Das Potenzial der photovoltaischen Nutzung von Dachflächen als Beitrag zukunftsweisender Stadtplanung aufgezeigt am Beispiel der Stadt Münster

Diplomarbeit von Christian Prinz

Einleitung:

‘Die Menschheit wird eine solare Zukunft haben oder sie wird keine Zukunft haben’.

Es gibt nur wenige Aussagen über die Zukunft, die mit einer solchen Eindeutigkeit getroffen werden können. Denn die Lebensweise, wie sie heutzutage vor allem von den Industrienationen praktiziert wird, ist angesichts der Endlichkeit der fossilen Energien nicht auf Dauer möglich. Eine Energiewende wird daher eine der zentralen Aufgaben des 21. Jahrhunderts sein, um den heutigen Lebensstandard auch für zukünftige Generationen zu sichern. Noch besteht kein akuter Mangel an fossilen Energien, aber die Verfügbarkeit nimmt angesichts schwindender Ressourcen und wachsendem Energiebedarfs aufstrebender Staaten wie China oder Indien ab. Der damit verbundene Anstieg der Preise kann zu tief greifenden wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Problemen führen, die gerade in den ärmeren Ländern, die ohnehin kaum am energetischen Überfluss teilhaben, stattfinden werden.

Des Weiteren ist die Verbrennung fossiler Rohstoffe mit weit reichenden ökologischen Problemen verbunden, die gerade vor dem Hintergrund des Klimawandels zusätzlichen Handlungsbedarf implementieren. Denn dieser lässt sich nach der letzten Studie des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) nur noch abschwächen, wenn rasch und entschlossen gehandelt wird, um den Ausstoß von CO2 massiv zu verringern (IPCC 2007). Um dieses Ziel zu erreichen, müssen Einsparpotentiale konsequent genutzt und die Substitution fossiler Energien durch Erneuerbare Energien stärker vorangetrieben werden. Diese Energiewende ist dabei nicht durch die Nutzung einer einzigen Energieform zu realisieren, sondern kann nur durch einen Energiemix erreicht werden, der die Potentiale aller Erneuerbaren Energien ausschöpft. Als Erneuerbare Energien werden dabei die Geothermie, die durch die Gravitation bedingten Gezeitenkräfte und die Sonnenenergie verstanden, da diese in menschlichen Maßstäben unerschöpflich sind. Die Sonnenenergie ist dabei gleichzeitig Ursache für das Wachstum von Pflanzen und das Wettergeschehen, weshalb Biomasse, Wind- und Wasserkraft indirekte Nutzungsformen der Sonnenenergie darstellen.

Der Fokus dieser Arbeit konzentriert sich dabei auf den Bereich der direkten Sonnenenergienutzung durch Photovoltaik. Ein Verfahren bei dem Strahlungsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Der Name setzt sich dabei aus dem griechischen Wort ‘Photos’, das Licht bedeutet und ‘Volta’ dem Nachnamen des italienischen Elektrotechnikers Alessandro Volta zusammen. Die Technik wird heutzutage in einem breiten Leistungsbereich eingesetzt und findet sowohl in Taschenrechnern als auch in großflächigen Freilandanlagen mit mehreren Megawatt Leistung Verwendung. Im Folgenden sind aber besonders die Möglichkeiten von Interesse, die sich auf den Dachflächen von Gebäuden ergeben.

Problemstellung:

Den übergeordneten Problemrahmen stellen der Klimawandel und die Endlichkeit der fossilen Energieträger dar, denn aus diesen Gründen ist es weder aus ökologischer noch aus sozialer oder wirtschaftlicher Sicht sinnvoll, weiter auf fossile Energieträger zu setzen. Um die Abhängigkeit von diesen Ressourcen zu verringern, ist es essenziell, eine Substitution dort voranzutreiben, wo die Energieverbrauchsschwerpunkte liegen und daher müssen die sich bietenden Möglichkeiten für eine nachhaltige Energieversorgung auch in den Städten genutzt werden. Die hohe Bevölkerungs- und Siedlungsdichte, sowie die damit verbundene Flächenkonkurrenz, stellt dabei für viele Techniken zur Erneuerbaren Energiebereitstellung ein Hindernis dar. Für die Photovoltaik ist dies jedoch kein Nachteil, im Gegenteil, denn die hohe Siedlungsdichte geht einher mit einer großen Anzahl von Dachflächen.

