Brigitte Kallmünzer
Photovoltaische Freiflächenanlagen
Energiewirtschaftliche und planungsrechtliche Rahmenbedingungen und GISgestützte
Standortsuche am Beispiel der Gemeinde Kirchweidach, Landkreis Altötting
ISBN: 978-3-8366-0573-1
Druck Diplomica® Verlag GmbH, Hamburg, 2008
Zugl. Universität Regensburg, Regensburg, Deutschland, Diplomarbeit, 2004
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Printed in Germany
Vorwort
I
Vorwort
,,Das Solarzeitalter ist die eigentliche Zukunft der Menschheit"
(Wernher von Braun 1973 auf dem
SonnenenergieKongress der UNESCO in Paris)
An dieser Stelle möchte ich die Gelegenheit nutzen, mich bei all jenen zu bedanken, die mich
während des Studiums und bei der Diplomarbeit unterstützt haben und mir mit Rat und Tat zu
Seite standen:
Zunächst danke ich Herrn Prof. Dr. Kurt Klein für seine engagierte und geduldige Betreuung
der Arbeit sowie für seine Aufgeschlossenheit gegenüber meinen Ideen.
Desweiteren bedanke ich mich bei Herrn Bürgermeister Moser für die Bereitstellung der im
Rahmen der GIS-Analyse verwendeten Daten und für die stets freundliche und
unkomplizierte Zusammenarbeit.
Besonders herzlich bedanken möchte ich mich auch bei meinen Freunden, die mich nicht nur
bei dieser Diplomarbeit, sondern während meines ganzen Studiums unterstützt und auch
aufgemuntert haben. Besonders hervorzuheben sind hier die richtungsweisenden Anregungen
meiner Mitbewohnerin.
Mein ganz besonderer Dank gilt schließlich meiner Familie, ohne deren Hilfe weder mein
Studium noch diese Diplomarbeit möglich gewesen wäre.
Regensburg, 30. Juli 2004
1
Brigitte Kallmünzer
1
Diese Diplomarbeit wurde gemäß der neuen deutschen Rechtschreibung verfasst.
Inhaltsverzeichnis
II
I
NHALTSVERZEICHNIS
V
ORWORT
...I
I
NHALTSVERZEICHNIS
...II - VI
V
ERZEICHNIS DER
A
BBILDUNGEN
...VII
V
ERZEICHNIS DER
D
IAGRAMME
...VIII
V
ERZEICHNIS DER
T
ABELLEN
...IX
V
ERZEICHNIS DER
K
ARTEN
...X
V
ERZEICHNIS DER
A
BKÜRZUNGEN
...XI XII
V
ERZEICHNIS DER
E
INHEITEN FÜR
E
NERGIE UND
L
EISTUNG
...XIII
1
PROBLEMSTELLUNG UND ZIELSETZUNG DER ARBEIT...1
1.1
Ausgangslage und Problemstellung ... 1
1.2
Zielsetzung... 2
1.3
Aufbau der Arbeit ... 4
1.4
Begriffsdefinitionen ... 5
2
VERGLEICH VON KONVENTIONELLEN UND ERNEUERBAREN
ENERGIETRÄGERN UNTER BESONDERER BERÜCKSICHTIGUNG DER
PHOTOVOLTAISCHEN STROMERZEUGUNG...7
2.1
Verfügbarkeit und Reichweite ... 7
2.2
Auswirkungen auf die Umwelt ... 11
2.3
Kosten ... 12
2.4
Entwicklung der erneuerbaren Energien und der
photovoltaischen Stromerzeugung in Deutschland ... 13
Inhaltsverzeichnis
III
2.5
Gesellschaftliche Akzeptanz erneuerbarer Energien und der Photovoltaik... 16
2.6
Gründe für und gegen die Photovoltaiknutzung mittels Freiflächenanlagen... 16
3
PHYSIKALISCHTECHNISCHE GRUNDLAGEN DER PHOTOVOLTAIK...18
3.1
Das solare Strahlungsangebot ... 18
3.1.1 Solarenergie ... 18
3.1.2 Globalstrahlung ... 19
3.1.3 Bestimmungsfaktoren
für
das
Globalstrahlungsangebot ... 19
3.2
Technische Grundlagen ... 20
3.2.1
Entwicklung der Photovoltaik ... 21
3.2.2
Der Photovoltaische Effekt... 21
3.2.3
Solarzellen und -module... 23
3.2.4 Wechselrichter ... 24
3.2.5 Aufständerung
der
Module... 24
3.2.6 Sonstige
Komponenten... 24
3.3
Anwendungsmöglichkeiten der Photovoltaik ... 25
3.4
Freiflächenpotentiale für die photovoltaische Stromerzeugung ... 26
3.4.1 Technisch
nutzbare
Freiflächenpotentiale ... 27
3.4.2
Förderungswürdige Flächen gemäß EEG... 28
4
UMWELTAUSWIRKUNGEN VON PHOTOVOLTAISCHEN
FREIFLÄCHENANLAGEN ...31
4.1
Flächenverbrauch... 31
4.2
Flora und Fauna ... 31
4.3
Landschaftsbild... 32
4.4
Emissionen... 33
4.5
Energierückführung... 33
4.6
Fazit ... 33
Inhaltsverzeichnis
IV
5
ENERGIEWIRTSCHAFTLICHE UND PLANUNGSRECHTLICHE
RAHMENBEDINGUNGEN ...35
5.1
Methodische Vorgehensweise ... 35
5.2
Energiewirtschaftliche Rahmenbedingungen ... 35
5.2.1 Erneuerbare-Energien-Gesetz... 36
5.2.2 Netzeinspeisung... 40
5.3
Raumordnerische und landesplanerische Rahmenbedingungen ... 40
5.3.1 Raumordnungsverfahren ... 41
5.3.2 Landesentwicklungsprogramm
Bayern ... 41
5.4
Kommunale Bauleitplanung... 43
5.4.1 Verfahren ... 44
5.4.2
Entwicklung aus dem Flächennutzungsplan... 45
5.4.3
Vorhaben- und Erschließungsplan... 46
5.4.4 Städtebauliche
Verträge... 46
5.5
Baurecht ... 47
5.5.1 Baugenehmigung
und
Bauprodukte ... 47
5.5.2 Bauplanungsrecht ... 49
5.5.2.1
Im Geltungsbereich eines Bebauungsplanes ... 50
5.5.2.2
Innerhalb der im Zusammenhang bebauten Ortsteile
(im unbeplanten Innenbereich)... 52
5.5.2.3 Im
Außenbereich ... 52
5.5.3 Bauordnungsrecht ... 56
5.6
Naturschutzrecht ... 57
5.6.1 Umweltverträglichkeitsprüfung... 57
5.6.2 Strategische
Umweltprüfung ... 58
5.6.3 Eingriffsregelung ... 58
5.7
Fazit ... 61
Inhaltsverzeichnis
V
6
ENTWICKLUNG EINES GISGESTÜTZTEN STANDORTSUCHVERFAHRENS
FÜR PHOTOVOLTAISCHE FREIFLÄCHENANLAGEN MIT ARCVIEW 8
AM BEISPIEL DER GEMEINDE KIRCHWEIDACH (LKR. ALTÖTTING) ...63
