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Potenziale der Photovoltaik in der Stadt- und Regionalplanung

Unter Einbeziehung von Fallbeispielen in der Stadt Norderstedt

Diplomarbeit 2009 123 Seiten

Energiewissenschaften

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Energieversorgung
2.1. Globale Energiesicherheit
2.2. Nationale Energiesituation
2.3. Erneuerbare Energien in Deutschland und in der EU
2.4. Solarenergie

3. Grundlagen der Photovoltaik
3.1. Technik und Investitionskosten
3.1.1. Zelltypen
3.1.2. Lichteinstrahlung
3.1.3. Ökologische Nachhaltigkeit
3.1.4. Kosten und Rendite
3.2. Einsatzgebiete und Referenzflächen
3.2.1. Dachflächen
3.2.2. Fassaden
3.2.3. Freiflächen
3.2.4. Weitere Einsatzmöglichkeiten
3.3. Technisches Potenzial
3.4. Interaktionen im System der Stromversorgung
3.4.1. Dezentralität
3.4.2. Versorgungssicherheit
3.4.3. Stromgestehungskosten
3.4.4. Regelenergie
3.4.5. Netzparität von Solarstrom
3.4.6. Intelligente Energieinfrastrukturen
3.5. Rentabilität und volkswirtschaftliche Effekte

4. Photovoltaik und Solarthermie im Vergleich

5. Rechtliche Rahmenbedingungen für die Photovoltaik
5.1. Klimaschutzgesetze auf Länderebene
5.2. Erneuerbare-Energien-Gesetz
5.2.1. Diskussion um die Kosten des EEG
5.2.2. Dynamische Komponente des EEG
5.2.3. Eigenverbrauch von Solarstrom
5.2.4. Ende der EEG-Vergütung
5.3. Raumordnung
5.4. Landesbauordnungen
5.5. Bauleitplanung
5.5.1. Flächennutzungspläne
5.5.2. Bebauungspläne
5.6. Städtebauliche und privatrechliche Verträge
5.7. Kommunale Satzungen

6. Methoden und Instrumente zur Bestimmung von Potenzialflächen für die Solarenergie
6.1. Einfache und schnelle Bestimmungsmethode
6.2. Computergestütze solare Planung und Optimierung
6.3. Solare Rahmenpläne und Stadtraumtypen
6.4. Laserscannung von Geländeoberflächen
6.5. Zusammenfassung Methoden und Instrumente
6.5.1. Stadtraumtypen
6.5.2. Laserscannung von Geländeoberflächen

7. Priorisierung von Einsatzgebieten
7.1. Solares Potenzial
7.2. Wirtschaftlichkeit
7.3. Nutzung von Synergieeffekten
7.3.1. Konversionsflächen
7.3.2. Verkehrswege und Verkehrsbauwerke
7.3.3. Verschattungsanlagen

8. Handlungsfelder im mittelbaren und unmittelbaren Bezug zur Stadtplanung
8.1. Kommunales Engagement
8.1.1. Solardachkataster für öffentliche Flächen
8.1.2. Klimaschutz auf Landesebene
8.1.3. Leasing von Photovoltaikanlagen
8.1.4. Öffentlichkeitsarbeit
8.1.5. Verantwortung von Stadtwerken
8.2. Zivilgesellschaftliche Initiativen
8.3. Wohnungs- und Immobilienunternehmen
8.4. Investoren und Solarwirtschaft

9. Konkretisierung solarer Potenziale am Beispiel der Stadt Norderstedt
9.1. Methodik und Rahmenbedingungen
9.2. Potenziale exemplarischer Gebäudetypologien

10. Handlungsempfehlungen und Entwicklungschancen

11. Zusammenfassung und Ausblick

12. Verzeichnisse
12.1. Abkürzungsverzeichnis
12.2. Literatur- und Linkverzeichnis

13. Anhang

14. Ehrenwörtliche Erklärung

1. 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 (BMU; 01/09; S.6). 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 (ISI). 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 (HmbKliSchG).

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 (Hillmer). 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 (Waldermann; 03/08). 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 (Hillmer). 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?

2. Energieversorgung

Die Umstellung der Energieversorgung ist dringend notwendig. Um die umfangreichen Herausforderungen aufzeigen zu können, ist es zunächst erforderlich, die globale Situation zu beschreiben, so dass daraus die Rahmenbedingungen in Deutschland und die „Aufgaben“ der erneuerbaren Energien abgeleitet werden können. Im Anschluss können daraufhin die Potenziale der solaren Energieerzeugung im Allgemeinen und der Photovoltaik im Besonderen ausführlich erläutert werden.

2.1. Globale Energiesicherheit

Die weltweite Abhängigkeit von fossilen Primärenergieträgern ist ein wesentlicher Aspekt der Energieerzeugung . Dabei ist die Endlichkeit der fossilen „Kohlenwasserstoffe“, also Kohle, Öl und Gas längst absehbar. Den enormen Preissteigerungen ist es zu verdanken, dass in den vergangenen Jahren ein Umdenken statt gefunden hat.

So ist der Ausblick, den im Jahr 2006 Experten der EU aufgestellt haben, ein gutes Beispiel für das lange nicht erkannte Risiko von erheblichen Preisschwankungen: Erst für 2050 wurde ein Anstieg des Rohölpreises auf 110 US-Dollar pro Barrel prognostiziert (Bethge & Wüst; S.9). Die Preisentwicklung an den Rohstoffbörsen im Jahr 2008 war ein eindeutiges Alarmzeichen. Der Preis von annährend 150 US-Dollar hat weltweit erhebliche Auswirkungen auf die Volkswirtschaften gehabt.

Auch wenn Erdöl in Deutschland keine Bedeutung für die Elektrizitätsversorgung hat, nimmt dennoch die Kostenentwicklung für diesen Rohstoff einen erheblichen Einfluss auf die gesamte Energiewirtschaft und deren Kostenstrukturen. Schließlich führt die Möglichkeit der Substitution der Energieträger untereinander zu ähnlichen Nachfrage- und Preisentwicklungen. So ist die Bindung an den Ölpreis nach wie vor Bestandteil der langfristigen Lieferverträge für Erdgas (badenova). Ein weiterer Aspekt dieser kohärenten Entwicklungen sind die Prognosen für die Automobilwirtschaft. Somit wird hauptsächlich auf Grund der hohen Ölpreise der Anteil der Elektroautos in den nächsten Jahren stark zunehmen. Auf diese Weise wird eine direkte Substitution von Öl durch Strom möglich, was wiederum die Nachfrage nach Strom zusätzlich erhöhen wird.