Die zentrale Problemstellung ist in diesem Zusammenhang, dass die vorhandenen Dachflächen bisher kaum zur Energieerzeugung genutzt werden und das Potential der Photovoltaik somit nicht ausgeschöpft wird. Um dieses Problem zu lösen, bedarf es neuer Herangehensweisen, denn ‘die Probleme, die es in der Welt gibt, können nicht mit den gleichen Denkweisen gelöst werden, die sie geschaffen haben’. Daher ist eine neue Sichtweise nötig, die nicht mehr auf den zentralen Energieversorgungsstrukturen von fossilen Großkraftwerken beruht und diese als unveränderbare Gegebenheit ansieht, sondern eine, die dezentrale Versorgungsstrukturen fördert, Photovoltaik in den städtischen Raum integriert, sowie die Gesellschaft in diesen Prozess einbindet und ihr die Möglichkeit gibt, an der Energieversorgung zu mitzuwirken.

Aus dieser Problemstellung ergeben sich folgende Fragen:

- Wie sollen die Bürger an der Energieversorgung durch Photovoltaik mitwirken, wenn sie keine oder eine ungeeignete Dachfläche besitzen?

- Wie kann ein stärkerer Einsatz der Photovoltaik in der Stadt umgesetzt werden?

- Welche Potentiale bietet die Photovoltaik in der Stadt?

- Wie gut eignen sich einzelne Quartiere für eine photovoltaische Nutzung?

- Wie muss Stadtplanung aussehen, um diesem Problem zu begegnen?

- Welche Probleme stehen einer breiteren Nutzung im Wege?

Um Antworten auf diese Fragen zu erhalten, wurden neben einer Literatur- und Internetrecherche - am Beispiel von Münster - verschiedene Potentialanalysen der Dachflächen des Stadtgebiets durchgeführt, Konzepte entwickelt und Expertengespräche mit relevanten Akteuren abgehalten, denn aus dem bisherigen Forschungsstand ließen sich die Fragen nur unzureichend klären.

Bisherige Studien thematisieren zumeist Teilaspekte, die entweder die technischen Möglichkeiten und Entwicklungen der Photovoltaik aufzeigen, die rechtlichen Möglichkeiten der raumplanerischen Instrumente darlegen, die allgemeinen Möglichkeiten aller Erneuerbaren Energien erläutern oder die Zukunft der Stadt thematisieren.

Zu den Dachflächenpotentialen der Photovoltaik konnten zwei Studien ausgemacht werden, diese beziehen sich allerdings auf das Gesamtpotential aller Dachflächen Deutschlands und wurden anhand von Mittelwerten errechnet, sodass Aussagen über allgemeine Größenvorstellung gemacht werden können. Genauere Aussagen über die Möglichkeiten in einzelnen Stadtquartieren lassen sich hier aber nicht ableiten.

Studien zum photovoltaischen Potential der Dachflächen der Stadt Münster oder zu einzelnen Quartieren sind nicht zu finden.

Gang der Untersuchung:

Das Ziel dieser Arbeit ist es aufzuzeigen, wie groß das Potential der photovoltaischen Nutzung von Dachflächen in der Stadt ist, wie dieses besser genutzt werden kann und welchen Beitrag die Technik für eine zukunftsweisende Stadtplanung leisten kann.

Dazu werden zunächst in Kapitel 2 die Grundlagen der Photovoltaik dargelegt, um eine Basis für die weitere Arbeit zu schaffen. Dabei wird die Funktionsweise der Technik kurz erklärt und ein volkswirtschaftlicher, planerischer und ökologischer Vergleich der Energieerzeugung durch fossile bzw. nukleare Energieträger im Gegensatz zur Photovoltaik angestellt, der die Vor- und Nachteile der Technik aus den verschiedenen Sichtweisen zusammenfasst. Zudem wird die Wirtschaftlichkeit der Anlagen im Kontext des Erneuerbare-Energien-Gesetzes aufgezeigt und die Entwicklung der Photovoltaikbranche dargelegt.

Die Herausforderungen und Anforderungen, die der Klimawandel an die Raumplanung stellt, werden in Kapitel 3 beschrieben, dabei wird die Stadtplanung unter dem Gesichtspunkt der Nachhaltigkeit kritisch betrachtet. Es werden die Möglichkeiten und Instrumente, die bereits für eine solarenergetische Planung bestehen, erläutert. Als ein zentrales Element der Arbeit wird definiert, was unter zukunftsweisender Stadtplanung verstanden werden kann und welche Bedingungen diese erfüllen muss.

