Potenziale der Photovoltaik in der Stadt- und Regionalplanung

Diplomarbeit von Samuel Hufnagel

Einleitung:

‘Brüder, zur Sonne, zur Freiheit’.

Die globale Energiewirtschaft befindet sich zu Beginn des 21. Jahrhunderts im Umbruch; und so ist das einstige Arbeiterlied mit einer kleinen Modifizierung – aus den links-sozialen ‘Brüdern’ wurden die für moderne Ohren besser verträglichen ‘Bürger’ – zu einem Slogan der Solarinitiativen geworden. Während in der ersten Hälfte des vergangenen Jahrhunderts die Sonne noch ein abstraktes Symbol für die Freiheit jedes Einzelnen war, könnte dieser politische Traum nun zu einer wirtschaftlichen Wirklichkeit werden: Die Sonne ermöglicht jedem Bürger seinen eigenen Energiebedarf zu decken. Doch dieses Modell lässt sich ebenso global auslegen – und genau hier setzt diese Arbeit an. Für die globale Energiefrage ist die Kraft der Sonne von entscheidender Bedeutung: Während weltweit der Energiebedarf stetig steigt, gehen die Ressourcen von Öl, Gas, Kohle und Uran zur Neige. Gleichzeitig ist es wichtiger denn je, das Klima zu schützen und die natürliche Umwelt zu erhalten. Diese doppelte Herausforderung setzt die Weltgemeinschaft unter einen enormen Handlungsdruck. Alternative Technologien, wie etwa die Wasserstoffwirtschaft oder die Fusion von Atomen, sind bisher nur im Ansatz entwickelt und stehen bis in die nächste Dekade hinein nicht zur Verfügung. Und auch die Atomkraft (Atomkernspaltung) kann nicht die fossilen Primärenergieträger ersetzen. Es bleiben alleine die seit Jahrhunderten genutzten Energien, die heute regenerativ oder erneuerbar genannt werden. Sie alle nutzen – direkt oder über Umwege – die Energie der Sonne.

Internationale Vereinbarungen für den Klimaschutz nehmen zwar ebenso zu wie das vielfältige umweltpolitische Engagement auf Bundes- und Länderebene – müssen aber weiter ausgebaut werden. Die Bundesregierung hat sich u. a. verpflichtet, die Treibhausgasemissionen bis 2020 gegenüber 1990 um 40 Prozent zu senken. Zur Umsetzung dieses Versprechens hat das Bundeskabinett im Jahr 2007 im Rahmen des ‘Integrierten Energie- und Klimaprogramms (IEKP)’ ein detailliertes Programm beschlossen. Der Ausbau der erneuerbaren Energien, mit dem Ziel bis 2020 einen Anteil von 30 Prozent zu erreichen, ist ein Schwerpunkt der 29 Einzelmaßnahmen. Auf Ebene der Bundesländer, kann exemplarisch das Hamburger Klimaschutzgesetz genannt werden. Dieses hat eine möglichst sparsame, rationelle und ressourcenschonende Verteilung und Verwendung von Energie zum Ziel.

Heruntergebrochen auf Aspekte der Stadtplanung auf nationaler, regionaler und kommunaler Ebene, führt die komplexe Energiefrage zu der bekannten Handlungsempfehlung ‘Think global, act local!’. Es ist offensichtlich, dass auch die Stadtplanung einen wichtigen Beitrag zur Förderung von erneuerbarer Energieerzeugung leisten kann und das auf Grund der Dringlichkeit in vielfältiger Art und Weise auch umfassend tun muss.

Die Solarenergie besitzt insbesondere in urbanen Räumen noch immense Potenziale, die bislang nur im Ansatz erkannt sind und genutzt werden. Wenn man von der Nutzung der ‘Offshore-Windenergie’ absieht, sind die Nutzungsmöglichkeiten von Wind- und Wasserkraft in Deutschland nur noch begrenzt ausbaufähig. Und auch die Energiegewinnung aus Biomasse hat vorrangig für ländliche Räume Bedeutung. Daher werden in dieser Arbeit bestimmte Aspekte der Energiefrage und deren Bezug zur Stadtplanung am Beispiel der Photovoltaik untersucht.