6.1
Methodische Vorgehensweise ... 63
6.1.1 Geographische
Informationssysteme... 64
6.1.2 Aufbau
eines
GIS-Projektes ... 64
6.2
Der Untersuchungsraum... 67
6.2.1 Auswahl ... 67
6.2.2
Beschreibung des Untersuchungsgebietes... 71
6.3
Zielformulierung und Vorgehensweise... 72
6.4
Erstellen der Datenbasis: Datensuche und -aufbereitung ... 73
6.5
Datenanalyse und -darstellung: Ermittlung des Standortpotentials ... 74
6.5.1
Stufe 1: Darstellung von Positiv- und Negativflächen
nach Luftbildern und Flächennutzungsplan ... 79
6.5.2
Hangneigung und Exposition ... 84
6.5.3
Stufe 2: Pufferflächen... 85
6.5.4
Stufe 3: Berechnung der Flächengröße ... 88
6.5.5
Stufe 4: Nähe zu 20kVLeitungen ... 91
6.5.6
Stufe 5: Nähe zu Siedlungen ... 93
6.5.7
Stufe 6: Gewichtung ... 95
6.5.8
Stufe 7: Verschneidung mit Positivflächen ... 97
6.5.9
Weitere Möglichkeiten der GIS-Analyse ... 99
6.6
Geländebegehung ... 99
6.7
Vergleich der Ergebnisse und Diskussion ... 102
7
BEWERTUNG DES GISEINSATZES ...105
7.1.1
Bewertung des GISEinsatzes für das Standortsuchverfahren... 105
7.1.2
Stärken und Schwächen von Geographischen Informationssystemen ... 106
8
ZUSAMMENFASSUNG ...108
Inhaltsverzeichnis
VI
Q
UELLENVERZEICHNIS
...VIV - XXIII
A
NHANG
...XXIV - XXVI
Verzeichnis
der
Abbildungen
VII
VERZEICHNIS DER
A
BBILDUNGEN
Abbildung 1: Aufbau der Arbeit
4
Abbildung 2: Energiewürfel
9
Abbildung 3: Aufbau einer kristallinen Solarzelle
22
Abbildung 4: Übersicht vergütungsfähiger Freiflächenanlagen
39
Abbildung 5: Aufbau eines GIS-Projektes
65
Abbildung 6: Entscheidungsbaum Karte 1
68
Abbildung 7: Entscheidungsbaum
76
Abbildung 8: Entscheidungsbaum Karte 3
81
Abbildung 9: Entscheidungsbaum Karte 4
82
Abbildung 10: Entscheidungsbaum Karte 5
83
Abbildung 11: Entscheidungsbaum Karte 6
87
Abbildung 12: Entscheidungsbaum Karte 7
89
Abbildung 13: Entscheidungsbaum Karte 8
90
Abbildung 14: Entscheidungsbaum Karte 9
92
Abbildung 15: Entscheidungsbaum Karte 10
94
Abbildung 16: Gewichtungsmodell
95
Abbildung 17: Entscheidungsbaum Karte 11
96
Abbildung 18: Entscheidungsbaum Karte 12
98
Abbildung 19: Entscheidungsbaum Karte 13
101
Abbildung 20: Entscheidungsbaum Karte 14
104
Verzeichnis
der
Diagramme
VIII
VERZEICHNIS DER
D
IAGRAMME
Diagramm 1: Statische Reichweite konventioneller Energiereserven
8
Diagramm 2: Struktur des Primärenergieverbrauchs im Jahr 2003
14
Diagramm 3: Stromerzeugung 2003 in Deutschland in Mrd. kWh
15
Diagramm 4: Jahresauswertung 2003
71
Verzeichnis
der
Tabellen
IX
VERZEICHNIS DER
T
ABELLEN
Tabelle 1: Errechnete Freiflächenpotentiale verschiedener Autoren
28
Tabelle 2: Entwicklung der Vergütungssätze für Freiflächenanlagen gemäß EEG
37
Tabelle 3: Genehmigungsverfahren
49
Tabelle 4: Bauplanungsrechtliche Genehmigungsvoraussetzungen
nach Anlagentypen sowie Vergütungsfähigkeit
55
Tabelle 5: Kompensationsmaßnahmen
60
Tabelle 6: GIS-Datenbasis
73
Tabelle 7: Ergänzende Daten
74
Tabelle 8: Erstellte Themen und verwendete Datengrundlagen
75
Tabelle 9: Ausschlussflächen
77
Tabelle 10: Auswahlflächen
78
Tabelle 11: Überblick Stufe 1
79
Tabelle 12: Überblick Stufe 2
85
Tabelle 13: Begründung der Pufferzonen
86
Tabelle 14: Überblick Stufe 3
88
Tabelle 15: Überblick Stufe 4
91
Tabelle 16: Überblick Stufe 5
93
Tabelle 17: Überblick Stufe 6
95
Tabelle 18: Überblick Stufe 7
97
Tabelle 19: Überblick Geländebegehung
99
Tabelle 20: Überblick Ergebnisvergleich
102
Tabelle 21: Stärken und Schwächen eines GIS
107
Verzeichnis
der
Karten
X
VERZEICHNIS DER
K
ARTEN
Karte 1: Globalstrahlung Bundesrepublik Deutschland 1981 - 2000
mit ausgewählten Standorten von Photovoltaischen Freiflächenanlagen
68
Karte 2: Flächennutzung in der Gemeinde Kirchweidach
70
Karte 3: Positiv und Negativflächen nach Luftbildern
81
Karte 4: Positiv und Negativflächen nach Flächennutzungsplan
82
Karte 5: Positiv- und Negativflächen I
83
Karte 6: Pufferflächen
87
Karte 7: Flächen < 2 ha
89
Karte 8: Positiv- und Negativflächen II
90
Karte 9: Klassifizierung des Gemeindegebietes nach Nähe zu 20kVLeitungen
92
Karte 10: Klassifizierung des Gemeindegebietes nach Nähe zu Siedlungen
94
Karte 11: Eignungsklassifikation des Gemeindegebietes
96
Karte 12: Eignungsklassifikation der Positivflächen
98
Karte 13: Eignungsklassifikation nach Geländebegehung
101
Karte 14: Vergleich der Ergebnisse aus GISAnalyse und Geländebegehung
104
Verzeichnis
der
Abkürzungen
XI
VERZEICHNIS DER
A
BKÜRZUNGEN
a Jahr
Abs. Absatz
Art. Artikel
BauGB Baugesetzbuch
BauNVO Baunutzungsverodnung
BayBO Bayerische
Bauordnung
BayLplG Bayerisches
Landesplanungsgesetz
BMU
Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit
BMWA Bundesministerium
für Wirtschaft und Arbeit
BMWI Bundesministerium
für
Wirtschaft und Technologie
BNaSchG Bundesnaturschutzgesetz
BRD Bundesrepublik
Deutschland
bzgl. bezüglich
bzw. beziehungsweise
CO
2
Kohlendioxid
d. h.