Welches Potential die Photovoltaik dabei für eine zukunftsweisende Stadtplanung aufweist, wird in Kapitel 4 anhand des Beispiels der Stadt Münster aufgezeigt. Hierzu wird ein Statusbericht über die Anzahl der aktuell installierten Anlagen und die erzeugte Leistung gegeben, damit auf dieser Basis deutlich wird, dass die Technik bisher nur eine periphere Rolle bei der Energieversorgung ausmacht. Um die ungenutzten Möglichkeiten der Technik aufzuzeigen, wird daran anschließend berechnet, wie viele Dachflächen im Stadtgebiet für eine Nutzung durch Photovoltaik zur Verfügung ständen und welche Beitrag eine Nutzung dieser Flächen für die Stromversorgung der Stadt leisten könnte.

Wie diese Flächen verstärkt genutzt werden könnten, wird in Kapitel 5 anhand eines aktuellen Beispiels, das zurzeit in Marburg geplant wird und sich mit solarem Bauzwang beschäftigt, sowie einem Modell zur freiwilligen Teilnahme beschrieben. Dieses Kapitel dient gleichzeitig der Vorüberlegung für den methodischen Teil. Denn für die Umsetzung solcher Projekte und auch für die Stadtplanung ist es sehr interessant, ob sich überhaupt alle Bereiche für eine solarenergetische Nutzung eignen und welche Probleme bei einer breiteren Nutzung auftreten können bzw. dieser im Wege stehen.

Hierzu wird in Kapitel 6 der methodische Teil erläutert, der die Möglichkeiten und Hemmnisse der Photovoltaik durch eine Potentialanalyse anhand von Luftbildern sowie Expertengesprächen mit für den Sachverhalt entscheidenden Akteuren aufzeigen soll.

Die Potentialanalyse der Dachflächen wird in Kapitel 7 durchgeführt und untersucht verschiedene Stadtquartiere, um herauszufinden, ob sich diese für die Installation von Photovoltaikanlagen besonders oder gar nicht eignen. Des Weiteren werden noch verschiedene Objekte mit großer Dachfläche untersucht, da zu erwarten ist, dass diese sich für Gemeinschaftsanlagen besonders eignen.

Welche Schwierigkeiten, aber auch Möglichkeiten für eine breitere Nutzung der Technik gesehen werden, wird in Kapitel 8 anhand der Auswertung der Expertengespräche dargelegt.

Eine zusammenfassende Synthese, in der alle Teile der Arbeit noch einmal reflektiert werden, findet in Kapitel 9 statt, um dann in Kapitel 10 das Fazit zu ziehen und einen Ausblick zu geben.

Inhaltsverzeichnis:

