12.000 km2 Flächenpotenzial für gebäudeintegrierte Photovoltaik

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Untersuchung „Die vertikale Stadt als solare Energiequelle?“

Einer Untersuchung des Leibniz-Instituts für ökologische Raumentwicklung (IÖR) und des Fraunhofer ISE zufolge ist das Flächenpotenzial für Photovoltaik an Fassaden in Deutschland doppelt so groß wie das auf Dächern – vor allem in den Ballungsräumen. Auch Fassaden könnten bei Energiewende und Bodenschutz eine viel bedeutendere Rolle spielen als bisher. Das Dresdner IÖR hat gemeinsam mit dem Freiburger ISE das theoretische Flächenpotenzial für Photovoltaik an Fassaden für ganz Deutschland erhoben. Ihre Ergebnisse haben sie im Fachmagazin „Transforming Cities“ veröffentlicht.

PV-Fassade in Berlin-Adlershof [Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik] – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

Die Solaranlage auf dem Hausdach hat sich im deutschen Gebäudesektor längst etabliert. Vielerorts geben Solarkataster Auskunft über das Potenzial, auf Dächern Energie aus Sonnenstrahlen zu gewinnen. Kommunen setzen damit Anreize, sich für die Installation einer Photovoltaik-Anlage auf dem Dach zu entscheiden. Doch wie steht es um die Fassaden der Gebäude? Wie viel potenzielle Fläche bieten sie für die Gewinnung erneuerbarer Energien?

12.000 Quadratkilometer Flächenpotenzial – in der Theorie

„Für das Ziel der Bundesregierung, im Gebäudebestand bis 2050 Klimaneutralität zu erreichen, wird es nicht ausreichen, auf allen geeigneten Dächern in Deutschland Solaranlagen zu installieren“, erläutert Martin Behnisch vom Leibniz-Institut für ökologische Raumentwicklung (IÖR). Deshalb hat das IÖR im Projekt Standard-BIPV in enger Kooperation mit wissenschaftlichen Partnern wie dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE), dem Institut für Angewandte Bauforschung Weimar (IAB), dem Lehrstuhl für Geoinformatik der TU München sowie mit Praxispartnern der Solarindustrie zusätzlich die Fassaden von Gebäuden in den Blick genommen. Gefördert wurde das Vorhaben durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie. Auf der Basis amtlicher Geodaten hat das Team um Martin Behnisch am IÖR untersucht, welche Flächenpotenziale für bauwerksintegrierte Photovoltaik (BIPV) die Gebäudefassaden in Deutschland bieten.

Die ermittelten Zahlen sind beachtlich: „Das theoretische Flächenpotenzial lässt sich auf rund 12.000 Quadratkilometer (!) Fassadenfläche und knapp 6.000 Quadratkilometer Dachfläche beziffern“, erläutert Martin Behnisch. Gebäudefassaden böten damit rund doppelt so viel potenzielle Fläche für Photovoltaik-Module wie Dächer. Das entspricht rund der Hälfte der Fläche von Mecklenburg-Vorpommern. „Allerdings müssen wir auch betonen, dass es sich im Moment noch um theoretische Flächenpotenziale handelt“, schränkt Behnisch ein.

Wo viele Menschen wohnen, steh­en auch viele Gebäude. Damit ist auch das theoretische Flächenpo­tenzial der Häuserfassaden für die bauwerksintegrierte Nutzung von Photovoltaik besonders groß – die Karte zeigt Flächen-Hotspots in Deutschland – Quelle © Behnisch et al./IÖR, Datenbasis: @GeoBasis-DE/BKG 2017 (Daten verändert); ESRI 2020 Light Grey Canvas – Basemap