das heißt
EEG ErneuerbaresEnergienGesetz
et al
und andere
evtl. eventuell
f. / ff.
und die folgende / folgenden
ggf. gegebenenfalls
GIS Geographisches
Informationssystem
ha Hektar
i. d. R.
in der Regel
k. A.
keine Angabe
Verzeichnis
der
Abkürzungen
XII
km² Quadratkilometer
LEP Landesentwicklungsprogramm
Lkr. Landkreis
m Meter
m² Quadratmeter
Mio. Millionen
m NN
Meter über Normalnull
Mrd. Milliarden
Nr. Nummer
o. g.
obengenannte
o. S.
ohne Seite
PFA Photovoltaische
Freiflächenanlage
S. Seite
sog.
sogenannte
STMI Bayerisches
Staatsministerium des Innern
STMLU
Bayerisches Staatsministerium für Landesentwicklung und
Umweltfragen
STMWVT Bayerisches
Staatsministerium
für Wirtschaft, Verkehr und Technologie
SUP Strategische
Umweltprüfung
t Tonne
u. a.
unter anderem
UVP Umweltverträglichkeitsprüfung
UVPG Umweltverträglichkeitsprüfungsgesetz
z. T.
zum Teil
v. a.
vor allem
Verzeichnis der Einheiten für Energie und Leistung und Umrechnungsfaktoren
XIII
V
ERZEICHNIS
D
ER
E
INHEITEN FÜR
E
NERGIE UND
L
EISTUNG
UND
U
MRECHNUNGSFAKTOREN
kWh Kilowattstunde
1 MWh
1 Megawattstunde
= 1.000 kWh
1 GWh
1 Gigawattstunde
= 1 Mio. kWh
1 TWh
1 Terawattstunde
= 1 Mrd. kWh
S
ONSTIGE
E
NERGIEEINHEITEN
J Joule
kV Kilovolt
W
p
Watt-Peak (ebenso kW
p
, MW
p
, GW
p
, TW
p
)
= Spitzenleistung.
Problemstellung und Zielsetzung der Arbeit
1
1 Problemstellung und Zielsetzung der Arbeit
1.1 Ausgangslage und Problemstellung
Mit der seit ca. 100 Jahren stark zunehmenden Verbrennung fossiler Brennstoffe und der
damit verbundenen Kohlendioxid (CO
2
)Freisetzung in die Atmosphäre ging bislang nach
gängiger Expertenmeinung ein weltweiter Temperaturanstieg von 1 Grad Celsius einher.
Diese Temperaturerhöhung steigert die Wahrscheinlichkeit, dass Wetterextreme wie z. B.
Sturmfluten, Dürre oder Starkregenereignisse häufiger und intensiver als bisher auftreten (vgl.
STMWVT 1999, S. 4).
Die internationale Politik reagierte zum ersten Mal 1992 in Rio mit der UN-
Klimarahmenkonvention auf diese Problematik, als sich die 154 unterzeichnenden Staaten zu
einer langfristigen Senkung der Treibgasemissionen verpflichteten. Im Rahmen der 3.
Klimarahmenkonvention in Japan 1997 wurde schließlich im sog. Kyoto-Protokoll festgelegt,
dass bis zum Jahr 2012 die 35 ratifizierenden Industrieländer ihre CO
2
-Emissionen insgesamt
um mindestens 5 % im Vergleich zum Referenzjahr 1990 verringern. Die Reduktionsvorgabe
für Deutschland wurde mit 21 % bis zum Jahr 2012 im Vergleich zum Jahr 1990 festgesetzt.
Dieses Ziel soll nach dem Willen der Bundesregierung v. a. durch den verstärkten Einsatz
erneuerbarer Energien erfüllt werden. Zusätzlich wurde durch die Atomgesetzesnovelle vom
April 2002 der Ausstieg aus der Kernenergie bis zum Jahre 2020 beschlossen, was eine
weitere Forcierung der Entwicklung und Förderung alternativer Energiequellen notwendig
macht. Eine Möglichkeit, diese Reduktionsvorgabe zu erreichen, ist die Erhöhung des Anteils
erneuerbarer Energien am gesamten Stromverbrauch. Erstes Etappenziel in diesem Sinne ist
die Steigerung des Anteils der erneuerbaren Energien auf 12,5 % im Jahr 2010 (zum
Vergleich: 6,25 % im Jahr 2000).
Die photovoltaische Stromerzeugung mittels Freiflächenanlagen stellt eine Möglichkeit der
alternativen Energiegewinnung dar und steht im Mittelpunkt dieser Arbeit.
