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| Fachbeitrag | Synergien sinnvoll nutzen: Photovoltaikanlagen an Wasserkraftwerken

In Nordrhein-Westfalen gibt es 53 Talsperren. © EnergieAgentur.NRW

| Steffen Kawohl |

Erneuerbare-Energien-Anlagen zu errichten, erfordert Flächen. Eine wichtige Frage der Energiewende ist daher, wie erneuerbare Energien ausgebaut werden können, ohne gleichzeitig immer mehr Flächen zu beanspruchen. Dazu bedarf es innovativer Lösungen. Eine davon wäre, Photovoltaik- und Wasserkraftanlagen räumlich miteinander zu kombinieren. Vereinzelt kommt dies in Deutschland bereits zur Anwendung. Beide Technologien am selben Ort zu nutzen, birgt neben Vorteilen aber auch Herausforderungen.

Damit wir hierzulande unsere selbstgesteckten Klimaschutzziele einhalten können, müssen die erneuerbaren Energien künftig weiter ausgebaut werden. Zu den bereits bestehenden Anlagen sollten zusätzlich weitere Windparks und Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) errichtet sowie andere Formen der regenerativen Energieerzeugung an geeigneten Orten genutzt werden. Auch die Wasserkraft ist ein verlässlicher Teil dieser erneuerbaren Energieversorgung. An Flüssen und Seen in Deutschland erzeugen etwa 7.300 Wasserkraftanlagen jedes Jahr rund 20 Terawattstunden Strom. Das Zubaupotential im gesamten Land ist jedoch begrenzt. Während sich die Stromerzeugung aus Wind- und Solarenergie durch den Bau weiterer Anlagen erhöhen lässt, können bei der Wasserkraft im Wesentlichen nur noch bestehende Anlagen durch Repowering optimiert werden. Eine andere Möglichkeit wäre, die installierte Leistung regenerativer Energien an einzelnen Wasserkraftstandorten durch andere Erneuerbare-Energien-Technologien insgesamt zu erhöhen. So können bestehende Wasserkraftwerke um Photovoltaikanlagen ergänzt werden. Dieser Ansatz zielt nicht darauf ab, die Leistungskapazität der Wasserkraft zu erhöhen. Vielmehr steht hierbei der Gedanke im Vordergrund, den Flächenbedarf der erneuerbaren Energien zu optimieren. Werden Photovoltaikanlagen an der Staumauer oder auf dem Stausee einer Wasserkraftanlage platziert, werden Flächen beansprucht, die bereits durch die Energieerzeugung geprägt sind. In Nordrhein-Westfalen werden 448 Wasserkraftanlagen mit einer Gesamtleistung von rund 200 Megawatt betrieben. So werden jährlich etwa 550 Gigawattstunden Strom hergestellt, was rein rechnerisch ausreichen würde, um rund 170.000 Haushalte mit Strom zu versorgen.

LEE NRW sieht Potential
An 38 der landesweit insgesamt 53 Talsperren erzeugen Wasserkraftanlagen mit einer installierten Gesamtleistung von 93 Megawatt pro Jahr 208 Gigawattstunden Strom. Auf den Stauseen der Talsperren in NRW sieht der Landesverband für Erneuerbare Energien (LEE NRW) große Flächenpotentiale. „Allein die Fläche der Möhnetalsperre beträgt über 10 Quadratkilometer. Wenn hier nur ein Viertel der Wasserfläche für die Solarnutzung zur Verfügung gestellt würde, könnte mit einer einzigen Floating-PV-Anlage rund 300 Megawatt Peak Solarleistung installiert werden“, erklärt Philipp Hawlitzky vom LEE. Er verweist darauf, dass im Jahr 2019 in Nordrhein-Westfalen insgesamt nur 471 Megawatt an Solarleistung zugebaut wurde. Der LEE schätzt, dass landesweit jährlich aber etwa 1.160 Megawatt Photovoltaikleistung zugebaut werden müssen, damit NRW seinen Anteil für das im Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) formulierte Ziel beitragen kann, bis zum Jahr 2030 65 Prozent erneuerbarer Energien im Stromsektor zu erreichen. „Die vorhandenen Potentiale für solche Hybridkraftwerke sollten daher genutzt werden“, sagt Hawlitzky.