Dementsprechend sind die Reserven der fossilen Primärenergieträger für die weltweite Energieversorgung von besonderem Interesse für die gesamte Energieversorgungssicherheit. Prognosen für deren Verfügbarkeit deuten auf rasche Veränderungen hin. Institutionen wie die Energy Watch Group, die Internationale Energieagentur (IEA) oder auch die Deutsche Bank Research gehen davon aus, dass die Erdölförderung ihr Maximum bereits überschritten hat: „Wir sollten das Öl verlassen, bevor es uns verlässt“, fordert Fatih Birol, Chefökonom der IEA den radikalen Wandel. Bis 2015 fehlen pro Tag bereits 12,5 Mio. Barrel Öl, was etwa 15 Prozent des Weltölbedarfs entspricht (SWW; 09/08; S.11).

Erdgas und Kohle sind auf Grund ihrer begrenzten Verfügbarkeit ebenso unsichere Energiequellen. Nach Angaben von BP (British Petroleum) verbleiben nur noch 62 Jahre bis die Erdgasreserven „komplett aufgebraucht sind“. Als Reserven werden die Ressourcen bezeichnet, die „mit gegebener Technik und bei geltenden Preisen als förderbar eingeschätzt werden“. Davon unabhängig sind die Erdgas-Ressourcen, die „alle Vorkommnisse von Erdgas bezeichnen, unabhängig davon, ob sie förderbar oder überhaupt entdeckt sind“ (bpb). Die sicheren Erdgasreserven, so nimmt auch der Gasversorger E.ON an, reichen nur bei einer konstanten Förderung bis in die 70er Jahre des 21. Jahrhunderts (E.ON). Die Internationale Gas Union (IGU) geht allerdings davon aus, dass sich bis 2020 der globale Erdgasbedarf mehr als verdoppeln wird. Auch hier ist also keine langfristige Versorgungssicherheit gegeben (Wetzel).

Ähnlich sieht es bei den Kohlereserven aus: nach Darstellung der Energy Watch Group, einem Zusammenschluss von Energieforschern und Wirtschaftsexperten, könnte das Fördermaximum schon im Jahr 2025 liegen. Die bisher noch kursierenden optimistischen Prognosen seien dagegen vielfach „veraltet“ und eine aktuelle transparente Datenerhebung daher „dringend notwendig“ (ngo).

Selbst die auf Uran angewiesene Kernkrafttechnologie kann keine langfristige Versorgungssicherheit aufweisen. Schließlich wird die Reichweite des Rohstoffs lediglich auf 34 Jahre geschätzt (BdE). Sollten deutlich höhere Preis für das Uran wirtschaftlich vertretbar werden, könnte die Reichweite der Vorräte auf knapp 50 Jahre gestreckt werden. Allerdings muss hierbei bedacht werden, dass in Folge des weltweit wachsenden Bedarfs bereits kurzfristig mit Engpässen in der Aufbereitung von Uran zu rechnen ist (Lübbert).

Kostenentwicklung Primärenergieträger (Index 1996 = 100)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(AEE; Primärenergieträger)

2.2. Nationale Energiesituation

Der größte Anteil an der Gesamtenergieversorgung wird in Deutschland durch überwiegend importierte Primärenergieträger geleistet. Daraus ergibt sich eine starke Abhängigkeit vom Weltmarkt und ein gewaltiger Kapitalabfluss. Die Aufwendungen für diese Ressourcen werden auf Grund der zu erwartenden Kostensteigerungen weiter zunehmen. Das energetische Handelsdefizit bedingt eine überwiegende Wertschöpfung im Ausland. Diese Rahmenbedingungen haben zu einer eingeschränkten Sicherheit der Energieversorgung geführt. Daher ist eine nachhaltige Versorgung anzustreben, die nicht durch die Endlichkeit von Ressourcen oder durch politische Einflüsse beeinträchtigt werden kann. Da die beschriebenen Umstände auf alle nicht erneuerbaren Energien zutreffen, müssen schnell erhebliche Anstrengungen für deren Substitution unternommen werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Scheer; 01/07; S.12)

Im Jahr 2005 mussten für Importe von Primärenergien rund 50 Milliarden Euro bezahlt werden (BSW; 07/06). Durch einen Umbau der Energieversorgung besteht die Chance, wesentliche Anteile dieser Finanzmittel in die nationale, regionale und lokale Wertschöpfung umzuleiten. Entsprechend gilt es dafür geeignete Maßnahmen zu finden. Nicht zu letzt ist auch eine schnelle Abkehr von den fossilen Energien notwendig, da der Kohlendioxid-Ausstoß in Deutschland erheblich reduziert werden muss.

Endenergieverbrauch in Deutschland 2000-2007

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(AEE; Energiemix 2007)

Die deutschen Stromversorger sind darauf angewiesen, einen hohen Anteil der benötigten Primärenergieträger zu importieren und dadurch abhängig von den Preisentwicklungen an den internationalen Rohstoffbörsen. Gerade in den letzen Jahren ist deutlich geworden, wie kritisch diese Abhängigkeit ist. Daneben entwickeln sich durch die Einführung von Emissionsrechten neue Kostenfaktoren und auch hier sind steigenden Kosten zu erwarten. Damit besteht die Gefahr, dass die Strompreise in den nächsten Jahren überdurchschnittlich steigen könnten. Und bislang haben die Stromversorgungsunternehmen die gestiegenen Brennstoff-, Finanzierungs- und Umweltkosten an die Kunden weitergeben.

Besonders schwierig scheint mittelfristig die Stromversorgung in den Sommermonaten zu sein, wenn auf Grund ungünstiger Windverhältnisse viele Windkraftanlagen ausfallen und zugleich konventionelle Kraftwerke wegen des eingeschränkten Zugangs zu Kühlwasser ihre Produktion drosseln, können kritische Engpässe entstehen. Da der höchste Energieertrag von Solarstromanlagen im Sommerhalbjahr und zur Mittagszeit erreicht wird, also zu Zeiten von hohem Strombedarf, kann Solarstrom eine wichtige Funktion für die Versorgungssicherheit einnehmen.

