Der Klimawandel stellt eine Gefahr für das Leben auf der Erde dar. Um den Klimawandel zu begrenzen, ist eine Reduktion der globalen Treibhausgasemissionen erforderlich. Photovoltaik (PV) kann einen wesentlichen Beitrag zur dafür erforderlichen Transformation des Energiesystems hin zu regenerativen Energieträgern leisten. Dies gilt insbesondere in urbanen Gebieten mit hoher Gebäudedichte und hoher Flächenkonkurrenz, da PV an den Gebäuden und damit ohne zusätzlichen Flächenbedarf installiert werden kann. Daneben bietet PV den Vorteil vergleichsweise geringer Ausbaukosten. Damit der erforderliche PV-Ausbau tatsächlich stattfindet, benötigt es entsprechende Entscheidungen in Politik und Verwaltung, die wiederum eine fundierte Datengrundlage und geeignete Planungswerkzeuge voraussetzen.
Viele Kommunen verfügen bereits über Solarkataster für Dachflächen. Gebäudefassaden werden nicht berücksichtigt, da die zur Erstellung verwendeten einfachen physikalischen Modelle nicht für die Berechnung der Einstrahlung auf Gebäudefassaden geeignet sind. Die zur Verfügung stehenden Dachflächen werden jedoch nicht ausreichen, um den Energiebedarf in urbanen Räumen mit PV zu decken. Zudem enthalten diese Solarkataster in der Regel nur Einstrahlungssummen pro Jahr ohne Zeitverlauf, welcher für eine energetische Bilanzierung essentiell sind. Im Rahmen des geplanten Promotionsvorhabens sollen daher Methoden zur Berechnung von genauen, zeitlich aufgelösten Solarstrahlungskarten auf Stadtebene entwickelt werden, um den PV-Ausbau zu fördern, indem ein entsprechendes Planungswerkzeug bereitgestellt wird. Die Erstellung dieser Solarstrahlungskarten erfordert aufwändige nummerische Strahlverfolgungssimulationen, welche die Genauigkeit der Ergebnisse und die Größe des betrachteten Gebiets in der Praxis durch den erforderlichen Rechenaufwand limitieren. Daher gibt es in der Literatur bislang nur vereinzelte Arbeiten in diesem Themenbereich, aber keine Verfahren, die für einen breiten Einsatz in der Praxis geeignet sind.
Das Institut für Solarenergieforschung Hameln (ISFH) entwickelt in Zusammenarbeit mit dem Institut für Festkörperphysik (FKP) der Leibniz Universität Hannover seit zwei Jahren das Strahlverfolgungsprogramm CityPV, dass für die Berechnung solarer Einstrahlung für eine große Zahl von Gebäuden ausgelegt ist. Bislang kann CityPV jedoch keine Bäume berücksichtigen, deren Schattenwurf insbesondere für Gebäudefassaden einen signifikanten Einfluss auf die solare Einstrahlung haben kann. Daneben werden Lichtreflexionen an Gebäuden oder am Boden bislang nur mit einfachen physikalischen Modellen berücksichtigt. Im Rahmen dieses Promotionsvorhabens soll daher CityPV um Modelle zur Berücksichtigung von Bäumen und winkelabhängigen Reflexionsverteilungen verschiedener Materialien erweitert werden, um die Ergebnisgenauigkeit zu verbessern. Außerdem sollen auf Basis einer Sensitivitätsanalyse der Strahlverfolgungssimulationen Näherungsverfahren erarbeitet werden, die eine Reduktion der Rechenzeit ohne Ergebnisgenauigkeitsverluste ermöglichen. Damit soll die Berechnung zeitaufgelöster Solarstrahlungskarten auf Stadtebene ermöglicht werden.
Da bei Investitionsentscheidungen häufig der potenzielle finanzielle Ertrag einer PV-Anlage im Vordergrund steht, soll im Rahmen dieses Promotionsvorhabens außerdem ein Verfahren entwickelt werden, mit dem automatisiert unter Berücksichtigung aller relevanten lokalen Gegebenheiten eine optimale Auslegung einer PV-Anlage auf der Gebäudehülle bestimmt und der potenzielle Energieertrag dieser Anlage berechnet wird. Damit lässt sich eine energetische Bilanzierung vornehmen, welche auch wichtige Daten für die Planung eines zukünftigen Energiesystems liefert, bspw. im Hinblick auf Speicherbedarf. Diese Erweiterung, die auf den zeitaufgelösten Solarstrahlungskarten basiert, soll auch farbige PV-Module beinhalten, welche insbesondere an Gebäudefassaden verwendet werden können, um die Akzeptanz einer PV-Anlage zu erhöhen.