faktoren, wie der Zustand und die Statik des Daches bzw. Gebäudes, können auf dieser Datengrundlage natürlich nicht erfasst werden. Sie müssen im Einzelnen durch eine gesonderte fachmännische Prüfung vor Ort erfolgen. Plan eingefasste Dachfenster werden bei der Stereoluftbildauswertung nicht separat klassifiziert und sind dementsprechend in der Berechnung nicht berücksichtigt. Die Analyse-Daten wurden abschließend mit den Gebäudegrundrissen des amtlichen Liegenschaftskatasters (ALKIS) verschnitten, so dass Dachüberstände o.ä. darin bewusst nicht abgedeckt sind.

2. Plangebiet

Das Untersuchungsgebiet des Landkreises Cham umfasste insgesamt 1.510 km² mit etwa 128.000 Einwohnern und ca. 156.000 Gebäuden.

3. Datengrundlage

3.1 Oberflächen-Höheninformationen

Grundlage der Solarpotenzialanalyse sind DOM40 Daten mit einer Auflösung von 40 x 40 cm, welche über ein Matching aus hochaufgelösten Stereoluftbildern mit einer Bodenauflösung von 20 cm (erster Datenstand 2017) regelmäßig abgeleitet werden. Ergebnisse einer Testberechnung zeigten, dass diese Auflösung im Ergebnis sehr kleinteilige Potenzialflächen entstehen lässt. Daher wird das DOM stets auf eine Kantenlänge von 0,5 x 0,5 Metern interpoliert.

3.2 Gebäudegrundrisse

Zur Lokalisierung der Gebäude werden die Gebäudeumringe aus dem Liegenschaftskataster i.d.R. mit Stand August desselben Jahres verwendet. Die Diese geben die amtlich eingemessenen Außenmauern des Gebäudes an. Die zwischenzeitlichen Gebäudezuwächse und/oder -Abgänge könnten naturgemäß nicht analysiert werden und müssen nachträglich aus den Analyse-Datenbeständen entfernt werden bzw. kommen dort gar nicht vor.

4. Bewertungskriterien

4.1 Einstrahlungs- und Verschattungsanalyse

Im Zuge der Einstrahlungsanalysen werden die solare Einstrahlung und der Anteil direkter Einstrahlung ermittelt. Über eine Ganzjahreseinstrahlungsanalyse ist es möglich, die Jahressumme der solar nutzbaren Strahlung genau zu ermitteln. Mittels einer Einstrahlungsanalyse für die Heizperiode kann die Summe der solar nutzbaren Strahlung für die Monate Oktober bis April ermittelt werden.

Über die direkte Einstrahlung wird die Abschattung errechnet. Eine deutliche Minderung der direkten Einstrahlung bzw. ein hoher Anteil der diffusen Einstrahlung weist auf stark abgeschattete Bereiche hin. Diese können durch Bäume, angrenzende Gebäude, Dachaufbauten oder Geländeerhöhungen verursacht werden. Auch nördlich ausgerichtete Dachflächen werden je nach Neigungswinkel von keiner direkten Sonneneinstrahlung erreicht. Stark abgeschattete Dachflächenbereiche ab einer Minderung der Strahlung um mehr als 20 % wurden als ungeeignete Bereiche aus der Berechnung herausgenommen. Geringere Abschattungen mindern die solare Einstrahlung und sind in die Solarpotenzialberechnung mit eingeflossen. Die Einstrahlungsanalyse wird anhand von örtlichen Strahlungsdaten an lokale Verhältnisse angepasst. Zugrunde gelegt wird der Globalstrahlungswert für den Landkreis Cham im 30-jährigen Mittel (1981 - 2010), der auf eine horizontale Fläche auftrifft. Für den Landkreis Cham sind das im Mittel 1.103 kWh/m² jährlich (ausgegeben vom DWD).

4.2 Photovoltaik

Für positiv beurteilte Standorte zur Installation von PV-Anlagen erfolgt die Berechnung des potenziellen Stromertrags, der damit einhergehenden CO₂-Einsparung eines jeden Daches in kg pro Jahr 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 für PV-Module und andere Parameter können sich durch Faktoren wie technische Neuerungen während der Projektphase verändern. Mit der Berechnung dieser Anlagen-Kenngrößen ist die Möglichkeit gegeben, für jedes Dach eine Wirtschaftlichkeitsanalyse unter Berücksichtigung der aktuellen Werte für Modulwirkungsgrade, Anlagenkosten, Einspeisevergütung und Finanzierungskonditionen durchzuführen.

PV-Modulwirkungsgrad

Für die Berechnung des potenziell zu erwirtschaftenden Stromertrags werden mit 15 % und 18 % zwei unterschiedliche Wirkungsgrade von PV-Modulen zu Grunde gelegt. Für polykristalline Module kann im Mittel ein Wirkungsgrad von 15 % und für monokristalline Module von 18 % angenommen werden.

CO₂-Einsparung

Die Berechnung basiert auf einem CO₂-Äquivalentwert von 0,605 kg/kWh, der für den Bundesdeutschen Strommix nach GEMIS Datenbank (vgl. INAS 2017) gilt. Berücksichtigt wird die produktionsbedingte CO₂-Emission, die nach Angaben des IFEU aus 2017 für Photovoltaikanlagen Anlagen bei 0,061 kg/kWh für monokristalline und bei 0,049 kg/kWh bei polykristallinen Modulen liegt. Demnach wird die CO₂-Einsparung für eine monokristalline Anlage mit 0,544 kg/kWh und für polykristalline Module mit 0,556 kg/kWh berechnet. Die Ergebnisse der Stromertragsberechnung bilden die Grundlage für die mögliche CO₂-Einsparung.

kWp-Leistung

Für die als Nennleistung von Photovoltaikanlagen bezeichnete Kilowatt-Leistung werden für eine 18%-Wirkungsgrad-Anlage 5,6 m² pro kWp (Kilowattpeak)und für eine 15%-Wirkungsgrad-Anlage 6,7 m²/KWp zugrunde gelegt. Auf Flachdächern wird von einer Aufständerung der Module ausgegangen.

kWh pro kWp

Berechnet wird der spezifische Stromertrag in kWh innerhalb eines Jahres pro kWp.