Anteil der erneuerbaren Energien am Bruttostromverbrauch im Jahr 2008

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(AEE; Bruttostromverbrauch 2008)

Die Entwicklung der Stromnachfrage ist von hoher Bedeutung für die Versorgungssicherheit. Die Deutsche Energie-Agentur (dena) hat in einem Gutachten von 2008 drei verschiedene Szenarien ermittelt. Demnach sind alle drei Richtungen „steigender Bedarf“, „Stagnation“, „sinkender Bedarf“, möglich. Es ist nun viel Engagement gefordert, um das Szenario „Energieprogramm Bundesregierung“ mit dem der Stromverbrauch bis zum Jahr 2020 um 0,5 Prozent jährlich reduziert werden könnte, zu erreichen (dena).

Die Tendenz zur weiteren Elektrifizierung von Verkehrsmitteln ist ein wichtiger Aspekt der Nachfrageentwicklung. Nach Einschätzung der Unternehmensberatung Roland Berger könnten E-Autos im Jahr 2020 bereits ein Viertel der Neuzulassungen in Europa ausmachen (Wirtschaftswoche; 27/08; S.54). Das Center of Automotive Research der Fachhochschule Gelsenkirchen geht in seiner Beschreibung der Entwicklung sogar noch weiter: „Bis zum Jahr 2025 werden alle in Europa verkauften PKW reine Elektroautos oder Hybridfahrzeuge sein“ (FAZ; 06/08). Außerdem werden auch immer mehr Fahrräder mit Elektroantrieb angeboten, so dass hier ebenfalls ein großes Marktwachstum prognostiziert wird. In den Niederlanden machten sogenannte Elektrobikes schon 2007 einen Marktanteil von 11 Prozent aus (Hillenbrand).

Weitere Gründe für einen steigenden Strombedarf sieht Hermann Scheer, Vorsitzender des Weltrates für erneuerbare Energien (WCRE), in dem vermehrten Einsatz von Wärmepumpen (Scheer; 01/07; S.10). Diese Technik wird zur Gebäudeklimatisierung verwendet und nutzt in der Regel die im Erdreich vorhandene Wärmeenergie. Der Betrieb von E-Autos und Wärmepumpen mit Solarenergie stellt einen Zusammenhang zur Photovoltaik her. Die damit verbundenen Vorteile werden in den folgenden Abschnitten erläutert.

Allerdings enthalten Energieprognosen Aspekte institutioneller Vorstellungen und Wünsche, dies lässt sich anhand der Aussagen von Verbänden und Wirtschaftsvertretern erkennen. Insbesondere der Ausstieg aus der Nutzung der Kernenergie führt zu unterschiedlichen Vorhersagen und damit verbundenen Forderungen. Wenn voraussichtlich 2021 das letzte deutsche Kernkraftwerk herunter gefahren wird, droht Deutschland ohne Kernenergie ein massiver Engpass in der Stromversorgung, so jedenfalls sehen es die großen Versorger E.on, RWE, Vattenfall und EnBW. Aber auch eine Studie der Deutschen Energie-Agentur kommt zu einem ähnlichen Ergebnis: Es müsste dann vermehrt Strom importiert werden. Der Bundesverband Erneuerbare Energien (BEE) sieht allerdings in dieser Argumentation lediglich das Interesse der Stromkonzerne an einer Verlängerung der Laufzeiten für die Atomkraftwerke und stellt jenen Aussagen die Potenziale der erneuerbaren Energien entgegen (Waldermann; 04/08). Denn nach einer Prognose des BEE kann im Jahr 2020 rund die Hälfte des deutschen Strombedarfs aus regenerativen Energien gedeckt werden (BEE). Diese Zuversicht beruht auf einem schnellen Ausbau der erneuerbaren Energien. Zuletzt ist die „Öko-Strom-Produktion“ um zehn Milliarden Kilowattstunden pro Jahr gewachsen. Diese Leistung entspricht der Produktion von ein bis zwei konventionellen Großkraftwerken (Waldermann; 04/08). Von Branchenexperten wird betont, dass auch 2020 die Stromversorgung zu jeder Zeit und bei jedem Wetter sichergestellt sei. Schließlich liege die sogenannte gesicherte Leistung um zehn Prozent über der Jahreshöchstlast und Schwankungen in der Versorgung können bereits heute durch rund zehn Gigawatt Speicherwasserkraftwerke ausgeglichen werden. Wasserspeicher können in Zeiten hoher Stromproduktion und geringer Nachfrage über Pumpen aufgefüllt und im Bedarfsfall kurzfristig für zusätzliche Stromproduktion genutzt werden. Hinzu kommen über neun Gigawatt Bioenergiekraftwerke, die einspringen können, wenn Wind und Sonne ausbleiben (BEE).

Anteil der erneuerbaren Energien am Bruttostromverbrauch im Jahr 2020

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(AEE; Bruttostromverbrauch 2020)

2.3. Erneuerbare Energien in Deutschland und in der EU

Im Rahmen der Zugehörigkeit zur Europäischen Union und des damit einhergehenden erweiterten Rechts- und Wirtschaftsraums ist es sinnvoll, die europäischen Bezüge in den Blick zunehmen. Die Situation der Stromversorgung und der möglichen Engpässe zeigt deutlich, dass ein Umbau der Erzeugungskapazitäten in Deutschland notwendig ist. Die Energiekonzerne stehen dabei vor der Problematik sehr langwieriger und komplexer Genehmigungsverfahren und langer Bauzeiten von Großkraftwerken. Die dezentralen Kraftwerke der erneuerbaren Energien können dagegen innerhalb weniger Monate – im Falle von Photovoltaikanlagen sogar innerhalb von wenigen Wochen oder Tagen – errichtet werden. Allerdings werden davon sehr viele gebraucht um die Leistung eines großen herkömmlichen Kraftwerks zu erreichen.