	Abbildungsverzeichnis	IV
	Tabellenverzeichnis	V
	Kartenverzeichnis	VI
	Abkürzungsverzeichnis	VII
1.	Einleitung	1
1.1	Problemstellung und Forschungsstand	2
1.2	Zielsetzung und Aufbau der Arbeit	3
2.	Grundlagen der Nutzung von Photovoltaik	6
2.1	Funktionsweise der Photovoltaiktechnik	6
2.1.1	Aufbau eines Moduls	6
2.1.2	Standortabhängigkeit	7
2.1.3	Energieausbeute und Wirkungsgrad	8
2.1.4	Lebensdauer und energetische Amortisationszeit	9
2.2	Planerische und ökologische Betrachtung	10
2.2.1	Strukturen der Energieversorgung	10
2.2.2	Emissionen und Klimaschutz	11
2.2.3	Effekte auf Landschaft und Umwelt	12
2.3	Volkswirtschaftliche Betrachtung	13
2.3.1	Kosten der Stromerzeugung	13
2.3.2	Förderung von PV in Deutschland	16
2.3.3	Staatliche Förderung der PV-Technik im Vergleich mit fossilen und nuklearen Energien	18
2.3.4	Chancen für den Standort Deutschland	20
2.3.5	Externe Kosten	21
2.4	Betriebswirtschaftliche Betrachtung	22
2.4.1	Anlagenkosten	22
2.4.2	Wirtschaftlichkeit von PV-Anlagen unter Berücksichtigung des EEG	24
2.5	Entwicklung der Solarbranche	25
2.5.1	Kostenentwicklung	25
2.5.2	Break-Even-Point	27
2.5.3	Wachstum der Branche	29
3.	Herausforderungen der Raumplanung vor dem Hintergrund des Klimawandels	31
3.1	Welche Anforderungen kommen auf die Raumplanung zu?	31
3.2	Stadtplanung und Nachhaltigkeit	33
3.3	Solarenergetische Planung	35
3.4	Zukunftsweisende Stadtplanung	37
4.	Das Potential der PV-Nutzung in Münster	40
4.1	Statusbericht der PV-Nutzung in Münster	41
4.2	Theoretisches Potential	42
4.3	Das wirtschaftliche Dachflächenpotential des Stadtgebietes	43
4.4	Möglicher Deckungsgrad des Stromverbrauchs	46
5.	Methodische Vorüberlegung: Wie kann das Potential der Photovoltaik genutzt und zukunftsweisende Stadtplanung umgesetzt werden?	48
5.1	Solarer Bauzwang: Das Modell Marburg	48
5.2	Das Modell des Solarkatasters	50
5.2.1	Grundkonzept	51
5.2.2	Die Möglichkeiten des Solarkatasters für eine zukunftsweisende Stadtplanung	52
5.2.2.1	Bürgerbeteiligung	53
5.2.2.2	Solarausgleichskonto	54
6.	Methodik zur Evaluierung des photovoltaischen Potentials	57
6.1	Methode der Potentialanalyse	57
6.1.1	Auswahl der Untersuchungsgebiete	58
6.1.1.1	Städtische Quartiere	58
6.1.1.2	Großobjekte	59
6.1.2	Untersuchung der Dacheignung	60
6.2	Methode der Experteninterviews	63
7.	Potentialanalyse anhand von Luftbildaufnahmen	66
7.1	Städtische Quartiere	66
7.1.1	Kategorie 1: Ein- und Zweifamilienhäuser	66
7.1.2	Kategorie 2: Mehrfamilienhäuser, freistehend mit Schrägdach	69
7.1.3	Kategorie 3: Mehrfamilienhäuser, aufgelockerte Blockrandbebauung	72
7.1.4	Kategorie 4: Mehrfamilienhäuser, Blockrandbebauung	76
7.1.5	Kategorie 5: Große Mehrfamilienhäuser mit Flachdach	79
7.2	Potentialanalyse ausgewählter Großobjekte anhand von Luftbildaufnahmen	82
7.2.1	Naturkundemuseum	82
7.2.2	Kaufhof/Karstadt	84
7.2.3	Halle Münsterland	87
7.3	Vergleichende Analyse	90
8.	Auswertung der Experteninterviews	95
8.1	Erschließbarkeit des Potentials	95
8.2	Dachflächenverfügbarkeit	99
9.	Photovoltaik als Beitrag zukunftsweisender Stadtplanung	102
9.1	Welchen Beitrag kann Photovoltaik für eine zukunftsweisende Stadtplanung leisten	102
9.2	Die Stadt als Energieproduzent	104
9.3	Wie könnte ein Solarkataster in Münster umgesetzt werden?	107
9.4	Diffusionshemmnisse der Photovoltaik	110
10.	Fazit	112
	Literaturverzeichnis	116
	Anhang	127

Textprobe:

Kapitel 8.2, Dachflächenverfügbarkeit:

Die Expertenbefragung zur Verfügbarkeit der Dachfläche diente dem Zweck aufzuklären, ob größere Wohnungsunternehmen bereit sind, ihre Dachflächen für eine Nutzung durch Photovoltaikanlagen an Investoren freizugeben. Außerdem sollte erhoben werden, an welche Bedingungen diese Freigabe gebunden ist und wo Probleme bei der Nutzung von Dachflächen durch Photovoltaik gesehen werden.

Zwei der drei Wohnungsunternehmen haben bisher noch keine Erfahrungen mit Photovoltaikanlagen gemacht. Es wurde berichtet, dass man sich bereits mit dem Thema beschäftigt hat, es aber aus wirtschaftlicher Sicht nicht interessant genug ist, um in diesem Bereich aktiv zu werden.

Das Unternehmen, das bereits bei der Errichtung von Photovoltaikanlagen aktiv geworden ist, hat unter anderem eine Photovoltaikanlage erbaut, die von den Mietern des Gebäudes, auf dem die Anlage installiert ist, betrieben wird und deren Erträge an die Mieter ausgeschüttet werden. Des Weiteren wurde in Kooperation mit den Stadtwerken auf einem Mietobjekt eine Anlage installiert, bei der eine Beteiligung der Mieter des Objektes möglich ist. Diese muss, falls eine Beteiligung gewollt ist, mindestens 1000 Euro betragen, die Obergrenze der Beteiligungsmöglichkeit liegt bei 5000 Euro. Die Verzinsung beträgt für den erwarteten Fall sechs Prozent pro Jahr, der garantierte Mindestzinssatz beträgt bei diesem Modell vier Prozent pro Jahr.