Bei Photovoltaischen Freiflächenanlagen (PFAs) handelt es sich um ein relativ junges
Phänomen im Bereich der erneuerbaren Energien. Ein Großteil der Anlagen wurde in den
letzten 3 Jahren erbaut. Im Zuge der Änderung des Erneuerbaren-Energien-Gesetzes (EEG)
im Januar 2004 sind nun auch diese Freiflächenanlagen ausdrücklich in die Förderung
miteinbezogen worden, was zu einem enormen Bauboom seit Beginn dieses Jahres geführt
hat. Das bedeutet für die (Planungs-) Praxis, dass diese Anlagen nun nicht mehr als
Ausnahmefälle, sondern vielmehr als Normalfälle zu betrachten sind. Trotzdem sind die sie
Problemstellung und Zielsetzung der Arbeit
2
betreffenden Vorschriften und Regelungen noch wenig konkret und z. T. auch
widersprüchlich. Zudem besteht Informationsbedarf dahingehend, wie bereits existente
Regelungen (z. B. des Baugesetzbuches) auf PFAs anzuwenden sind.
Desweiteren sind die Auswirkungen von PFAs auf den sie umgebenden Raum zu
berücksichtigen, sei es in Bezug auf Natur und Landschaft oder im Hinblick auf die
städtebaulichen Folgen. Das Ausmaß der Umweltfolgen hängt wesentlich von der Wahl des
Standortes für die PFA ab, so dass der Ermittlung geeigneter Flächen zur Errichtung von
PFAs zentrale Bedeutung zukommt.
1.2 Zielsetzung
Der vorliegenden Untersuchung liegen folgende Fragestellungen zu Grunde, wobei die Punkte
4. und 5. die eigentlichen Schwerpunkte der Arbeit darstellen:
1.
Was sind die Vorteile- und Nachteile der Nutzung von erneuerbaren Energien im
Gegensatz zu konventionellen Energien?
2.
Welche Bedeutung hat die photovoltaische Stromerzeugung durch Freiflächenanlagen
innerhalb des Spektrums der erneuerbaren Energien?
3.
Welche Umweltauswirkungen üben Freiflächenanlagen aus?
4.
Wie sind Photovoltaische Freiflächenanlagen in planungsrechtliche und
energiewirtschaftliche Regelungen eingebunden?
5.
Wie können mit Hilfe von Geographischen Informationssystemen - geeignete
Standorte zur Errichtung von Photovoltaischen Freiflächenanlagen ermittelt
werden?
6.
Wie ist die Eignung von Geographischen Informationssystemen für solche Aufgaben
zu beurteilen?
Aufbauend auf den Fragestellungen 1. bis 3. erfolgt im ersten Schwerpunkt der Arbeit eine
Erörterung und Beurteilung der derzeit aktuellen (planungs-) rechtlichen
Rahmenbedingungen für Photovoltaische Freiflächenanlagen; ggf. werden
Verbesserungsvorschläge unterbreitet. Soweit vorhanden, werden die dazu existenten
Regelungen im Bundesland Bayern behandelt, ansonsten diejenigen des Bundes. Die
Bestimmungen des EEG sind dabei von besonderer Bedeutung, da diese nicht nur die
Vergütung für photovoltaisch erzeugten Strom festlegen, sondern auch Vorgaben liefern, auf
welchen Flächen förderungswürdige PFAs errichtet werden können. Die aus dieser
Problemstellung und Zielsetzung der Arbeit
3
Diskussion gewonnenen Kenntnisse finden z. T. weitere Verwendung im Rahmen des zweiten
Schwerpunktes.
Dieser berücksichtigt im Gegensatz dazu alle für die Errichtung einer PFA in Frage
kommenden Flächen, d. h. es wird also nicht zwischen förderungswürdigen und nicht
förderungswürdigen Flächen unterschieden. Vielmehr handelt es sich um eine (natur-)
räumliche Betrachtungsweise. Ziel ist die Entwicklung eines systematisierten und
allgemein anwendbaren Standortsuchverfahrens für PFAs mit Hilfe eines
rechnergestützten Geographischen Informationssystems (GIS), hier der Anwendung
ArcView 8, welches die Erfassung, Speicherung, Verwaltung, Analyse und Darstellung und
raumbezogener Daten ermöglicht. Dieses GIS-gestützte Standortsuchverfahren wird
exemplarisch anhand der Gemeinde Kirchweidach im Landkreis Altötting durchgeführt. Der
Entwicklung der Methodik wird dabei besondere Aufmerksamkeit geschenkt.
Eine abschließende Betrachtung geht auf die Eignung von GIS für diesee Fragestellungen ein.
Problemstellung und Zielsetzung der Arbeit
4
1.3 Aufbau der Arbeit
Abbildung 1: Aufbau der Arbeit
Quelle: Eigene Darstellung.
Nach einer einführenden Darstellung der Zielsetzung der vorliegenden Arbeit, folgt in Kapitel
2 die Gegenüberstellung von erneuerbaren Energien und konventionellen Energien in Bezug
auf Ressourcen- und Energieverfügbarkeit, Umweltauswirkungen sowie den Kosten. Der
daran anschließenden Darstellung der bisherigen Entwicklung der erneuerbaren Energien und
ihrer Akzeptanz bei der Bevölkerung folgt abschließend zu diesem Kapitel eine Betrachtung
über die Notwendigkeit des Ausbaus der erneuerbaren Energien und damit auch der
Photovoltaik. Kapitel 3 erläutert die physikalisch-technischen Grundlagen der Photovoltaik -
wie z. B. das solare Strahlungsangebot und den Stand der Technik. Die nächsten Kapitel 4
und 5 gehen sodann auf die Besonderheiten von PFAs ein. Vorab werden in Kapitel 4 deren
Auswirkungen auf die Umwelt erörtert und im Anschluss daran folgt mit dem Kapitel 5 der
erste Schwerpunkt der Arbeit, die energiewirtschaftlichen und planungsrechtlichen
Rahmenbedingungen für PFAs. Gegenstand von Kapitel 6 ist die modellhafte Entwicklung
Problemstellung und Zielsetzung der Arbeit
5
eines Standortsuchverfahren mit Hilfe eines GIS, das anhand von Ausschluss- und
Auswahlkriterien geeignete Flächen für die Errichtung von PFAs ermittelt. Die Prüfung der
Ergebnisse dieses Standortsuchverfahrens erfolgt durch eine Geländebegehung und deren
Resultate sowie die der GIS-Analyse werden einander gegenübergestellt und diskutiert. Eine
abschließende Einschätzung der Stärken und Schwächen eines GIS-Einsatzes erfolgt
schließlich in Kapitel 7.