Für die nächsten Jahre und Jahrzehnte gibt es auf verschiedenen Ebenen diverse Prognosen für die Entwicklung der erneuerbaren Energieerzeugung für die wiederum verschiedenen Betrachtungsebenen der Energienachfrage, vom Gesamtprimärenergiebedarf bis zur detaillierten Aufsplittung für einzelne Bereiche einer Volkswirtschaft. Hier werden jedoch nur die wesentlichen Ziele benannt. Der von der EU für alle Mitgliedsstaaten angestrebte Anteil erneuerbarer Energien von 20 Prozent des Energieverbrauchs bis zum Jahr 2020 ist ehrgeizig. In Deutschland sollte dieses Ziel dennoch früher erreicht werden, liegt die jährliche Einführungskapazität hier doch bei einer Leistung von etwa 3000 Megawatt (MW). Allein aus der kontinuierlichen Fortsetzung dieses Ausbaus ergibt sich bis zum Jahr 2023 ein Anteil erneuerbarer Energien von 30 Prozent an der Stromerzeugung (Scheer; 01/07; S.6).

Deutschland gilt heute in der Folge von beispielhafter Gesetzgebung zur Förderung von erneuerbaren Energien sowohl innerhalb der EU als auch global, als ein Vorreiter des Umbaus der Energiewirtschaft. Das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) hat sich dabei „als wesentlich erfolgreicheres Instrument zur Minderung der klimaschädlichen Emissionen erwiesen als die Umsetzung des Kyoto-Protokolls in jedem einzelnen Land“ (Scheer; 01/07; S.4). Die besonderen Rahmenbedingungen haben dazu geführt, dass der Anteil erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung in Deutschland im Jahr 2008 bereits bei 15 Prozent lag. Den größten Anteil hat dabei die Windenergie mit 6,5 Prozent (2007: 6,4). Es folgen die Biomasse mit 3,7 (3,1) Prozent und die Wasserkraft mit 3,4 (3,5) Prozent. Die Photovoltaik konnte allerdings mit 0,7 (0,5) Prozent den größten Zuwachs im Vergleich zum Vorjahr verzeichnen (BDEW).

Die Chancen für die Wirtschaft, die sich mit den bevorstehenden Veränderungen ergeben, sind immens. Die bisher entstandenen Arbeitsplätze in der Umweltindustrie und vor allem der noch zu erwartende Zuwachs sind wichtige Argumente für die Nutzung erneuerbarer Energien. Die „Wirtschaftswoche“ sieht in den heutigen 170.000 Arbeitsplätzen im Bereich der erneuerbaren Energien in Deutschland ein Wachstumspotenzial von 500.000 bis zum Jahr 2020. Denn die weltweit führende deutsche Umweltindustrie hat in Folge der absehbaren Nachfrageentwicklung beste Exportchancen für die „grünen Technologien“. Mit einer Wachstumsrate von acht Prozent bis 2030 kann die Umwelttechnik sogar zu der Wachstumsindustrie des 21. Jahrhunderts werden (Wirtschaftswoche; 04/08; S.49 ff.). Das Beratungsunternehmen Roland Berger kalkuliert sogar mit 710.000 Arbeitsplätzen bis 2020 innerhalb der Erneuerbare-Energien-Branche. Damit würde dieser Bereich mehr Jobs stellen als die Automobilindustrie (SWW; 07/08; S.8).

2.4. Solarenergie

Die gesamte Energieeinstrahlung der Sonne liegt deutlich über dem weltweiten Bedarf. Berechnungen haben ergeben, dass die Strahlungsenergie 6500-mal größer ist als die heutige Nachfrage (Hullmann; S.66). Umgerechnet könnte daher lediglich ein Prozent der Fläche der Sahara bedeckt mit Solarzellen den weltweiten Bedarf an elektrischer Energie erzeugen (Quaschning; S.1). Daher ist nachvollziehbar, dass Experten der Solarenenergie zutrauen, den „Energiehunger“ der Menschheit stillen zu können. Es wird angenommen, dass die Solarenergie weltweit bis zum Ende des Jahrhunderts die wichtigste Energiequelle und damit der wichtigste Klimaschützer wird. Gestützt wird diese Prognose u. a. vom wissenschaftlichen Beirat der Bundesregierung „Globale Umweltveränderung“ (BSW; 06/08).

Weltweiter Energiemix bis 2100

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(BSW; Energiemix 2100)

In Mitteleuropa haben sich zwei unterschiedliche Technologien zur energetischen Umwandlung von Sonnenenergie etabliert. Beide nutzen die „erneuerbare“ – oder besser: die andauernde – Verfügbarkeit der Primärenergie. Die Basis beider Verfahren ist das Prinzip der direkten Nutzung von Strahlungsenergie. Die Photovoltaik ermöglicht die Umwandlung in elektrischen Strom. Bei der Solarthermie hingegen wird Sonnenenergie in Wärmeenergie transformiert.

Neben der Transformation von solarer Energie in elektrischen Strom ist es sinnvoll, das Sonnenlicht unmittelbar zu nutzen. Für den Prozess der solaren Optimierung von Städtebau und Architektur wird der Begriff „Solarisierung“ benutzt. Seit einigen Jahren entwickelt sich auf diesem Gebiet ein Bewusstsein für die vielfältigen Potenziale des solaren Bauens. Längst ist nicht nur die Frage nach einer angenehmen und natürlichen Belichtung von Gebäuden relevant. Denn durch die Einstrahlung von Sonnenlicht in das Innere von Gebäuden lassen sich erhebliche passivsolare Energiegewinne erzielen. So können Solarhäuser sogar eine positive Gesamtenergiebilanz aufweisen. Um die Lichteinstrahlung zu optimieren, ist daher bei der städtebaulichen Planung und der Aufstellung von Bebauungsplänen auf die Ausrichtung, Typologie und Bauweise von Gebäuden zu achten. Gefördert wird die Solarisierung durch Verglasungen in der Gebäudehülle, die Reduzierung der Verschattung durch Nachbarbebauung und Bäume sowie die Schaffung günstiger Voraussetzungen zur Solarenergienutzung durch Photovoltaik (Fisch; S.38). Solaranlagen sind sowohl abhängig von der Architektur und Gebäudetypologie als auch vom Städtebau. Das Zusammenspiel der Disziplinen – von der überörtlichen Raumplanung bis in die Details der Architektur – ist somit von umfassender Bedeutung für die Optimierung der Rahmenbedingungen für die Nutzung von Solarenergie.