Bei der Frage, ob der Einsatz von Photovoltaikanlagen für sinnvoll gehalten wird, wurden von allen Experten Einschränkungen gemacht. Größter Kritikpunkt waren die Subventionen, die in Form der Vergütungssätze für die Photovoltaik gezahlt werden müssen, um diese auf ein konkurrenzfähiges Niveau zu bringen und kostendeckend betreiben zu können. Nach Meinung eines Experten ist die Technik unattraktiv, so lange sie bezuschusst werden muss, und kann für diesen Zeitraum keine zukunftweisende Technologie sein, erst wenn dies nicht mehr der Fall ist, ist ein Einsatz sinnvoll. Ein anderer Experte hält die Technik in Zukunft für sinnvoll, nach jetzigem Stand der Dinge allerdings eher nicht. Auch der dritte Experte bemängelte die mangelnde Konkurrenzfähigkeit der Technik, gab aber an, dass ein Einsatz der Technik vor dem Hintergrund steigender Energiepreise grundsätzlich richtig ist.

Dennoch steht einer Freigabe der Dachflächen für Photovoltaikanlagen des jeweiligen Wohnungsunternehmens aus Sicht der Experten nichts im Wege. Alle Experten gaben an, dass eine Dachflächenfreigabe für Investitionen Dritter in Photovoltaikanlagen möglich ist. Dabei müssten jedoch die Dächer auf ihre Eignung untersucht werden und eine noch zu erwartende Lebensdauer aufweisen, die über der, der zu installierenden Anlage liegt, damit das Dach nicht überarbeitet werden muss, während die Anlage im Betrieb ist. Hier wurden auch Möglichkeiten gesehen, die Anlagen im Zuge von fälligen Dacherneuerungen mit zu installieren, wobei der Investor sich an den Dacharbeiten beteiligen könnte und dann die Nutzungsrechte der Dachfläche für die Anlagenlebensdauer erhält.

Als Problem bei der Nutzung der Dachflächen durch Photovoltaik wurde von dem Unternehmen mit Photovoltaik Erfahrungen gesehen, dass noch keine Langzeiterfahrungen gemacht wurden. Des Weiteren wurden von diesem Unternehmen Probleme bei Inndachverfahren gesehen, bei dem die Photovoltaikmodule die Dachpfannen ersetzen, da die Anlagenlebensdauer mit 20 Jahren kürzer ist als z.B. die eines Ziegelpfannendaches, dessen Lebensdauer bei etwa 50 Jahren liegt und somit die Dächer öfter überarbeitet werden müssen, was zu steigenden Kosten führt. Die anderen Experten sahen kein Konfliktpotential in der Nutzung ihrer Dachflächen durch Photovoltaik.

Auf die Frage nach einem Imagegewinn durch eine verstärkte Nutzung der Dachflächen des Wohnungsunternehmens durch Photovoltaik, gaben alle Experten an, dass die Nutzung Erneuerbarer Energien sich durchaus positiv auf das Image auswirken könnte. Ein Experte fügte hinzu, in der Nutzung der Dachflächen durch Solarthermie jedoch einen größeren Imagegewinn zu sehen. Auf Nachfragen konnten die Experten sich auch vorstellen, die Gebäude, die durch Photovoltaikanlagen genutzt werden zusätzlich kenntlich zu machen, um die Technik verstärkt nach außen sichtbar und den Menschen somit intensiver bewusst zu machen.

Auch diese Experten wurden in der letzten Frage nach ihrer Meinung zu solarem Bauzwang befragt. Die Meinung dazu fiel etwas weniger skeptisch aus, als bei den Experten, die zur Erschließbarkeit der Potentiale gefragt wurden. Auch hier wurde zunächst betont, dass die Dämmung und die Gebäudehülle keinesfalls vernachlässigt werden dürfen. Ein Experte gab an, dass ein Zwang zu solarem Bauen durchaus Sinn macht und im Grunde ähnlich einzuordnen ist, wie die gesetzlich vorgeschriebene Mindestdämmung. Durch politischen Druck würde mehr bewegt werden können als durch Freiwilligkeit. Skeptisch wurden auch hier die Investitionskosten beurteilt und angegeben, dass eine solche Vorschrift keine zu harten Auflagen erteilen sollte.