58 4 · 2020 TR ANSFORMING CITIES THEMA Städtische Ressourcen Die vertikale Stadt als solare Energiequelle? Theoretische Flächenpotenziale für bauwerksintegrierte Photovoltaik und Abschätzung der solaren Einstrahlung Bauwerksintegrierte Photovoltaik, Solarpotenzialanalyse, 3D-Stadtmodelle, Fassaden, Dächer, Smart City Martin Behnisch, Markus Münzinger, Hanna Poglitsch Das Ziel der Bundesregierung - Klimaneutralität des Gebäudebestands bis zum Jahr 2050 - erfordert den verstärkten Ausbau der erneuerbaren Energien. Bauwerksintegrierte Photovoltaik ist vielversprechend, um die direkte Energieversorgung an Gebäuden zu gewährleisten. Grundlegende Facette des Forschungsprojekts Standard-BIPV (gefördert vom BMWI) und Kern dieses Beitrags ist die geodatenbasierte Untersuchung der Flächenpotenziale für BIPV in Deutschland sowie die Modellierung und Visualisierung der solaren Einstrahlung auf kleinräumiger Ebene. Systeme der bauwerksintegrierten Photovoltaik (BIPV) können bei der Transformation hin zu einem klimaneutralen Energiesystem einen wichtigen Beitrag leisten. Bei BIPV handelt es sich um Bauprodukte als Teil der Fassade bzw. des Daches und als Stromerzeuger als Teil der Anlagentechnik. Sie sind sowohl baukonstruktive, gestalterische als auch elektrotechnische Komponenten der Gebäudehülle. BIPV verbindet die Bereitstellung von Energie vor Ort mit einer Steigerung der Flächeneffizienz durch Doppelnutzung und einer zusätzlichen Gestaltungsoption, die vorhandene Gebäude aufwerten kann [1]. Aktuell besteht ein enormer Bedarf an raumbezogenen Erkenntnissen, die der begründeten Entscheidungsfindung zum Ausbau von bauwerksintegrierter Photovoltaik dienen. Vor dem Hintergrund des Flächenbedarfs für klassische Solarparks und damit verbundenen Flächennutzungskonflikten erscheinen die Kernthemen dieses Beitrages für den Dialog geeignet: „Theoretisches Flächenpotenzial für BIPV an Dach und Fassade“ sowie „Modellierung und Visualisierung der solaren Einstrahlung als Entscheidungsgrundlage für BIPV-Anwendungen“. Schlaglichtartig beleuchtet werden Ergebnisse des vom BMWI geförderten Forschungsvorhabens „Standard-BIPV-Entwicklung einer vorgefertigten Standard-BIPV-Fassade für ausgewählte Bauwerkskategorien.“ Im Fokus steht die Erfassung des Flächenpotenzials deutscher Gebäudefassaden in Bezug auf die Eignung für BIPV und die Abschätzung der Möglichkeit zur solaren Energiegewinnung an Fassaden. Während viele Städte das Potenzial von Gebäudedächern zur solaren Energiegewinnung bereits in Solarkatastern führen und damit Anreize zur Installation von PV-Modulen schaffen, waren Gebäudefassaden bisher kaum adressiert. Die flächendeckende Verfügbarkeit von dreidimensionalen Daten zum Gebäudebestand ermöglicht es, analog zum Potenzial der Dachflächen, nun auch Gebäudefassaden in Bezug auf ihre Eignung für BIPV einzuschätzen und damit die vertikale Stadt als solare Energiequelle perspektivisch stärker zu nutzen. Fakten zum deutschen Gebäudebestand Der Gebäudebestand ist vor dem Hintergrund der Umsetzung nachhaltiger Entwicklung und den Herausforderungen zur Reduktion von CO 2 sowie seiner volkswirtschaftlichen Bedeutung verstärkt ins politische Interesse gerückt (zum Beispiel: Klimaschutzplan 2050, CO 2 -Gebäudesanierungsprogramm, KfW-Programm Energetische Stadtsanierung) [2]. Bis 2050 soll ein nahezu klima- © Julia Spina on unsplash 59 4 · 2020 TR ANSFORMING CITIES THEMA Städtische Ressourcen neutraler Gebäudebestand realisiert sein und bis 2030 sollen die Treibhausgasemissionen im Gebäudesektor gegenüber den Werten des Jahres 1990 um rund 66 - 67 % reduziert werden (Klimaschutzplan 2050, [3]). Schätzungen zufolge sind heute bereits 80 % der Gebäude von 2050 gebaut (Strategie für klimaneutrales Europa bis 2050). Maßnahmen zur Senkung des Energieverbrauchs betreffen unter anderem die Sanierungsmaßnahmen