3. Grundlagen der Photovoltaik

Auf Grund der vielfältigen Chancen, die die Solarenergie bietet, wird auch der Photovoltaik, die eine unter vielen Technologien der solaren Energiewandlung ist, eine große Zukunft vorausgesagt. Die weltweite und insbesondere die deutsche Solarindustrie entwickeln sich so schnell wie kaum eine andere Branche. Auch der Ausbau der Solarstromerzeugung vollzieht sich in Deutschland schneller als anderswo auf der Welt. Damit ist ein zunehmender Nutzungsdruck, der auf verwertbare Flächen wirkt verbunden. Ähnlich wie die Diskussionen um das stadtbildverändernde Dämmen des Gebäudebestandes, wird auch die Photovoltaik das Erscheinungsbild von urbanen Räumen verändern.

Ein erhöhter stadtplanerischer Handlungsbedarf ist erwachsen, so dass nun gilt, Einfluss auf diese Art der Flächeninanspruchnahme zu gewinnen und eine Sensibilisierung für die Belange des Stadtbildes zu fördern. Da jedoch die Art und Weise der Nutzung solarer Energie auch durch die Gesellschaft bestimmt werden muss, ist es notwendig, eine Diskussion über die Grenzen der Baukultur hinaus zu führen. Diese Arbeit kann, in der Konsequenz der Komplexität dieses Aspektes, jedoch nicht detailliert darauf eingehen.

3.1. Technik und Investitionskosten

Die Technik der Photovoltaik ermöglicht eine direkte Umwandlung von Licht in Strom. Die Basis eines Photovoltaiksystems bilden in Modulen verschaltete Photovoltaikzellen. So eine Zelle besteht aus einer negativ dotierten Siliziumschicht mit Elektronenüberschuss und einer positiv dotierten Schicht, die zu wenig Elektronen aufweist. Beide Schichten sind durch eine Grenzschicht voneinander getrennt. Das auf die Zellen treffende Sonnenlicht setzt Ladungen aus beiden Siliziumschichten frei. Die Trennung an der Grenzschicht erzeugt elektrische Spannung. Über eine Verbindung von einem oberen und einem unteren Pol wird der Stromkreis geschlossen und es fließt Gleichstrom. Zur Netzeinspeisung und ebenso zum Betrieb mit den üblichen technischen Geräten ist es notwendig, den Gleichstrom zu transformieren. Ein Wechselrichter übernimmt diese Aufgabe und erzeugt mit 230-Volt/50-Hz-Wechselstrom die hierzulande übliche Netzspannung. Über einen Stromzähler kann nun der Solarstrom in das öffentliche Netz eingespeist werden (Geist; S.9). Der Funktionsaufbau einer kompletten Photovoltaikanlage befindet sich im Anhang (a).

3.1.1. Zelltypen

Im Wesentlichen wird zwischen monokristallinen und multikristallinen bzw. polykristallinen Zellen unterschieden. Auf Grund der gleichmäßigen Kristallstruktur von monokristallinen Zellen hat diese Variante einen höheren Wirkungsgrad aber auch höhere Herstellungskosten als die Zellen mit einer polykristallinen Struktur. Weitere Varianten der Solarzellen basieren auf amorphem Silizium sowie auf einer Kombination anderer Materialien außerhalb der Siliziumtechnologie, welche aber nur eine geringe Verbreitung haben. Solarzellen auf Siliziumbasis haben einen Marktanteil von etwa 90 Prozent (Geist; S.9). Durch aufwendige technische Verfahren optimierte Zellen gehören zu den sogenannten Hochleistungszellen und sind dementsprechend teurer als Standardmodule. Eine Variante der Siliziumzellen ist die sogenannte Dünnschichttechnologie, diese hat in der Herstellung einen vergleichsweise niedrigen Energie- und Materialverbrauch. Jedoch ist der Wirkungsgrad niedriger als bei kristallinen Solarzellen (dgs). Bei bedeckter Witterung und diffusem Licht haben Dünnschichtzellen einen höheren Wirkungsgrad. Daher werden diese Zellen häufiger in Norddeutschland eingesetzt. Ebenso besteht ein Vorteil der Dünnschichttechnologie bei einer nicht optimalen Ausrichtung der Solarmodule, denn dann ist es möglich, dass in etwa so viel Strom wie bei kristallinen Zellen erzeugt wird (Energiesparhaus).

Dünnschichtsolarzellen die aus amorphem Silizium bestehen, eignen sich für transparente Foliendachkonstruktionen. Spezifische Vorteile wie beispielsweise monochrome Oberflächen, Semitransparenz oder auch höhere Empfindlichkeit für diffuse Strahlung bieten hingegen Solarzellen, die nicht auf kristallinem Silizium basieren. Mit farbigen Deckgläsern lässt sich die übliche blau-schwarze Optik von Solarzellen verändern (Rexroth; S.73).

3.1.2. Lichteinstrahlung

Das Sonnenlicht wird innerhalb der Atmosphäre gestreut, so dass auf der Erdoberfläche indirekte (diffuse) und direkte Strahlung auftreten. Als Globalstrahlung wird die Summe der Direktstrahlung und Diffusstrahlung bezeichnet. Des Weiteren ist der Anteil der Diffus- bzw. Direktstrahlung an der gesamten an einem bestimmten Punkt auftreffenden Globalstrahlung tages- und jahreszeitlichen Schwankungen unterworfen. In mitteleuropäischen Breiten übersteigt im Jahresdurchschnitt der diffuse Strahlungsanteil den direkten Anteil erheblich (Kaltschmitt; S.49 ff.).

Die Unterscheidung von direktem und indirektem Licht hat hohe Bedeutung für die Effizienz von Photovoltaikanlagen. Der Anteil der Sonnenenergie, die eine Solarzelle in elektrischen Strom umsetzen kann, ist der Wirkungsgrad und der ist abhängig von der verwendeten Technologie. Es ergeben sich folgende Werte der verschiedenen Arten von Solarzellen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(DGS)

Weiterhin wird der Wirkungsgrad durch die sogenannte „Performance Ratio“ beeinflusst. Diese beinhaltet alle auftretenden systemimmanenten Verluste mit folgenden Einflussgrößen: 6 Prozent Temperatureffekte, 3 Prozent Reflexion, 1 Prozent Ausfallszeiten sowie etwa 10 Prozent durch Kabel, Wechselrichter und Sonstige. Daher sind rund 20 Prozent Verlust bei Anlagen mit Netzeinspeisung einzurechnen. Anlagen, die nicht netzgekoppelt sind, haben eine „Performance Ratio“ von ca. 0,9, was 10 Prozent Verlust bedeutet (Rullán Lemke; 2009).