Die Nutzung von Photovoltaikanlagen stellt eine weltweit nicht vergleichbare Entwicklung dar. Die jährliche Installation dieser Anlagen hat sich in nur einem Jahrzehnt verhundertfacht. Damit wird in Deutschland fast die Hälfte der globalen Nachfrage generiert. Allein im Jahr 2007 sind rund 1300 Megawatt neu installiert worden, dies entspricht der Leistung eines mittelgroßen Atomkraftwerks. Verantwortlich für diesen Solarboom sind im wesentlichen drei Ursachen: Die Einspeisevergütung nach dem EEG, die starke Forschung auf diesem Gebiet und die Spitzenstellung der deutschen Industrie, die Produktionsanlagen für Solarmodule und Komponenten geschaffen hat und diese fortwährend verbessert. Es ist also bereits zu erkennen, dass sich eine Vielzahl stadtplanerischer Herausforderungen ergeben.

Der Arbeit liegt eine umfassende Literaturrecherche zugrunde, die wegen der Aktualität der Thematik hauptsächlich auf Fachmagazine und Internetveröffentlichungen zurückgreifen konnte. Auf dieser Basis werden angewandte Methoden und Instrumente zur Analyse und zur Aktivierung solarer Potenziale ermittelt. Daraus entwickeln sich Priorisierungen von Flächen einerseits und Maßnahmen zur Förderung und Inwertsetzung von Flächen andererseits. Ebenso werden die rechtlichen Rahmenbedingungen und deren notwendige Weiterentwicklung untersucht. Die Arbeit profitiert dabei von einem wertvollen Wissenstransfer aus der Fachexpertise im Betreuungsteam sowie von den Akteuren in der Stadt Norderstedt. Zur Konkretisierung werden in einer synoptischen Betrachtung solare Potenziale im Gebäudebestand am Beispiel der nördlich an Hamburg grenzenden Stadt Norderstedt dargestellt. Die prinzipielle Übertragbarkeit auf andere deutsche Städte und Gemeinden bleibt dabei im Rahmen der Möglichkeiten gewährleistet.

Diese Diplomarbeit soll ein Leitfaden zur Förderung der Photovoltaik für Akteure der Stadt- und Raumplanung sein, entsprechend liegen ihr die oben bereits angedeuteten Fragen zu Grunde:

Wie kann eine Stadt die Implementierung von Photovoltaik in ihrem Stadtgebiet aktiv fördern?

Welche Rahmenbedingungen sind günstig, welche Instrumente stehen zur Verfügung, und wie sollten Flächentypen priorisiert werden?

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 4, Photovoltaik und Solarthermie im Vergleich:

Neben der Photovoltaik nutzt auch die Technik der Solarthermie die Sonnenenergie, prinzipiell ergeben sich daher zwei konkurrierende Nutzungsmöglichkeiten. Zur besseren Verständlichkeit ist es deshalb notwendig die zentralen Aspekte beider Verfahren zu erläutern und zueinander in Bezug zu setzen. Allerdings sollen die jeweiligen Vor- und Nachteile nicht detailliert abgewogen werden.

Solarthermieanlagen, die auch als Solarkollektoren bezeichnet werden, nutzen die Sonnenenergie um ein Trägermedium zu erwärmen. Eine Übertragung der thermischen Energie in einem Wärmetauscher stellt diese für weitere Anwendungen bereit. Die gespeicherte Energie wird dann zur Klimatisierung von Gebäuden und zur Versorgung mit Warmwasser genutzt. Da Solarthermieanlagen weniger sensibel auf Teilverschattungen reagieren als Photovoltaikmodule, können diese auch unterhalb von Schornsteinen oder Gauben angebracht werden. Damit können Konkurrenzsituationen der beiden Technologien untereinander entschärft werden.

Die Solarthermie kann bis zu 80 Prozent der einfallenden Sonnenenergie nutzen und hat somit einen wesentlich höheren Wirkungsgrad als die beste Solarzellentechnik. Jedoch ist elektrische Energie ‘wertvoller’ als Wärmeenergie, denn eine Wärmpumpe kann beispielsweise aus einer kWh Strom drei bis sechs kWh Wärmeenergie gewinnen. Zumeist wird dabei die Wärme dem Erdreich entzogen. Dieser Zusammenhang hat besondere Bedeutung bei kleineren Gebäuden wie Einfamilienhäusern, die bezogen auf die Grundstücksgröße relativ wenig Heizbedarf haben und somit ein für die Nutzung von Wärmepumpen vorteilhaftes Verhältnis von umgebendem Erdreich und Gebäudevolumen aufweisen.