Berechnungen auf Basis bundesweiter amtlicher Geodaten

Denn die Ergebnisse haben Pioniercharakter. Sie fußen auf Daten, die die Verhältnisse in der Realität zum Teil stark vereinfachen. Für ihre Untersuchung haben die Forschenden ein 3D-Gebäudemodell des Bundesamtes für Kartographie und Geodäsie (BKG) analysiert. Es enthält Informationen zum gesamten Gebäudebestand der Bundesrepublik. Jedes Haus ist als Klötzchen mit Flachdach verzeichnet. Detaillierte Dachformen und daraus resultierende Giebelwände, Fenster, Türen, Auskragungen wie Balkone und andere Installationen sind im Gebäudemodell nicht berücksichtigt. Sie sind in den ermittelten Flächenpotenzialen noch nicht eingerechnet ebenso wie Aspekte des Denkmalschutzes oder der hochwertigen Fassadengestaltung. Gebäudefassaden, die sich berühren und damit für die Installation von Photovoltaik nicht in Frage kommen, hat das Forschungsteam hingegen bereits herausgerechnet. Hinzu kamen Detailanalysen in drei Fokusgebieten, den Städten München, Freiburg und Dresden, sowie einer bundesweiten Stichprobe von 100.000 Gebäuden.

In enger Kooperation mit einem Team um Prof. Thomas H. Kolbe von der TU München haben die Forschenden des IÖR für alle Dach- und Fassadenflächen die solare Einstrahlung modelliert und visualisiert und so den möglichen solaren Energieertrag kleinräumig lokalisiert. Dafür hat das Team nicht nur auf detailliertere Gebäudemodelle mit ihren individuellen Dachformen zurückgegriffen. Auch die Umgebung der Gebäude, etwa Bäume und ihr Schattenwurf oder die Verschattung durch andere Gebäude sowie das Gelände und umgebende Berge wurden in die Berechnungen mit einbezogen.

Photovoltaik an Gebäuden besser planbar

Das Ergebnis sind verschiedene Visualisierungen zu Flächenpotenzialen und möglichen Solarenergieerträgen in Deutschland. So lässt sich zum Beispiel die räumliche Verteilung der Flächenpotenziale in Deutschland aufzeigen. Deutlich wird: Wo viele Menschen auf relativ engem Raum leben, ist auch das Potenzial für bauwerksintegrierte Photovoltaik-Module besonders hoch. Das ist zum Beispiel in den Ballungsräumen Rhein-Main, Rhein-Neckar und Rhein-Ruhr der Fall, ebenso wie in den städtischen Ballungszentren Berlin, Hamburg, Bremen, München oder dem Sachsendreieck Dresden-Leipzig-Chemnitz.

Die Modellierung der potenziellen Sonnenenergieerträge am Beispiel konkreter Gebäude macht deutlich, dass sich die Installation von Photovoltaikanlagen an Fassaden vor allem bei großen Gebäuden wie Produktionshallen, Bildungseinrichtungen oder öffentlichen Gebäuden lohnt. „Aber auch große Wohnkomplexe wie Hochhäuser bieten durchaus großes Potenzial für die Installation von Photovoltaik“, so Behnisch.

Das Projektteam im IÖR sieht die gewonnenen Daten als ersten Schritt zu einer besseren Planung der Energiegewinnung an Gebäuden. „Die Daten müssen an den konkreten Standorten noch durch genauere Analysen spezifiziert werden. Aber sie geben doch einen Eindruck davon, welche großen Potenziale in bauwerksintegrierter Photovoltaik schlummern. Vor allem mit Blick auf die Ziele zur CO2-Einsparung sind das wichtige Ansatzpunkte“ (Behnisch). Auch mit Blick auf die Verkehrswende und die Herausforderungen der E-Mobilität sei es sinnvoll, mehr saubere Energie in den Städten zu gewinnen. Darüber hinaus gebe es auch Vorteile für den Umweltschutz. „Jedes Photovoltaik-Modul, das wir an einer Hausfassade installieren, hilft dabei, Natur und kostbaren Boden zu schonen, denn es macht den Bau flächenintensiver Solarparks überflüssig.“