Solarzellen reagieren sehr sensibel auf Teilverschattungen, denn die „schwächste“ Solarzelle gibt die Stromstärke vor und bestimmt so die Gesamtleistung eines ganzen Moduls. Daher können selbst kleinste Schatten, wie der einer Antenne, zu erheblichen Leistungseinbußen führen. Die Eigenverschattung von aufgeständerten Modulen ist ebenso ein Problem. Demzufolge ist es notwendig, mit einer Verschattungsstudie eine optimale Anordnung der Module zu erreichen (Solarfoerderung). Die Leistung von Solarmodulen wird zumeist abgekürzt dargestellt, 100 kWp bedeuten, dass die Anlage unter Standardbedingungen eine elektrische Nennleistung von 100 Kilowatt hat. Das p steht dabei für peak (Spitze). Eine zehn Quadratmeter große Photovoltaikanlage leistet etwa ein kWp und erzeugt einen Energieertrag von 850 bis 1000 kWh pro Jahr (Brück; S.107).

3.1.3. Ökologische Nachhaltigkeit

Die ökologische und energetische Nachhaltigkeit einer Technologie zur Stromerzeugung bemisst sich auch in dem Verhältnis von Energieaufwand der Herstellung zu dem Zeitraum in dem die Energie durch Stromerzeugung zurück gewonnen werden kann. Solaranlagen brauchen dafür durchschnittlich drei Jahre. (BSW; 05/07). Die absehbaren Effizienzsteigerungen in der Herstellung, sollten dieses Verhältnis weiter verbessern.

Des Weiteren spielt die Lebenszeit der Anlagekomponenten eine Rolle. Jahrzehntelange Erfahrungen mit Solarzellen, der „Solarboom“ der letzten Jahre und die Weiterentwicklung der Technik zur notwendigen Spannungswandlung für die Netzeinspeisung, haben zu technisch optimierten Geräten geführt. Bisherige Erfahrungen haben ergeben, dass Solarzellen mehrere Jahrzehnte funktionieren können, jedoch nimmt mit der Zeit der Wirkungsgrad der Zellen ab. Angaben aus der Photovoltaikbranche zeigen die Beständigkeit der Technik auf. So gewährt die „BP Solar“, eines der weltweit größten Solarunternehmen, 25 Jahre Garantie auf eine Leistungsabgabe von 80 Prozent (BP). In der Regel gewähren die Solaranbieter eine Garantie für die Solarzellen über den Zeitraum eines üblichen Investitionszeitraums von 20 Jahren.

Im Gegensatz zur fossilen und atomaren Stromerzeugung, verfügt die Photovoltaik über eine weitreichende Ressourcensicherheit, denn Silizium ist nach Sauerstoff das häufigste chemische Element der Erdrinde. Da auf Silizium basierende Solarmodule keine giftigen Stoffe enthalten, können keine problematischen Abfälle entstehen. Und bei entsprechender Herstellungstechnik können Solarmodule mehrmals wiederverwertet werden. Dabei ist der Energieaufwand der Siliziumaufbereitung geringer als der zur Herstellung von neuem kristallinem Silizium (MC Solar). Es kann festgestellt werden, dass die Photovoltaik eine hohe ökologische Nachhaltigkeit besitzt.

3.1.4. Kosten und Rendite

Die Kosten für eine Photovoltaikanlage liegen zwischen 3000 und 4000 Euro je kWp Leistung (Havelland). Für 4000 Euro bekommt man aktuell (März 2009) eine komplette 1-kWp Anlage von Qualitätsherstellern inklusive Montage (BSW; 02/09). Jedoch gilt grundsätzlich, dass je kleiner eine Anlage ist, desto höher sind die relativen Investitionskosten je kW-Leistung. Daher gilt allgemein, dass sich Investitionen erst ab ca. zwei kWp rentieren (Havelland). Die durchschnittliche Betreiberrendite liegt bei sechs Prozent im Jahr, wobei sich nach rund 14 Jahren die Anschaffungskosten amortisiert haben. Zinsgünstige Darlehen der KfW-Bankengruppe und ökologisch orientierter Banken vereinfachen eine Investition in die solare Stromerzeugung (BSW; 02/09). Eine Investition in eine Photovoltaikanlage splittet sich in etwa folgend auf:

Kostenbestandteile einer 5 kWp Photovoltaikanlage

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Geist; S.17)

Ein wichtiges Argument für die Photovoltaik ist die geringe Aufwendung für die Pflege und Instandhaltung der Technik. Denn im Gegensatz zu den meisten anderen Techniken zur Erzeugung von elektrischer Energie, sind bei Solarzellen und der angeschlossenen technischen Peripherie keine mechanischen Werkteile verbaut. Es gibt daher keinen Verschleiß. Somit reduziert sich die Wartung auf die Reinigung der Solarmodule und die Kontrolle der technischen Systeme. In der Summe liegen die jährlichen Betriebskosten zwischen etwa 30 und 60 Euro je installiertem Kilowatt Leistung. Sie setzen sich zusammen aus den Wartungs- und Instandhaltungskosten und den sonstigen Aufwendungen, wie etwa Reparaturen, Modulreinigung, Zählermiete und Versicherung und sind von der Aufstellungsart und Größe der Anlagen abhängig (Kaltschmitt; S.261).

3.2. Einsatzgebiete und Referenzflächen

In diesem Abschnitt werden exemplarisch Referenzflächen und Nutzungsmöglichkeiten von Photovoltaikanlagen und deren „best-practice-Anwendungen“ dargestellt. Diese sollen mit bisherigen Ansprüchen und Zielvorstellungen der Stadt- und Raumplanung kongruent gehen bzw. Synergieeffekte ermöglichen. Doch kann auf Grund der immensen technischen Vielfalt hier nur ein Einblick in die wesentlichen Nutzungsmöglichkeiten gegeben werden.