1.4 Begriffsdefinitionen
Zunächst werden die für diese Untersuchung grundlegenden Begriffe erläutert:
Erneuerbare (regenerative) und konventionelle Energien
Zu den erneuerbaren Energie zählen jene Energiequellen, die nach menschlichen
Zeitmaßstäben unendlich lange zur Verfügung stehen, weil sie sich selbst erneuern. Sie
können in die Bereiche Sonnenenergie, Planetenenergie (Gravitation) und geothermische
Energie eingeteilt werden.
Im Gegensatz dazu stehen die konventionellen Energien. Dabei handelt es sich in erster Linie
um fossile Energieträger wie Kohle, Erdgas und Erdöl, die sich im Verlauf von Jahrmillionen
aus pflanzlichen Produkten gebildet haben. Auch die Kernenergie wird zu den
konventionellen Energien gerechnet (vgl. BMU 2002
1
, S. 111).
Photovoltaik
Photovoltaik ist die direkte Umwandlung von Sonnenstrahlung in elektrische
Energie mittels Solarzellen (vgl. BMU 2002
1
, S. 111).
Photovoltaik-Freiflächenanlage (PFA)
Recherchen in Printmedien und auch im Internet ergeben ein sehr inhomogenes Bild
bezüglich der exakten Begriffsbestimmung von Photovoltaikanlagen auf Freiflächen.
Solarpark, Solarkraftwerk, solares Großkraftwerk oder Photovoltaik-Freiflächenanlage sind
nur eine kleine Auswahl der verwendeten Begriffe. Letzterer beschreibt jedoch aus Sicht der
Autorin am exaktesten den Untersuchungsgegenstand, so dass im Folgenden von
Photovoltaik-Freiflächenanlage (PFA) gesprochen wird. Im Gegensatz zum Überbegriff
,,Solar", wird mit Photovoltaik eindeutig der Zweck der Anlage bestimmt, nämlich die
Stromerzeugung mittels Solarenergie (vgl. Abschnitt 3.2.2).
Problemstellung und Zielsetzung der Arbeit
6
Die Abgrenzung des Begriffes ,,Freifläche" folgt derjenigen des EEG, demnach alle
netzgekoppelten Photovoltaikanlagen, die nicht an Gebäuden angebracht sind, im
Umkehrschluss auf der freien Fläche errichtet worden sein müssen.
Die Fotos 1 und 2 im Anhang zeigen beispielhaft bereits bestehende PFAs.
Vergleich von konventionellen und erneuerbaren Energieträgern
7
2 Vergleich von konventionellen und erneuerbaren Energieträgern unter
besonderer Berücksichtigung der photovoltaischen Stromerzeugung
Die folgenden Abschnitte erläutern die Situation der derzeitigen Energieversorgung auf Basis
konventioneller Energien im Vergleich zu erneuerbaren Energien. Zu berücksichtigende
Vergleichskriterien sind Verfügbarkeit, Kosten, Umweltauswirkungen sowie die
gesellschaftliche Akzeptanz der jeweiligen Energieträger. Die photovoltaische
Stromerzeugung durch Freiflächenanlagen wird auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse aus
den Abschnitten 2.1 bis 2.5 abschließend eingehender diskutiert.
2.1 Verfügbarkeit und Reichweite
Unsere Energieversorgung basiert überwiegend auf fossilen Energieträgern wie z. B. Erdgas,
Erdöl oder Steinkohle. Diese decken nahezu 85 % des Energiebedarfes der BRD (vgl.
Diagramm 2).
Gravierendster Nachteil der fossilen Energien ist ihre Endlichkeit. Die weltweit wirtschaftlich
nutzbaren Lagerstätten von Erdöl, Erdgas und Kohle sind begrenzt. Strom wird schon in den
nächsten Jahren ein knappes und damit teureres Gut. Dafür sorgen neben den begrenzt
nutzbaren Lagerstätten weiter sinkende Überkapazitäten und der von der Bundesregierung
forcierte Ausstieg aus der Kernenergie. Auch diese wird als konventionelle Energiequelle
betrachtet, auch wenn sie nicht auf fossilen Energieträgern beruht (vgl. BMWA 2002, S. 30).
Diagramm 1 zeigt die statischen Reichweiten der konventionellen Energiereserven, d. h. die
Zeitdauer, nach der die Reserven bei ihrem jeweiligen momentanen Verbrauch erschöpft sein
werden. Die statische Reichweite ergibt sich aus dem Quotient der heutigen Reserven und der
aktuellen Jahresförderung und stellt somit eine Momentaufnahme eines sich dynamisch
entwickelnden Systems dar. Der Begriff Energiereserven umfasst jene Vorräte an fossilen
Energieträgern, die sicher verfügbar sind und mit heutiger Technik erschlossen werden
können (vgl. BMU 2002
1
, S. 8f.).
Vergleich von konventionellen und erneuerbaren Energieträgern
8
Diagramm 1: Statische Reichweite konventioneller Energiereserven
(sowie bei Erdöl der unkonventionellen Reserven)
62
64
198
207
43
42
0
50
100
150
200
250
Uran
Erdöl
Erdöl unkonv.
Erdgas
Braunkohle
Steinkohle
Energieträger
Reichweite in Jahren
Quelle: BMWA 2002, S. 29.
Eigene Darstellung.
Stein- und Braunkohle haben mit 207 bzw. 198 Jahren die größte, Uran mit 40 Jahren die
kürzeste Reichweite. Konventionelles Erdöl (fließfähiges Erdöl) wird nach diesem Szenario in
43 Jahren, unkonventionelles (nicht fließfähiges Erdöl wie z. B. Schweröle, Ölsand,
Ölschiefer) in 62 Jahren erschöpft sein.