Hintergrund

Im Projekt Standard-BIPV (Entwicklung einer vorgefertigten Standard-BIPV-Fassade für ausgewählte Bauwerkskategorien in Deutschland) identifizieren die Projektpartner geeignete Bauwerkskategorien, die mit vorgefertigten und standardisierten BIPV-Fassaden renoviert werden können, und setzen eine erste Umrüstung beispielhaft um. Es geht zum einen darum, besonders geeignete Bauwerkstypen mit einem hohen Flächenpotenzial zu identifizieren. Zum anderen werden im Zuge des Projektes Photovoltaik-Fassadenelemente entwickelt, die sich durch eine kostengünstige für die Massenproduktion geeignete Konstruktion, eine einfache Montage und elektrotechnische Installation sowie ein hohes Maß an Ästhetik auszeichnen.

Projektpartner

  • Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) (Projektleitung);
  • U. I. Lapp GmbH, Stuttgart;
  • NICE Solar Energy GmbH, Schwäbisch Hall;
  • IWE Innovativer Werkstoffeinsatz GmbH & Co. KG, Greifswald;
  • IAB-Institut für Angewandte Bauforschung Weimar gGmbH;
  • GES Gebäude- und Energiesysteme GmbH, Korbußen;
  • ARMOR solar power films GmbH, Kitzingen;
  • Leibniz-Institut für ökologische Raumentwicklung (IÖR);
  • Lehrstuhl für Geoinformatik der TU München (Prof. Thomas H. Kolbe)

Das Projekt mit einer Laufzeit von Januar 2017 bis März 2021 wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert (Förderkennzeichen 0324063). In einem Folgeprojekt werden die Themen bis August 2023 weitergehend untersucht.

->Quellen:

Originalpublikationen des IÖR

  • Behnisch, M.; Münzinger, M.; Poglitsch, H.: Die vertikale Stadt als solare Energiequelle? Theoretische Flächenpotenziale für bauwerksintegrierte Photovoltaik und Abschätzung der solaren Einstrahlung. In: Transforming Cities (2020) 4, S. 62-66.
  • Behnisch, M.; Münzinger, M.; Poglitsch, H.; Willenborg, B.; Kolbe, T. H.: Anwendungsszenarien von Geomassendaten zur Modellierung von Grünvolumen und Solarflächenpotenzial. In: Meinel, G.; Schumacher, U.; Behnisch, M.; Krüger, T. (Hrsg.): Flächennutzungsmonitoring XII mit Beiträgen zum Monitoring von Ökosystemleistungen und SDGs. Berlin: Rhombos, 2020, S. 251-261 (IÖR-Schriften 78) – https://doi.org/10.26084/12dfns-p025
  • Poglitsch, H.; Hartmann, A.; Schwarz, S.; Hecht, R.; Eisenlohr, J.; Ferrara, C.; Behnisch, M.: Eine Frage des Flächensparens: Wo können 1 Milliarde Photovoltaik-Module in Deutschland installiert werden?. In: Meinel, G.; Schumacher, U.; Behnisch, M.; Krüger, T. (Hrsg.): Flächennutzungsmonitoring X. Flächenpolitik – Flächenmanagement – Indikatoren. Berlin: Rhombos, 2018, S. 133-142 (IÖR Schriften 76).

Weiterführende Studien des Fraunhofer ISE (Projektleitung) zur Relevanz von Photovoltaik im Zuge der Energiewende

  • Sterchele, P.; Brandes, J.; Heilig, J.; Wrede, D.; Kost, C.; Schlegl, T.; Bett, A.; Henning, H.-M.: Wege zu einemklimaneutralen Energiesystem: Die deutsche Energiewende im Kontext gesellschaftlicher Verhaltensweisen. Freiburg, 02.2020.
  • Henning, H.-M.; Palzer, A.: Was kostet die Energiewende? Wege zur Transformation des deutschen Energiesystems bis 2050. Freiburg, 2015.