Berechnungsgrundlagen Photovoltaik auf Freiflächen

Grundlage dieses Katasters ist eine geodatenbasierte Ermittlung der Solarpotenziale für jede Freifläche in Sachsen mit rund 18.450 km². Die Methode zur Berechnung des Solarenergiepotenzials erfolgt über geographische Informationssysteme (GIS). Über hochgenaue Ganzjahreseinstrahlungsanalysen wird die solare Einstrahlung und die Abschattung, verursacht durch Gebäude oder Vegetation, exakt errechnet und in der Potenzialberechnung berücksichtigt. Zu jeder geeigneten Freifläche werden Potenzialparameter wie der potenzielle Stromertrag, die mögliche CO₂-Einsparung und die mögliche zu installierende kWp-Leistung errechnet. 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 - 2020. 

Ermittlung geeigneter Freiflächen

Auf Grundlage der aktuellen Förderrichtlinien und Gesetzesgrundlagen werden geeignete Flächen für die Installation von PV-Freiflächenanlagen definiert und entsprechend die Flächenkulisse sowie die Flächennutzungstypen ermittelt. Geeignete Potenzialgebiete sind beispielsweise bereits versiegelte, innerörtliche Freiflächen wie Parkplätze oder landwirtschaftliche Nutzflächen. Flächen innerhalb eines Randstreifens von 200 m und 500 m (beidseitig) an Autobahnen und Schienenwegen sowie benachteiligte landwirtschaftliche Flächen sind zudem förderfähig nach dem EEG. Ausgeschlossen werden Restriktionsflächen wie Nationalparks und Schutzgebiete. Im Ergebnis erhält man einen Datensatz mit für die PV-Freiflächen nutzbaren Flächen, sog. Positivflächen oder Weißflächen. 

Einstrahlungsanalysen

IIm 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, wird die Jahressumme der solaren Einstrahlung genau ermittelt. Über die direkte Einstrahlung wird die Abschattung errechnet. Starke Minderung der direkten Einstrahlung deutet auf abgeschattete Bereiche hin. Diese können durch Bäume oder angrenzende Gebäude verursacht werden. Auch nördlich ausgerichtete Freiflächen erreichen je nach Neigungswinkel keine direkte Sonneneinstrahlung. Stark abgeschattete Bereiche 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 Stromertrag von 700 kWh/kWp und mehr aufweisen und weniger als 10 % verschattet sind. Für die PV-Nutzung geeignete Freiflächenbereiche sind in ihrer Grundfläche mindestens 500 m² groß. 

 

Potenzialermittlung auf Freiflächen

Modulwirkungsgrad

Für die Berechnung des potenziell zu erwirtschaftenden Stromertrags wurde ein zum Zeitpunkt der Analyse gängiger Wirkungsgrad von PV-Modulen zu Grunde gelegt. Dies sind 19,5 % Wirkungsgrad. Die Berechnung des potenziellen Stromertrags fußt auf der Annahme, dass bei Flächen bis 20° Neigung von einer Aufständerung der Module auf 20° Süd ausgegangen. Eine Berücksichtigung individueller Installationsausrichtungen auf (z.B. Ost/West) ist durch die Rechenmodule im Solarpotentialkataster möglich. 

Performance Ratio

Der Qualitätsfaktor – auch als „Performance Ratio“ bezeichnet – beschreibt das Verhältnis zwischen dem maximal möglichen Ertrag und dem tatsächlich erreichten Ertrag. Zur Verringerung des Ertrags führen unter anderem Verluste in den Leitungen oder am Wechselrichter ebenso wie Verschmutzungen der Solarmodule. In der Berechnung wird ein Performance Ratio-Wert von 0,85 angenommen.

Stromertrag

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

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

CO₂-Einsparung

Die Berechnung basiert auf einem CO₂-Äquivalent Wert von 0,366 kg/kWh bezogen auf den Bundesdeutschen Strommix von 2019 (Quelle: Umweltbundesamt). Berücksichtigt wurde ebenso die produktionsbedingte CO₂-Emission, die nach GEMIS 4.95 für monokristalline Anlagen bei 0,061 kg/kWh liegt. Demnach wurde die CO₂-Einsparung für eine Anlage mit 19,5 % Wirkungsgrad mit 0,305 kg/kWh berechnet. Die Ergebnisse der Stromertragsberechnung bilden die Grundlage für die mögliche CO₂-Einsparung.

kWp-Leistung

Für die als Nennleistung von Photovoltaikanlagen bezeichnete Kilowattpeak-Leistung (kWp-Leistung) wurden 5,13 m² pro kWp zu Grunde gelegt. Die potenzielle kWp-Leistung geht bei Flächen mit einer Neigung bis 20° von einer Aufständerung der Module auf 20° Süd aus.

 

Weitere Hinweise

Die dieser Berechnung zugrunde liegenden Größen für die Ermittlung der einzelnen Kennwerte zur Nutzung von Photovoltaikanlagen 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 einer Freifläche für die Installation von Photovoltaik. Sie ersetzt nicht die vor Ort-Prüfung der Machbarkeit durch ein Fachunternehmen.