Dabei hat gerade Erdöl die größte Bedeutung in der heutigen Energiewirtschaft: 35 % der
weltweiten Energieversorgung beruhen auf Öl. Diese Betrachtung lässt darüberhinaus den
,,mid depletion point", d. h. das weltweite Fördermaximum für Erdöl, außer Acht. Dieses
Fördermaximum wird in 15 bis 25 Jahren erwartet und hat deutliche Preissteigerungen beim
Rohöl zur Folge. Erdgas, das selbst in etwa 65 Jahren erschöpft sein sollte, kann diese
Energielücke nicht decken. Erschwerend kommt die ungleichmäßige Verteilung dieser zwei
wichtigsten Energieträger hinzu: Mehr als 70 % der Erdölreserven und über 65 % der
Erdgasreserven befinden sich innerhalb einer sog. strategischen Ellipse, die sich von Saudi-
Arabien im Süden über Irak und Iran bis in den Norden Russlands erstreckt. Die Sicherung
des Zuganges zu diesen Energieressourcen für die energieintensiven Industrieländer ist bereits
heute wesentlicher Bestandteil der Politik und trägt zur Vertiefung bestehender oder gar zur
Entstehung neuer politischer Konflikte bei (vgl. BMU 2002
1
, S. 8f.).
Bezieht man zusätzlich die Energieressourcen in die Betrachtungen mit ein (nachgewiesene
und vermutete Vorräte, deren Gewinnung derzeit aus technischen und/oder wirtschaftlichen
Vergleich von konventionellen und erneuerbaren Energieträgern
9
Gründen noch nicht möglich ist), so können sie die jeweiligen Vorräte zwar bis zu
verzehnfachen, deren Erschließung jedoch würde einen weitaus höheren Aufwand erfordern,
als dies heute bei der Förderung der Reserven erforderlich ist, was dann wiederum zu einer
deutlichen Preissteigerung für fossile Energien führen würde.
Im Gegensatz dazu ist Sonnenenergie in menschlichen Maßstäben gemessen
unerschöpflich; ihre Umwandlung in Wärme bzw. Elektrizität geschieht praktisch ohne
schädliche Nebeneffekte. Sie liefert uns jeden Tag 15.000mal mehr Energie als zur Zeit alle
sechs Milliarden Menschen auf der Erde verbrauchen können (vgl. THIERBACH 2004, S.
V2/16).
Der Energiewürfel in Abbildung 2 verdeutlicht nochmals bildlich, dass die jährliche
Sonneneinstrahlung den Energieverbrauch und sämtliche andere Energiereserven weit
übertrifft.
Abbildung 2: Energiewürfel
Quelle: QUASCHNING 2003, S.25.
Fossile Energien haben aber (noch) einen entscheidenden Vorteil gegenüber den erneuerbaren
Energien und damit auch gegenüber der Photovoltaik: Sie sind jederzeit verfügbar, d. h. die
Energie kann genau dann genutzt werden wenn sie gebraucht wird - wohingegen die
Stromerzeugung mittels Sonnenenergie aufgrund des stark schwankenden solaren Angebots
schwerer kalkulierbar ist.
Vergleich von konventionellen und erneuerbaren Energieträgern
10
Auch verhält sich in unseren Breiten die Stärke der solaren Strahlung konträr zu den
Spitzenlastzeiten, z. B. hoher Energieverbrauch im Winter kombiniert mit geringeren
Strahlungsintensitäten. Sonnenenergie ist also abhängig von schwer vorhersagbaren
meteorologischen Verhältnissen sowie von Tages- und Jahreszeiten. Letztendlich bedeutet
dies, dass konventionelle Kraftwerke auf Abruf bereit stehen müssen, um im Falle geringeren
Strahlungsangebotes (und damit geringeren Stromertrages) den weiter bestehenden
Energiebedarf decken zu können. Es wären also enorme Energiemengen bereitzuhalten, deren
Verbrauch sich nicht genau vorhersagen ließe (vgl. SIEMER 2003, S. 65).
Damit erneuerbare Energien eine reelle Alternative zu den herkömmlichen Energieträgern
darstellen können, muss also in erster Linie deren Verfügbarkeit sichergestellt werden. Dies
kann geschehen durch die Entwicklung ausreichender Energiespeicher, durch weltweiten
Energietransport oder auch durch eine Anpassung des Energiebedarfs an das Angebot (vgl.
QUASCHNING 2003, S. 23).
Bei der Diskussion um die Verfügbarkeit der Energie ist auch der räumliche Aspekt der
Energiegewinnung miteinzubeziehen, d. h. ob die jeweilige Energie zentral oder dezentral
gewonnen wird. Unser Energieversorgungssystem beruht auf einer zentralen Struktur. Die
Energie wird in Kraftwerken bereitgestellt und über Versorgungsnetze zu den Verbrauchern
transportiert. Die Blackouts in Kraftwerken in Nordamerika, England, Skandinavien oder
Italien im Jahr 2003 haben die Abhängigkeit unserer Gesellschaft von diesen zentralen
Strukturen aufgezeigt. Dezentrale Systeme, die zu virtuellen Kraftwerken gekoppelt werden,
oder autarke Stromversorgung mit Solarstrom-Inselanlagen, sind in diesem Zusammenhang
neu zu diskutierende Stromnetz-Konzepte. Erneuerbare Energien sind für diese neuen
Konzepte weit besser geeignet als die konventionellen Energieträger, denn sie können
dezentral gewonnen werden. Damit entfallen lange Transportwege, die damit verbundenen
Energieverluste sowie die mit den Transporten verbundenen Emissionen. Darüberhinaus hat
der Ausfall eines dezentralen Energieerzeugers wesentlich geringere Folgen als z. B. Ausfall
eines zentral angelegten fossilen oder atomaren Kraftwerkes (vgl. BREID 2000, S. 4).
Berücksichtigt werden muss in diesem Zusammenhang auch das Alter der bereits
bestehenden, herkömmlichen Kraftwerke, da ein Großteil der für die Stromerzeugung
erbauten Kraftwerke in Deutschland bereits über 20 Jahre alt ist und in nahester Zukunft
modernisiert werden muss. Zudem sollen im Zuge des von der Regierung beschlossenen
Atomausstieges bis zum Jahr 2020 Kernkraftwerke mit einer Leistung von insgesamt 22.000
MW stillgelegt werden. Hier bietet sich daher eine Chance, neue Strukturen zu schaffen, die
eine dauerhaft umweltgerechte und somit nachhaltige Stromversorgung gewährleisten (vgl.