Die Nutzung der Solarenergie unterliegt den individuellen Rahmenbedingungen des Standortes und diese unterscheiden sich auf vielfältige Weise. Nicht nur die geographische Lage, sondern auch die Klimazone und das Mikroklima beeinflussen die Summe der Strahlungsenergie. Tageszeitliche Schwankungen in der Atmosphäre verändern das Mikroklima und dieses beeinflusst die Strahlungsmenge oft noch stärker als die Sonnenposition. Daher hat jeder Standort ein eigenes Strahlungsprofil und die optimale Ausrichtung ist nicht pauschal der Süden (Rullán Lemke; 03/08; S.18). Die gängige Praxis der alleinigen Bestimmung per Ausrichtung ist also unzureichend. Eine allgemeine Ertragsprognose für eine Photovoltaikanlage lässt sich schnell und einfach mit Hilfe der standortbezogenen mittleren jährlichen Strahlungswerte ermitteln. Aus den Einstrahlungswerten ergeben sich durchschnittliche Ertragswerte. Des Weiteren lässt sich eine pauschalisierte Aussage auf den Ertrag einer Anlage durch deren Ausrichtung und die Neigung ableiten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Geist; S.19)

Dank jahrelanger Entwicklungsarbeit stehen heute vielfältige Varianten von Photovoltaikmodulen zur Verfügung. So ist es möglich, für fast jeden Einsatzzweck Lösungsmöglichkeiten anzubieten und annährend jede Fläche der Gebäudehülle zu nutzen. Grundsätzlich unterschieden werden netzgekoppelte Anlagen und „Inselsysteme“. Erstere speisen den Strom in das öffentliche Netz ein und letztere sorgen für eine netzunabhängige Stromversorgung.

Photovoltaikmodule stehen für ein funktionelles Novum in der Architektur, denn diese können Teil der Gebäudehülle sein und gleichzeitig der Stromgewinnung dienen. Eine hohe Anpassungsfähigkeit ist durch die modulare Skalierbarkeit gegeben, daher können Solarmodule den örtlichen Gegebenheiten optimal angepasst und auf jeder unverschatteten Fläche installiert werden. Gleichzeitig sind Photovoltaikmodule dem Absorptions- und Reflexionsverhalten von Dachflächen relativ ähnlich. Es sind daher keine Beeinträchtigungen des lokalen Klimas zu erwarten (Kaltschmitt; S.268).

Dennoch ist auffällig, dass kaum Photovoltaikanlagen als integraler Bestandteil von Gebäuden realisiert werden. Bisher liegt deren Anteil bei nur etwa fünf Prozent. Von einer Gebäudeintegration kann gesprochen werden, wenn Anlagenkomponenten neben der Stromerzeugung mindestens eine weitere Funktion erfüllen, wie z. B. Schutz vor Witterung, Sicht- oder Sonnenschutz (Röpcke; S.92 ff.). Ein Grund für die bisherige Zurückhaltung bei der Anwendung solcher integrativen Anlagen, liegt in dem 20 bis 25 Prozent höheren Kostenniveau (Wille). Dabei wäre es möglich, die Betriebskosten eines Gebäudes deutlich zu reduzieren, wenn nicht erst die Gebäudehülle gebaut und dann obenauf noch eine Lage Photovoltaik installiert wird. Vermutlich fehlt es oftmals an einer Betrachtung der gesamten Lebenszyklus-Kosten, welche „nicht nur die Baukosten sondern auch den Gebäudebetrieb über Jahrzehnte betrachten“. Investitionsentscheidungen werden zu sehr von niedrigeren Baukosten beeinflusst, energetische Themen kommen oftmals noch zu kurz (baulinks). Doch auch die Industrie ist gefordert durch Entwicklungsarbeit zu günstigeren Lösungen zu kommen.

Eine Weiterentwicklung der Architektur und der Ausprägung des Stadtbildes könnte mit einer integralen Nutzung der Photovoltaik einhergehen. Akteure in der Stadtplanung sind verantwortlich, die Integration zu fördern. Zu prüfen wäre, inwieweit in Ausschreibungen und Wettbewerben die Einbindung von Solarzellen in die Gebäudehülle eingefordert werden kann. Des Weiteren sollten durch Gesetzgebung weitere geeignete Instrumente entwickelt werden.

In Frankreich und Italien sehen die dortigen Einspeisegesetze für Solarstrom einen „deutlichen Bonus“ für gebäudeintegrierte Photovoltaik vor. In Italien wird beispielsweise die Vergütung über den Grad der Integration gestaffelt. Dabei gelten folgende Kategorien: voll integriert, teilweise integriert und nicht integriert (freistehend). Die höchste Einspeisevergütung erhalten Betreiber von voll integrierten Anlagen. Die Regelung zielt darauf ab, optisch ansprechende Anlagen an oder auf Gebäuden zu fördern (Röpcke; S.92 ff.).

Eine zeitnahe Novellierung des EEG sollte ebenfalls die Integration solartechnischer Anlagen in die Gebäudehülle honorieren und einen Vergütungsbonus vorsehen. Eine gestufte Vergütung könnte ein Aspekt einer Novellierung sein und die Akzeptanz für einen weiteren Ausbau von Solarstromanlagen fördern sowie die optische Beeinträchtigung des Stadtbildes reduzieren. In den Landesbauordnungen, wie auch in kommunalen Satzungen sollten ebenso mögliche Ergänzungen zu dieser Thematik geprüft werden. Insbesondere die Lösung der Implementation von Solarzellen in die Gebäudehülle des Immobilienbestandes ermöglicht die Errichtung von Millionen Kraftwerken ohne weitere Freiflächen in Anspruch zu nehmen. Dieses ist ein weiterer wichtiger ökologischer Vorteil der Technik, der es ermöglicht, hoch verdichtete Siedlungsstrukturen in ihrer „Flächeneffizienz“ zu optimieren.