der Gebäudehülle, die Modernisierung der Gebäudetechnik und den Einsatz von Wärmepumpen mit dem Energieträger Strom sowie die verstärkte Nutzung naturverträglicher erneuerbarer Energien (vgl. [3], siehe auch modellierte Transformationspfade [4]). Analysen zum sogenannten Rebound-Effekt oder zur Kausalität zwischen Effizienzsteigerung und Mehrnachfrage zeigen allerdings, dass einseitig orientierte Maßnahmen zur Effizienzsteigerung nur 50 % der theoretisch möglichen Einsparung erzielen - oft sogar noch weniger (vgl. [5] und [6], zitiert nach [7]). Im Kontext der Debatte um die Verdopplung der Sanierungsrate von 1 % auf 2 % pro Jahr und in Verbindung mit Maßnahmen der Energieeffizienz sind somit Maßnahmen der Energiesuffizienz von zusätzlicher Relevanz [8]. Dies betrifft beispielsweise Maßnahmen zur „Verminderung des absoluten Energieverbrauchs durch veränderte Nutzenaspekte (Reduktion, Substitution oder bessere Anpassung des Nutzens an tatsächliche Bedürfnisse und Bedarfe)“ [9]. Theoretische Flächenpotenziale für BIPV an Dach und Fassade Durch die amtlichen 3D-Gebäudemodelle der Landesvermessungsverwaltungen sind in Deutschland flächendeckende und standardisierte Informationen zum Gebäudebestand vorhanden - diese vermehrt als Open Data-Produkte. 3D-Gebäudemodelle unterscheiden sich anhand der Detailstufe, Level of Detail (LoD), in welcher die modellierten Gebäude dargestellt werden. Dabei werden die amtlichen Gebäudemodelle momentan in zwei Detailstufen geführt, im LoD1 sowie im LoD2. Gemäß der Modellierungsvorschrift für LoD1 werden Gebäude als einfaches Klötzchen mit Flachdach repräsentiert. Im LoD2 werden die Gebäude mit standardisierten Dachformen dargestellt. Das Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG) führt ein Gebäudemodell in LoD1 für das gesamte Bundesgebiet. Durch die Analyse dieses 3D-Gebäudemodells kann das theoretische Flächenpotenzial für BIPV flächendeckend und regional differenziert bestimmt werden [10]. Die Bestimmung des theoretischen Flächenpotenzials umfasst die Quantifizierung der im deutschen Gebäudebestand vorhandenen Flächen. Diese Flächen sind bezogen auf ihr Potenzial für BIPV als Bruttoflächen zu verstehen. Fensterflächen, Auskragungen und andere Gebäudeinstallationen sind in den Gebäudemodellen nicht modelliert und werden bei der Bestimmung nicht berücksichtigt. Darüber hinaus wurden die Gebäudegrundfläche sowie die sich berührenden Gebäudefassaden im Zuge der Datenaufbereitung ausgeschlossen (siehe [10] sowie [11]). Insgesamt finden sich in Deutschland rund 53- Mio. oberirdische Gebäudeobjekte. Das theoretische Flächenpotenzial kann der Analyse zufolge auf etwa 12 416 km² Fassadenfläche und 5 965 km² Dachfläche beziffert werden. Das Verhältnis von Fassadenzu Dachfläche beträgt ungefähr 2 : 1. Bild 1 dient der Lokalisierung von Konzentrations- und Verteilungsmustern des theoretischen Fassadenpotenzials für BIPV. Es entspricht der Erwartung, dass Regionen mit hoher Bevölkerungsdichte und in der Regel vielen Wohn- und Nichtwohngebäuden auch über ein hohes Potenzial an Fassadenflächen verfügen. Insbesondere im Kernstadtbereich der Agglomerationsräume sowie in ihrem Umland zeichnen sich im Vergleich mit dem erweiterten Umlandbereich und vielen ländlich Bild 1: Räumliche Verteilung des theoretischen Fassadenpotenzials in Deutschland. Rasterdarstellung: Zellgröße 1 km x 1 km, Wertebereich: Minimum: 0 km² , Maximum: 2,98-km² , Mittelwert: 0,75-km². © Behnisch et al., Datenbasis: @GeoBasis-DE / BKG 2017 (Daten verändert); ESRI 2020 Light Grey Canvas - Basemap. 