Solarthermisch erzeugte Wärmeenergie kann nur vor Ort genutzt und im Unterschied zum Solarstrom nicht in ein überörtliches Netz eingespeist und geldlich vergütet werden. Die Speicherung von Überschussproduktion ist aufwendig und nur begrenzt möglich. Große Erdspeicher, die Wärmeenergie für kalte Jahreszeiten speichern können, sind bislang nur in wenigen Projekten gebaut worden.

Die Betriebskosten, bzw. Heizkosten eines Gebäudes lassen sich durch eine Solarthermieanlagen senken. Der durch eine Photovoltaikanlage erzeugte Strom hingegen wird in das öffentliche Netz eingespeist. Eine Investition in diese Stromerzeugung nimmt somit kaum Einfluss auf die Betriebskosten und ist vielmehr einer Geldanlage ähnlich. Daraus ergeben sich dann auch steuerrechtliche Konsequenzen, denn ein Energieersparnis durch Solarthermie gilt nicht als Gewinn und ist somit auch nicht zu versteuern. Die Vergütung für Solarstrom wiederum gilt als Einnahmen und ist zu versteuern.

Bevor eine solare Potenzialschätzung für ein Gebäude aufgestellt wird, ist es notwendig den Energiebedarf einschließlich des jahreszeitlichen Klimatisierungsbedarfs genau zu untersuchen. Bei bereits bestehenden Fernwärmeanschlüssen ist ein zusätzlicher Einsatz von solarthermischen Anlagen selten empfehlenswert. Denkbar ist eine solarthermische Anlage als Alternative oder Ergänzung zu Blockheizkraftwerken. Wenn die Rahmenbedingungen stimmen und ausreichend Flächen an oder auf Gebäuden zur Verfügung stehen, können Solarthermie- und Photovoltaikanlagen auch sinnvoll nebeneinander betrieben werden. Bei Einfamilienhäusern ist es möglich so eine Grundversorgung sicherzustellen.

Zum 1. Januar 2009 ist das ‘Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz’ (EEWärmeG) in Kraft getreten. Dieses Gesetz sieht vor, den Wärmeenergiebedarf aller Gebäude, die neu errichtet werden, anteilig mit erneuerbaren Energien zu decken. Bei einem Einsatz von Solarthermie muss nach einem vorgegebenen Schlüssel eine Mindestfläche mit Solarkollektoren ausgestattet werden. Experten fürchten nun eine zunehmende Konkurrenz zwischen der Strom- und Wärmeerzeugung. Nicht wenige prophezeien infolge der erhöhten Degression für Solarstrom, eine Verlagerung des Kundeninteresses von der Photovoltaik zur Solarthermie. Eine mögliche Lösung könnte in der Anwendung von Hybridanlagen liegen.

Vielversprechend sind neuere Entwicklungen zur Kombination solarthermischer und photovoltaischer Anlagen. Durch das direkte Übereinanderlegen lassen sich beide Techniken verbinden. Diese Hybridkollektoren ermöglichen durch die Wärmeabsorption unterhalb der Photovoltaikmodule einen besseren Wirkungsgrad. Einen um 35 Prozent höheren Jahresstromertrag verspricht die Firma Ecotec Energy AG. Hybridanlagen können auf der gleichen Fläche mehr Energie erzeugen als nebeneinander installierte Module und Kollektoren. Damit können mögliche Flächenkonkurrenzen entschärft und einfacher eine Komplettversorgung von beispielsweise Einfamilienhäusern mit Strom durch die eigenen Dachflächen erreicht werden.

Neben geringeren Installationskosten lassen sich durch reduzierten Materialbedarf in der Herstellung auch die Produktionskosten senken. Ein weiterer Vorteil der Kombination ergibt sich im Winter, wenn mit Hilfe der solarthermischen Anlage die Photovoltaikmodule schneefrei gehalten werden. Schließlich kann mit der gekoppelten Technik auch ein einheitlicheres Erscheinungsbild erreicht werden, denn bisher hat die Kombination von Solarthermie und Photovoltaik zu ‘flickenartigen Dachflächen’ geführt.

Die weitere technische Entwicklung ist zwar nicht absehbar, doch scheint die Hybridtechnik ein innovativer Ansatz zu sein, um sich einer ganzheitlichen erneuerbaren Energieversorgung zu nähern. Um den Einsatz dieser Technologie zu fördern, sollte eine Ergänzung des EEG aber auch des Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz geprüft werden. Vorstellbar wäre eine Bonus-Vergütung, die bei einer Anwendung hybrider Technologien zum Einsatz kommen könnte. Ergänzungen könnten schon vor 2012, dem Zeitpunkt der nächsten Novellierung sinnvoll sein.