Das Problem der hohen Flächeninanspruchnahme und der damit verbundenen fortschreitenden Zersiedlung der Landschaft und der erheblichen Eingriffe in Ökosysteme wird auch durch Entscheidungen für oder wider bestimmte Stromerzeugungstechnologien beeinflusst. Der enorme Flächenfraß des Kohletagebaus ist bekannt, aber auch die regenerativen Energien können Ökosysteme erheblich beeinflussen. Die für die Gewinnung von Biomasse notwendigen Anbauflächen, die oftmals nur monokulturell genutzt werden, stehen dafür als ein Beispiel. Folglich lässt sich die Photovoltaik auch gut mit dem Ziel der Reduzierung von Flächeninanspruchnahmen vereinbaren. Aspekte der flächenintensiven Installation von Photovoltaikanlagen auf Freiflächen werden in Kapitel 3.2.3. dargestellt.

3.2.1. Dachflächen

Dächer bieten sich insbesondere im baulich hoch verdichteten Deutschland als Installationsflächen für Photovoltaikanlagen an. Das sehr große Potenzial an geeigneten Gebäuden spricht für diese Form der Anwendung. Die Fläche der in Deutschland insgesamt verbauten Aufdach-Photovoltaik-Anlagen wird auf ca. 30 Quadratkilometer geschätzt. Zusammen mit den solarthermischen Anlagen werden bislang nur rund vier Prozent der insgesamt verfügbaren und für Solarinstallationen geeigneten Dachflächen genutzt (Schwab; S.20).

Klassischer Weise werden Photovoltaikmodule aufgeständert installiert, also nachträglich auf vorhandene Dachdeckungen gesetzt. Diese technisch einfache Lösung gewährleistet eine Hinterlüftung der Module und verhindert so deren effizienzmindernde Erwärmung. Da nicht jedes Dach für eine solche Konstruktion geeignet ist, gibt es technische Variationen. Dächer mit geringer Neigung oder komplizierte Dachlandschaften, wie auf Rundsheddächern, können beispielsweise mit Dünnschicht-Dachfolien eingedeckt werden. Die Dachintegration ermöglicht eine kostengünstige Installation (Everding; 2007; S.185). Eine architektonisch interessante Anwendungsmöglichkeit kann die Einbettung von Solarzellen in Glaselemente bieten. Wobei die Lichtdurchlässigkeit solcher Module je nach Bedarf geplant werden kann. Der Berliner Hauptbahnhof stellt ein Beispiel für diese Verwendung dar. Das Foto unten links zeigt ein Teil dieser Solaranlage. Daneben ein weiteres Beispiel zur Einbindung von Photovoltaik in die Gebäudehülle.

Beispiele dachintegrierter Photovoltaik

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Eigene Aufnahme) (dbu)

Auch bei Bestandsgebäuden kann die dachintegrierte Photovoltaik zum Zuge kommen: Bei dem Umbau einer S-Bahn Station in New York ist die Überdachung der historischen Stahlkonstruktion mit Glas und Dünnschicht-Solarmodulen ausgeführt worden. Damit dient das Dach sowohl dem Witterungsschutz und der Bahnsteigbeleuchtung als auch der Stromerzeugung (Rexroth; S.72 ff.). In einigen Situationen, wie z. B. bei der neuen Dachkonstruktion im Bremer Weserstadion können Dünnschicht-Folien-Module zugleich auch als Dachabdichtung dienen. Sportstadien sind im Normalfall prädestiniert für die Nutzung von Sonnenenergie, denn sie bieten große, ungenutzte Dach- und Fassadenflächen und haben oft unverschattete Standorte (Höche; S.60 ff.). Auch Sport- und Turnhallen haben oftmals diese Vorteile.

Die neuesten Entwicklungen versprechen den Ersatz herkömmlicher Dachziegel und Fassadeneindeckungen durch Modulträger, die selbst die Funktion der äußeren Gebäudehülle übernehmen und dazu eine optimale Kühlung der Solarzellen gewährleisten (Naturhaus-Solar). Auch durch die Einbettung von Solarzellen in Dachziegel kann eine dachintegrierte Installation umgesetzt werden. Diese Variante kann insbesondere bei Vorhaben sinnvoll sein, die eine Genehmigung der Denkmalschutzbehörde benötigen.

Dachziegel-Photovoltaikmodule

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Goretzki; S.86)

Im Rahmen der Aufstellung eines „Solaren Rahmenplans“ für Berlin ist empfohlen worden, alle Anträge zum Ausbau von Dachgeschossen mit der Inanspruchnahme einer Energieberatung zu verknüpfen (Everding; 10/07; S.42). Die Einrichtung einer verpflichtenden Beratungsdienstleistung sollte auch in anderen Städten und Gemeinden geprüft und gegebenenfalls geschaffen werden.

Doppelt wirkungsvoll kann der Einsatz von Photovoltaikmodulen in der Kombination mit einem Vordach sein, wie das folgende Bild zeigt.

Solarvordach

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(BFE; S.17)

Bei begrünten Dachflächen und einer zusätzlichen Installation von Photovoltaikmodulen ergeben sich Synergieeffekte. Wobei diese Kombination einen dauerhaften Begrünungserfolg sowie eine optimale Leistungsfähigkeit der Solarmodule gewährleisten muss. Ein unbedenkliches Nebeneinander von Pflanzenwachstum und Solartechnik wird durch Fachbetriebe bestätigt. Die Bedeutung von Gründächern kann hier nur umrissen werden:

- Gebäude mit Gründächern haben den Vorteil der ergänzenden Wärmedämmung und des zusätzlichen Schutzes der Dachabdichtung.
- Pflanzen und Tieren kann auch in hoch verdichteten Siedlungsräumen wertvoller Lebensraum angeboten werden.
- Die Begrünung hält Regenwasser zurück und entlastet so die Entsorgungsinfrastrukturen und Abwassergebühren können deutlich geringer ausfallen.
- Das lokale Kleinklima wird durch den Schadstoffabbau, den Ausgleich der Luftfeuchtigkeit und weitere Emissionsreduzierungen verbessert.

[...]

Details

Seiten
123
Erscheinungsform
Originalausgabe
Jahr
2009
ISBN (eBook)
9783836631365
Dateigröße
2.1 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v226905
Institution / Hochschule
HafenCity Universität Hamburg – Stadtplanung
Note
2,3
Schlagworte
photovoltaik solar energiesicherheit klimawandel erneuerbare energien

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Titel: Potenziale der Photovoltaik in der Stadt- und Regionalplanung