Daten- und Berechnungsgrundlagen, Modell
Geodaten
Im Einzelnen wurden für die Berechnung und Bereitstellung des Solarkatasters Baden-Württemberg die folgenden Geodaten genutzt: Digitales Oberflächenmodell (DOM) aus Laserscannerdaten und orientierenden, digitale Luftbildern, amtliche Gebäudegrundrisse aus ALKIS, sowie Gebietsgrenzen. Da das verwendete DOM eine zentrale Arbeitsgrundlage bildet, werden im Folgenden grundlegende Informationen zu Digitalen Oberflächenmodellen gegeben.
Laserscanning Daten (ALS)
Die Analyse basiert auf Daten einer flugzeuggestützten Befliegung mit einem Laserscanner (Airborne Laserscanning, ALS), welche z. T. noch aus den Jahren 2005 - 2010 stammen und durch Daten aus den Jahren 2016 bis 2023 aktualisiert werden. Ergebnis der Messungen ist eine Punktwolke, die alle Objekte auf der Erdoberfläche in dreidimensionaler Form erfasst. Die Messpunktdichte des eingesetzten Laserscanners beträgt mindestens 8 Messpunkte pro m² (bei den Laserscannerdaten der Jahre 2016 - 2023). Aus den Laserscannerdaten wird ein DOM abgeleitet und zur Berechnung eingesetzt.
Automatisierte Liegenschaftskarte (ALK)
Die automatisierte Liegenschaftskarte (ALK) der Landesvermessung mit Stand 2012 bildet eine weitere Datengrundlage. Daraus werden die Geometrien von Gebäudegrundrissen sowie Adressdaten verwendet. Die Daten sind zum großen Teil durch vermessungstechnische Berechnungen entstanden und bieten damit bestmögliche Genauigkeit und Zuverlässigkeit. Die Liegenschaftsdaten werden jährlich von den Landes-, Kreis- und kommunalen Vermessungsbehörden aktualisiert.
Digitale Orthophotos (DOP)
Zur besseren Orientierung und Abbildung der realen örtlichen Gegebenheiten werden im Kartendienst des Energieatlas Digitale Orthophotos (DOP) als Hintergrund verwendet. Orthophotos sind entzerrte Luftbilder, die die Landschaft mit einer Bodenauflösung von 25 cm und einer Lagegenauigkeit von durchschnittlich ± 50 cm abbilden. Die Datenaktualität ist nicht homogen, ein Drittel der Landesfläche wird pro Jahr neu beflogen, Teilbereiche können bis zu 3 Jahre alt sein.
Digitales Oberflächenmodell (DOM)
Da das verwendete DOM eine zentrale Arbeitsgrundlage bildet, werden im Folgenden grundlegende Informationen zu Digitalen Oberflächenmodellen gegeben.
Für die Erstellung eines Solarkatasters muss zunächst ein Digitales Oberflächenmodell (DOM) erarbeitet werden. Ein DOM bildet die Erdoberfläche mit allen darauf befindlichen Objekten wie Häuser, Bewuchs, Straßen etc. als dreidimensionale Punktwolke ab. Das DOM kann sowohl aus Laserscandaten als auch durch Bildkorrelation aus orientierten Luftbildern abgeleitet werden.
Beide Verfahren liefern schließlich ein 3D-Oberflächenmodell, das aus einer Menge von 3D-Messpunkten besteht (Stand der Technik: 1-30 Punkte pro m²). Jeder Messpunkt besitzt Informationen zu seiner Lage und Höhe (x-, y-, z-Koordinaten). Aus dem eingesetzten Oberflächenmodell werden zunächst alle Punkte, die auf Dachseiten entfallen, herausgefiltert. Um diese Information zu erhalten, wurde eine eigene Dachseitenerkennung entwickelt.
Am Ende weiterer Bearbeitungsschritte steht ein homogenisiertes Oberflächenmodell im Rasterformat.
Auf Basis dieses Digitalen Oberflächenmodells (DOM) und der ALKIS-Gebäudeumrisse wurden alle Gebäudeobjekte im Untersuchungsgebiet erkannt. Die erkannten Gebäude wurden im nächsten Schritt in einzelne Dachseiten ausdifferenziert und aus dem Punktformat in Polygone umgewandelt. Diese standen dann für die Solarpotenzialberechnung zur Verfügung.