60 4 · 2020 TR ANSFORMING CITIES THEMA Städtische Ressourcen geprägten Regionen sogenannte Hotspots des theoretischen Fassadenpotenzials für BIPV. Typische Beispiele stellen die drei großen polyzentrischen Agglomerationsräume Rhein-Main, Rhein-Neckar und Rhein-Ruhr sowie die Regionen bzw. städtischen Großräume Berlin, Hamburg, Bremen, Stuttgart, München, Nürnberg sowie Sachsendreieck. Modellierung und Visualisierung der solaren Einstrahlung als Entscheidungsgrundlage für BIPV Anwendungen Modellierungen des solaren Ertragspotenzials sind geeignet, um in Bezug auf Lage, lokale Verschattungssituation und räumliche Umgebung die Eignung von Fassaden- und Dachflächen für bauwerksintegrierte Photovoltaik zu erhärten. Im Zuge von Detailanalysen in Fokusgebieten mit hohem theoretischem Potenzial wurde im Forschungsvorhaben „Standard-BIPV“ das solare Potenzial für alle Dach- und Fassadenflächen bestimmt. Fokusgebiete sind die Städte München, Dresden und Freiburg sowie ergänzend eine Stichprobe von 100 000 Gebäuden. Für die Modellierung und Visualisierung der solaren Einstrahlung in den urbanen Fokusgebieten wird das Gebäudemodell mit modellierter Dachform (LoD2) verwendet. Eingesetzt wurde hierzu ein Analysewerkzeug der TU München (siehe [12] und [13]), welches die solare Einstrahlung (global und diffus, keine Reflexion) auf Basis eines semantischen 3D-Stadtmodells berechnet [14]. CityGML als Standard des Open Geospatial Consortium (OGC [15]) zur Modellierung von 3D-Stadtmodellen ermöglicht es, neben Gebäuden noch weitere Stadtobjekte darzustellen. Für die Modellierung der solaren Einstrahlung auf Fassaden bietet dies den Vorteil, neben der Verschattung durch umliegende Gebäude auch die Verschattung durch den urbanen Baumbestand und das Gelände zu berücksichtigen. Für das Gelände wird ein hochaufgelöstes digitales Geländemodell (DGM1) verwendet. Der urbane Baumbestand wird aus der amtlichen Laserscanbefliegung abgeleitet und als parametrisierte Einzelbäume in das Stadtmodell integriert [16]. Bild 2 zeigt exemplarische Ergebnisdetails sowohl für die kleinräumigen Solarpotenzialanalysen als auch den modellierten Baumbestand mit seiner Verschattungswirkung. In einem browser-basierten 3D-Webclient (Open Source 3D-CityDB-Web-Map- Client) lassen sich die Ergebnisse der Solarpotenzialanalyse in Verbindung mit der Modellierung der urbanen Vegetation ergänzend visualisieren und interaktiv betrachten bzw. auswerten. Im Zuge vertiefender Analysen lassen sich die hochaufgelöst berechneten Strahlungswerte für jede Gebäudefassade aggregieren. Dadurch können die Strahlungswerte mit den im Stadtmodell enthaltenen Informationen über den Gebäudebestand kombiniert werden und daraus Kennzahlen abgeleitet werden. Standardmäßig wird in den amtlichen Gebäudemodellen für jedes Gebäude die Gebäudefunktion nach ALKIS-Objektartenkatalog geführt [17]. Dies ermöglicht die getrennte Betrachtung einzelner Gebäudefunktionen. Zudem sind geometrische Attribute wie die Größe und Ausrichtung einer Fassade sowie die Gebäudehöhe in Verbindung mit den Strahlungswerten aufschlussreich für die Gesamtbewertung. Am Beispiel der Stadt Dresden ist exemplarisch dargestellt, wie sich zusätzliche Entscheidungsgrundlagen für BIPV-Anwendungen auf städtischer Ebene ableiten lassen. Bild 3 zeigt die analytische Aufbereitung der solaren Einstrahlungsergebnisse für Gebäudefassaden unterschieden nach der Gebäudefunktion Wohnen und Nicht-Wohnen. Die solare Gesamtstrahlung - bestehend aus Direkt- und Diffusstrahlung - ist differenziert nach den 16 Richtungssektoren aufsummiert in GWh/ a (Bild 3, links) und flächenorientiert in kWh/ m²/ a (Bild 3, rechts) visualisiert. Es zeichnet sich erwartungsgemäß eine Tendenz ab - hin zu südlich ausgerichteten Fassadenflächen. Fazit Gebäudebestandsanalysen sowie Modellierungen des solaren Ertrags unterstützen die fundierte Entscheidungsfindung zum Ausbau der erneuerbaren Energien und befördern die planungsbezogene Strategieentwicklung zum angemessenen Umgang mit dem Gebäudebestand. Bild 2: Detailansicht des LoD2-Gebäudemodells (a) und exemplarische Ergebnisdetails für die kleinräumige Solarpotenzialanalyse (b) sowie den modellierten Baumbestand (b, c) mit seiner Verschattungswirkung (d). Die solare Einstrahlung ist als Textur auf den LoD2- Gebäuden über eine Farbskala von blau (wenig Einstrahlung) bis rot (viel Einstrahlung) dargestellt. © Behnisch et al., Datenbasis: Geobasisdaten, Bayerische Vermessungsverwaltung 2019. 