Performance Ratio

Der Qualitätsfaktor – auch als "Performance Ratio" bezeichnet – beschreibt das Verhältnis von Wechselstromertrag und nominalem Generatorgleichstromertrag. In der Berechnung wird ein Wert von 0,8 angenommen.

Neigung und Ausrichtung

Die potenziellen Solarerträge sind von der Dachneigung und der Dachflächenausrichtung abhängig. Der optimale Dachneigungswinkel ergibt sich erst aus der geplanten Nutzung der Solarenergie für Solarthermie oder Photovoltaik sowie aus dem jeweiligen Kollektortyp. Bei Südausrichtung der Dachfläche kann abhängig vom Neigungswinkel bis zu 100 % der auftreffenden Solareinstrahlung genutzt werden.

Eignung

Das Ergebnis weist dachteilflächenscharf die Flächen aus, die einen spezifischen Stromertrag von mindestens 650 kWh pro kWp aufweisen und damit "geeignet" sind. Für die PV-Nutzung geeignete Dachflächenbereiche sind für geneigte Dächer mindestens 5 m² an Modulfläche (3D-Fläche) groß. Bei Flachdächern wird angenommen, dass bei einer Aufständerung nach Süden 40 % der Fläche genutzt werden können. Flachdächer müssen daher mindestens eine Grundfläche von 17,5 m² aufweisen, um als geeignet eingestuft zu werden.

Klassifizierung in Eignungsstufen:

• geeignet (spezifischer Stromertrag p.a. ≥ 650 kWh/kWp und geeignete Dachfläche ≥ 5 m²)
• zu gering (spezifischer Stromertrag p.a. < 650 kWh/kWp oder geeignete Dachfläche < 5 m²)

4.3 Solarthermie

Wirkungsgrad

Das Energiepotenzial der Solarthermienutzung wird als Wärmemenge pro m² der errechneten Kollektorfläche ausgegeben. Zugrunde gelegt ist hier ein mittlerer Wirkungsgrad von 50 %. Dies entspricht der Leistungsfähigkeit eines Flachkollektors.

CO₂-Einsparung

Die CO₂-Einsparsumme für eine Thermieanlage wird mit 0,228 kg CO₂ / kWh berechnet. Darin ist die Vorkette nach GEMIS Datenbank (vgl. INAS 2017) für einen Thermie-Flachkollektor bereits berücksichtigt. Die Berechnung der Einsparung erfolgt gegenüber dem Energieträger Erdgas.

4.3.1 Eignung zur Warmwasserbereitung

Grundsätzlich sind alle Flächen, die für PV-Anlagen geeignet sind, auch für thermische Solaranlagen zur Warmwasserbereitung geeignet. Für die Thermienutzung geeignete Dachflächenbereiche verfügen über einen spezifischen jährlichen Wärmeertrag von mindestens 350 kWh/m².

Es werden über die Ausweisung von geeigneten Standorten für PV-Anlagen hinaus weitere Standorte berechnet, die aufgrund dieser Parameter nur für die Installation von thermischen Anlagen wirtschaftlich genutzt werden können. Für die Nutzung thermischer Anlagen wird eine Mindestflächengröße von 5 m² (geneigtes Dach) zu Grunde gelegt. Flachdächer müssen bei Aufständerung der Module mindestens 10 m² für die Solarthermie-Nutzung aufweisen. Die Wärmemenge wird pro m² der errechneten Kollektorfläche ausgegeben.

Es erfolgte eine zweistufige Klassifizierung:

• geeignet (spezifischer Wärmeertrag p.a. ≥ 350 kWh/m² und geeignete Dachfläche ≥ 5 m²)
• zu gering (spezifischer Wärmeertrag p.a. < 350 kWh/m² oder geeignete Dachfläche < 5 m²)

4.3.2 Eignung zur Heizungsunterstützung

Für thermische Solaranlagen zur Heizungsunterstützung sind steilere Aufstellwinkel optimal. Es ergeben sich gerade in der kalten Jahreszeit (bei niedrigem Sonnenstand) bzw. in der Heizperiode höhere Erträge. Geeignete Dachflächenbereiche erzielen in der Heizperiode mindestens einen Wärmeertrag von 165 kWh/m² jährlich.

Für die Nutzung thermischer Anlagen zur Heizungsunterstützung wird eine Mindestflächengröße von 5 m² (geneigtes Dach) zu Grunde gelegt. Flachdächer müssen bei Aufständerung der Module mindestens 10 m² für die Solarthermie-Nutzung zur Heizungsunterstützung aufweisen.

Es erfolgte eine zweistufige Klassifizierung:

• geeignet (spezifischer Wärmeertrag (Okt. - Apr.) ≥ 165 kWh/m² und geeignete Dachfläche ≥ 5 m²)
• zu gering (spezifischer Wärmeertrag (Okt. - Apr.) < 165 kWh/m² oder geeignete Dachfläche < 5 m²)