Dachseitenerkennung
Zur Detektion aller Dachteilflächen in Baden-Württemberg wurde das landesweite digitale Oberflächenmodell (DOM) zunächst auf Punkte gefiltert, die innerhalb der ALKIS-Gebäudegrundrisse liegen und somit Dachpunkte repräsentieren. Innerhalb dieser Dachpunkte erkennt ein vollautomatischer Algorithmus über einen sogenannten "best-fitting-planes"-Ansatz, welche Dachpunkte zu einer Dachseite gehören. Die so erkannten Dachseitenpunkte werden abschließend in Polygone umgewandelt und stehen für die Solarpotenzialberechnung bereit.
Da die Dachseitenerkennung im 3D-Raum stattfindet, liegen auch die erkannten Dachseiten in dreidimensionaler Form vor und verfügen somit bereits zu diesem Zeitpunkt über die zur Solarpotenzialberechnung wichtigen Informationen Neigung, Ausrichtung und 3D-Größe.
Solarpotenzialberechnung
Auf Basis der so ermittelten Dachseiten kann nun die Bewertung im Hinblick auf ihre Eignung zur Nutzung von Solarenergie erfolgen. Dazu sind die im Folgenden beschriebenen vier wesentlichen Standortfaktoren Ausrichtung, Dachneigung, Globalstrahlung und Verschattung zu beachten:
Für die Bestimmung der je Dachseite installierbaren Leistung in kWp ist zusätzlich die 3D-Größe relevant. Wie im Kapitel zur Dachseitenerkennung bereits beschrieben, ergeben sich die Faktoren Ausrichtung, Dachneigung und 3D-Größe bereits aus mathematischen Ableitungen der ermittelten 3D-Dachseiten.
Zur Berechnung der je Dachseite einfallenden Einstrahlung ist zunächst die lokal einfallende Globalstrahlung im langjährigen Mittel zu bestimmen. Dazu wurde das "Climate-SAF PVGIS Modell" im 10-jährigen Mittel verwendet, bereitgestellt durch das Joint Research Centre der Europäischen Kommission. Zusätzlich wird die "Linke turbidity", bereitgestellt von der Groupe Observation Modelisation ParisTech & Decision Centre Energétique et Procédés, berücksichtigt. Der Linke turbidity Faktor beschreibt die Streu- und Absorptionsverluste in der Erdatmosphäre. Das Modell bildet die einfallende Globalstrahlung anteilig nach diffuser und direkter Einstrahlung getrennt ab. Im Ergebnis liegen damit lokal unterschiedliche Globalstrahlungswerte für die gesamte Landesfläche vor.
Um abschließend die auf eine konkrete Dachseite im Jahresverlauf einfallende Einstrahlung zu ermitteln, ist die lokale Verschattung zu berechnen. Dazu wird der Jahresgang der Sonne in minutengenauer Auflösung für jeden Messpunkt des Digitalen Oberflächenmodells simuliert. Dabei werden Verschattungen durch umstehende Vegetation, Bebauung, entfernte Berge oder sonstige Störelemente im Jahresverlauf erkannt und in einem eigenen Layer gespeichert. Als Ergebnis findet ein Einstrahlungsraster mit der Auflösung von 4 Pixeln/m² Eingang in das Solarkataster.
Nachdem somit die eignungslimitierenden Faktoren für jede Dachseite im Untersuchungsgebiet berechnet wurden, erfolgt deren einstrahlungsbasierte Kategorisierung.
Leistungsdaten
Mittlere jährliche Globalstrahlung
Hier verweisen wir auf das Kapitel "Solare Einstrahlung".
Aggregation der Gemeindedaten
Um eine Aussage zur maximal installierbaren Leistung auf Ebene der Verwaltungsgebiete in Baden-Württemberg treffen zu können, wurden das auf das jeweilige Verwaltungsgebiet entfallende Solarpotenzial aufsummiert. Darüber hinaus werden die im jeweiligen Verwaltungsgebiet bereits installierten Photovoltaikanlagen dargestellt. Aus der Verrechnung beider Werte ergibt sich das je Verwaltungsgebiet aktuell tatsächlich vorhandene Solarpotenzial.