61 4 · 2020 TR ANSFORMING CITIES THEMA Städtische Ressourcen Kern dieses Beitrags war die großflächige Bestimmung des theoretischen Flächenpotenzials für bauwerksintegrierte Photovoltaik an Gebäudefassaden in Deutschland sowie darauf aufbauend die hochaufgelöste Analyse urbaner Solarpotenziale auf Basis von semantischen 3D-Stadtmodellen und zeitgemäßen Produkten der Fernerkundung. Hervorzuheben ist die Berücksichtigung des urbanen Grüns als Verschattungsobjekt und im Ergebnis das enorme Spektrum an vertiefenden Auswertungsmöglichkeiten zur lokalen Umsetzung der Energiewende. Das Bild der vertikalen Stadt als solare Energiequelle wurde quantitativ und visuell untersetzt, indem mögliche Beiträge von BIPV zur Energiegewinnung an Fassaden herausgearbeitet wurden. Speziell große Gebäude wie zum Beispiel Produktionsgebäude, Hallen, Bildungseinrichtungen und öffentliche Gebäude eignen sich besonders gut zur bauwerksintegrierten Photovoltaik - sowohl in Bezug auf das theoretische Flächenpotenzial als auch in Bezug auf den modellierten solaren Gesamtertrag. Darüber hinaus bieten sich weitere Chancen zur solaren Energiegewinnung im Bereich von Hochhäusern und größeren Komplexen der Wohnnutzung. Auf Basis des browser-basierten 3D-Webclients bieten sich Möglichkeiten zur Interaktion im Rahmen von gesellschaftlichen Partizipationsprozessen. Anhand von lokalisierten Gebäudeeigenschaften und modellierten Solarpotenzialen könnte die Bereitschaft und Motivation für die Anwendung von BIPV im Speziellen und die Mitgestaltung der Energiewende im Allgemeinen gestärkt werden. Die hier nur auszugsweise dargestellten Ergebnisse tragen nichtsdestotrotz einen gewissen Pioniercharakter aufgrund von konzeptionellen Vereinfachungen, Datenunsicherheiten und Unterschieden zwischen den Bundesländern in der Gebäudeerfassung. Inwiefern die Ergebnisse tatsächlich als Katalysatoren für den Ausbau der solaren Energiequellen dienen können, ist darüber hinaus durch standortspezifische Tiefenanalysen der Gebäude unter Berücksichtigung von beispielsweise Baukonstruktion, Fenster- und Türanteilen, Fassadencharakteristik und Gebäudefunktion sowie Aspekten des Denkmalschutzes zu erhärten. Aus Sicht der Autoren bestehen Anknüpfungspunkte für die räumliche Planung, die digitale Umweltplanung, Smart City-Konzepte und für den Aufbau urbaner Simulationsmodelle sowie für die Unterstützung von raumbezogenen Transformationsansätzen hin zu einem klimaneutralen Energiesystem. Förderhinweis Die vorgestellten Ergebnisse und Vorgehensweisen stehen in engem Kontext zum Förderprojekt „Standard-BIPV“, Förderkennzeichen 0324063, vom BMWi gefördert. Bild 3: Aufbereitung der solaren Einstrahlungsergebnisse (direkt und diffus) für Gebäudefassaden in der Stadt Dresden unterschieden nach Gebäudefunktion. Das linke Diagramm (3 a) zeigt für 16 Richtungsvektoren die Gesamtstrahlung in GWh/ a und das rechte Diagramm (3 b) die flächenbezogenen Solarerträge. © Behnisch et al. Wohngebäude Direktstrahlung Nichtwohngebäude Diffusstrahlung Wohngebäude Diffusstrahlung (a) (b) Nichtwohngebäude Direktstrahlung Gesamtstrahlung [GWh/ a] nach Ausrichtung - Dresden Gesamtstrahlung [kWh/ m 2 / a] nach Ausrichtung - Dresden 1250- 1000- 750- 500- 250- 0- 15000000- 10000000- 5000000- 0- 62 4 · 2020 TR ANSFORMING CITIES THEMA Städtische Ressourcen LITERATUR [1] Eggers, J.-B., Behnisch, M., Eisenlohr, J., Poglitsch, H., Phung, W. F., Münzinger, M., Ferrara, C., Kuhn, T. 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