THIERBACH 2004, S. V2/16).
Vergleich von konventionellen und erneuerbaren Energieträgern
11
Neben der diskutierten geringen Reichweite der konventionellen Energieträger werden die
durch sie hervorgerufenen Umweltschäden wohl ebenso oft zitiert, wenn es gilt, die
Nachteiligkeit dieser Energieträger darzulegen. Tatsächlich ist das markanteste
Charakteristikum der erneuerbaren Energien ihre weitgehende Umweltverträglichkeit.
Innerhalb des Spektrums der regenerativen Energien wiederum zeichnen sich
Photovoltaikanlagen durch ihre ausgesprochen umweltfreundliche Betriebsweise aus: Sie
funktionieren ohne bewegliche Teile und somit also geräuschlos. Darüberhinaus emittieren sie
keinerlei Schadstoffe.
2.2 Auswirkungen auf die Umwelt
Die am häufigsten und i. d. R. auch sehr kontrovers diskutierte Schädigung der Umwelt durch
die Nutzung konventioneller Energien ist die Freisetzung von klimaschädlichen Emissionen,
die in erster Linie durch die Verbrennung von Kohle, Erdöl und Erdgas hervorgerufen
werden. Vor allem CO
2
wird für die Entstehung des Treibhauseffektes und der damit
verbunden Temperaturerhöhung verantwortlich gemacht. CO
2
,
das bei der Verbrennung
fossiler Brennstoffe und bei der Nutzung von Biomasse entsteht, ist mit 61 % das
bedeutendste Treibhausgas (vgl. SCHÖNWIESE 1998, S. 32). Die aktuellen CO
2
Emissionen
belaufen sich derzeit auf 860 Mio. t/a in Deutschland und 90 Mio. t/a in Bayern (vgl.
STMWVT 2002, S. 8)
Im Vergleich zu konventionellen Energieträgern verursacht die alternative Energiegewinnung
deutlich weniger gravierende Umweltschäden. Durch die verstärkte Nutzung von
erneuerbaren Energien war 2003 eine Einsparung von rund 53 Mio. t an CO
2
möglich (vgl.
WWW.BMU.DE
, Stand 26.02.2004). Laut einer Studie des Bundesministeriums für Umwelt
(Stand 2004) könnten bis zum Jahre 2050 rund 65 % des Strombedarfes in Deutschland und
50 % des Wärmebedarfs aus erneuerbaren Energien gedeckt werden. Die
Kohlendioxidemissionen würden dann nur noch ein Viertel des Wertes des Jahres 2000
betragen (vgl. NICKEL 2004, S. 15).
Die massiven Eingriffe in die Landschaft durch Braunkohleabbau, die Folgen eines atomaren
Unfalles oder die durch havarierte Öltanker hervorgerufenen Ölkatastrophen sind weitere
Beispiele für die durch den Einsatz konventioneller Energien hervorgerufenen
Umweltschäden.
In diesem Zusammenhang muss aber auch berücksichtigt werden, dass die Energiegewinnung
durch alternative Energien ebenso Umweltrisiken birgt. Bei der Stromerzeugung durch z. B.
Wasserkraft und der damit verbundenen Veränderung des natürlichen Flußlaufes, können
Vergleich von konventionellen und erneuerbaren Energieträgern
12
erhebliche ökologische Schädigungen an Gewässern entstehen. Windkraftanlagen haben
aufgrund ihrer Höhe beträchtliche Auwirkungen auf das Landschaftsbild und können ihre
Umgebung durch Rotorgeräusche oder Schattenwurf beeinträchtigen. Die speziell in
Verbindung mit PFAs zu berücksichtigenden Umweltfolgen werden ausführlicher behandelt
und in Kapitel 4 diskutiert.
Sowohl die Verfügbarkeit und Reichweite, als auch die Umweltauswirkungen der jeweiligen
Energieträger sind jedoch selten die ausschlaggebenden Kriterien, wenn um den weiteren
Einsatz konventioneller bzw. um die Einführung regenerativer Energieträger diskutiert wird.
Der wohl am häufigsten herangezogene Vergleich ist der Kostenvergleich.
2.3 Kosten
Das wirtschaftliche Potential der erneuerbaren Energien und auch der Photovoltaik hängt
stark davon ab, inwieweit sie unter den aktuellen energiewirtschaftlichen und politischen
Bedingungen gegenüber anderen Energieträgern konkurrenzfähig sind. So ist Solarstrom im
Durchschnitt heute noch sechsmal teurer als konventionell erzeugter Strom (vgl. BMWI 2001,
S. 49).
Je nachdem, ob bei der Kostenrechnung eine Verzinsung des eingesetzten Kapitals über die
Laufzeit der Anlage berücksichtigt wird, ergeben sich Stromerzeugungskosten zwischen ca.
0,40
¼/kWh bis ca. 0,80 ¼/kWh mit der für andere Kraftwerksarten üblichen Verzinsung von
6 %. Die Stromerzeugungskosten bei einem konventionellen Kraftwerk hingegen betragen je
nach Kraftwerkstyp ca 0,05
¼/kWh bis 0,10 ¼/kWh (vgl. LAUTERBACH 2002, S. 22). Vom
betriebswirtschaftlichen Standpunkt aus betrachtet, ist photovoltaisch erzeugter Strom also
wesentlich teurer als jener aus konventionellen Kraftwerken.
Ein Vergleich der Kosten aus volkswirtschaftlicher Sicht jedoch erfordert auch die
Berücksichtigung der sog. externen Kosten. Darunter versteht man jene Kosten, die nicht oder
nur teilweise vom Kraftwerksbetreiber zu bezahlen und i. d. R. auch nicht im Strompreis
enthalten sind. Sie umfassen neben staatlichen Subventionen, staatlicher Unterstützung für
Forschung, Entwicklung und Entsorgung vor allem (Folge-) Kosten für Umwelt- und
Gesundheitsschäden, die durch die jeweiligen Kraftwerke verursacht werden (vgl. Abschnitt
2.2). Da die externen Kosten bei regenerativen Energien deutlich geringer ausfallen, kommt
es zu einer Verzerrung der tatsächlichen Kostensituation. Jedoch ist eine exakte
Quantifizierung dieser externen Kosten sehr schwierig, da die Zuordnung z. B. der
Umweltschäden zu den einzelnen Verursachern nur sehr schwer möglich ist oder
Zusammenhänge zwischen möglichem Verursacher und den Folgen noch nicht ausreichend
erforscht worden sind (vgl. QUASCHNING 2003, S. 241).
Vergleich von konventionellen und erneuerbaren Energieträgern
13
Eine Internalisierung dieser externen Kosten hätte einen wesentlich höheren Preis für
herkömmlichen Strom zur Folge und die Stromgestehungskosten erneuerbarer Energien bzw.
der Photovoltaik wären weitaus konkurrenzfähiger.
Freiflächenanlagen spielen bei der Senkung der Kosten für die photovoltaische
Stromerzeugung eine wichtige Rolle: Erst solche großen Photovoltaikanlagen können das
Marktvolumen schaffen, welches die Modulhersteller brauchen, um günstiger produzieren zu
können.
Für die nächsten Jahre ist ein Boom insgesamt für erneuerbare Energien als auch speziell für
die Photovoltaik zu erwarten, da die Betreiber eine möglichst hohe Einspeisevergütung
erreichen wollen. Diese wird durch das neue EEG geregelt und sinkt im Falle von
Freiflächenanlagen pro Jahr um 6,5 %, d. h. desto früher die Anlage gebaut wird, umso höher
ist die Vergütung (vgl. Abschnitt 5.2.1).
Ziel dieser Förderung ist es, die bislang langsame Entwicklung der erneuerbaren Energien im
Hinblick auf die Erfüllung des Kyoto-Protokolls und auf den bevorstehenden Atomausstieg zu
forcieren.
2.4 Entwicklung der erneuerbaren Energien und der photovoltaischen
Stromerzeugung in Deutschland
Nach dem Zweiten Weltkrieg bis hinein in die 70er-Jahre des letzten Jahrhunderts hat der
Energiebedarf in Deutschland stetig zugenommen. Erst mit den Ölkrisen 1973 und 1979/80
kam es zu einem deutlichen Rückgang der Zuwächse. Seither ist der Verbrauch relativ
konstant. Der Primärenergieverbrauch von 2001 lag mit rund 14.500 Petajoule (10
15
J)sogar
etwas unter dem Wert von 1973. Ein geringer Zuwachs in den alten Bundesländern wurde
dabei durch den Minderverbrauch aufgrund der Umstrukturierungsprozesse in den neuen
Bundesländern wieder ausgeglichen (vgl. KALTSCHMITT 2003, S. 8),
Die bereits erwähnten Ölkrisen in den 70er-Jahren und die Tschernobyl-Katastrophe 1986
lenkten das Augenmerk auf alternative Energiequellen. Durch Anstrengungen im
Forschungsbereich und aufgrund zahlreicher Förderprogramme konnten die Erträge und die
Zuverlässigkeit der alternativen Energiegewinnung deutlich gesteigert werden, so dass im
Bereich der erneuerbaren Energien heute zum Teil nahe an der Wirtschaftlichkeitsgrenze
gearbeitet wird. Im Jahr 2003 waren erneuerbare Energien mit 3,1 % am
Primärenergieverbrauch (insgesamt für die Versorgung einer Volkswirtschaft benötigte
Energiemenge) beteiligt und werden damit auch noch lange nicht Kohle, Öl und Kernenergie
ersetzen können (vgl. B
MW
i 2001, S. 48). Diese decken derzeit 85 % des Energiebedarfs in
Deutschland und sind damit nach wie vor die wichtigsten Energiequellen (vgl. Diagramm 2).
Vergleich von konventionellen und erneuerbaren Energieträgern
14
Erneuerbare Energien spielen also noch eine geringe Rolle in der Energieversorgung.
Allerdings ist ihre Entwicklung insgesamt positiv; ihr Anteil am Primärenergieverbrauch ist
von 2,9 % im Jahr 2002 auf rund 3,1 % in 2003 gestiegen (vgl. Diagramm 2).
Diagramm 2: Struktur des Primärenergieverbrauchs im Jahr 2003
Gesamt: 14.334 Petajoule
Erneuerbare
Energien
3,1 %
Sonstige
0,3 %
Mineralöle
36,4 %
Naturgas
22,5 %
Kernenergie
12,6 %
Stein- und
Braunkohle
25,1 %
Quelle: WWW.BMU.DE, Stand 26.02.2004.
Eigene Darstellung.
Etwas höher war der Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromversorgung. Rund 8 % der
insgesamt im Jahr 2003 erzeugten 560 Mrd. kWh wurden regenerativ erzeugt, wobei davon
die Photovoltaik lediglich 0,3 % ausmachte.
Vergleich von konventionellen und erneuerbaren Energieträgern
15
Diagramm 3: Stromerzeugung 2003 in Deutschland in Mrd. kWh
24
55
134
156
45
146
0
50
100
150
200
Sonstige
Ern. Energien
Erdgas
Steinkohle
Braunkohle
Kernenergie
En
erg
ieträg
e
r
Mrd. kWh
Quelle: JANZING 2004, S. 27.
Eigene Darstellung.
Auf dem Gebiet der erneuerbaren Energien nimmt Deutschland heute im internationalen
Vergleich eine Vorreiterrolle ein. Diese umfasst sowohl die Bedeutung der erneuerbaren
Energien in der politischen Diskussion, die technologische Leistungsfähigkeit der
Forschungsinstitute, als auch den Stand der technischen Umsetzung. Im Bereich der
Photovoltaik wird Deutschland in Bezug auf die installierte Photovoltaik-Leistung nur noch
von Japan übertroffen und zudem stellt Deutschland den größten Markt für Biodiesel weltweit
und für Sollarkollektoren in Europa dar (vgl. STAIß
2003, S. I-201).
Diese positive Entwicklung spiegelt sich auch in der öffentlichen Meinung wider, wie
folgendes Kapitel darlegt.
Wasserkraft
20,4
Wind
19,0
Biomasse/Müll 5,7
Sonne
0,3
Ende der Leseprobe aus 138 Seiten
- nach oben
Details
- Arbeit zitieren
- , 2004, Photovoltaische Freiflächenanlagen, Hamburg, Bedey Media GmbH, https://www.diplom.de/document/225387
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