Räumliche Kombination Erneuerbarer-Energien gibt es bereits
Die Idee, Photovoltaikanlagen mit einer anderen Erneuerbare-Energien-Technologie zu kombinieren, ist nicht neu. In der Stadt Lichtenau im Kreis Paderborn nutzt ein Betreiber zum Beispiel die Kranstellflächen einer Windenergieanlage, um darauf Solarstrom zu erzeugen (wir berichteten). Auch in den Niederlanden werden bereits ein Windpark und PV-Freiflächenanlagen in unmittelbarer räumlicher Nähe zueinander betrieben (wir berichteten). Wird bereits vorhandene technische Infrastruktur genutzt, um außerdem Solarstrom zu erzeugen, führt das zu Synergien, die die Inanspruchnahme neuer Flächen senken, die Energieausbeute eines Standortes erhöhen und die Wirtschaftlichkeit von Solarstrom begünstigen.

Doppelnutzung bringt positive Effekte
Photovoltaik-Freiflächenanlagen konkurrieren häufig mit anderen Nutzungsformen um Flächen. Die Konkurrenz um landwirtschaftlich genutzte Flächen lässt sich durch Agri-Photovoltaikanlagen auflösen. Können PV-Anlagen im Umfeld von Wasserkraftanlagen betrieben werden, müssen keine neuen Standorte für die erneuerbaren Energien erschlossen werden. Eine solche Doppelnutzung könnte den Druck auf das knappe Gut Fläche verringern und damit dazu beitragen, dass weniger Flächen neu in Anspruch genommen werden. Ein sparsamerer Umgang mit Fläche entspricht außerdem dem langfristigen Ziel der Bundesregierung, den Flächenverbrauch bis zum Jahr 2050 auf Netto-Null zu senken.

„Auch beim Blick auf den Jahresverlauf ist die Kombination ideal“, sagt Hawlitzky. Denn im Sommer würden Photovoltaikmodule den meisten Strom erzeugen, während die Wasserkraft aufgrund der niedrigen Niederschläge geringere Erträge liefere. In den Wintermonaten werde hingegen wegen der höheren Pegelstände viel Wasserkraftstrom produziert und die PV-Anlagen seien nicht voll ausgelastet. Aber auch die Anlagen selbst profitieren von positiven Wechselwirkungen: „Durch das Wasser der Stauseen werden zudem die Solarzellen gekühlt, was den Wirkungsgrad steigert“, erklärt Hawlitzky. Positiv sei aus seiner Sicht auch, dass die Verzahnung der fluktuierenden Solarenergie mit der grundlastfähigen Wasserkraft zur Stabilität der Stromnetze beitrage. Ein weiterer Vorteil für die Photovoltaik liege darin, dass die Netzinfrastruktur aufgrund der vorhandenen Wasserkraftanlagen bereits da sei. So könnten Investitionskosten für den Netzanschluss der PV-Anlagen eingespart werden.

Herausforderungen für Floating-Solar
Einer räumlichen Kombination von Photovoltaik- und Wasserkraftanlagen stehen derzeit allerdings auch einige praktische Herausforderungen entgegen. Denn auf dem Wasser müssen PV-Module mit einer hohen Feuchtigkeit sowie einem erhöhten Algenwachstum zurechtkommen. Das macht Floating-Solar-Anlagen wartungsintensiver als PV-Anlagen auf dem Land und führt zu höheren Instandhaltungskosten. Die natürlichen und baulichen Gegebenheiten von Stauseen und Talsperren führen ebenfalls zu speziellen Anforderungen. Während es an Talsperren häufig an den erforderlichen Netzanschlüssen oder dem Kabelweg dorthin mangelt, ist bei Stauseen mit deutlichen Niveauunterschieden des Wasserstandes zu rechnen. Außerdem muss für jedes in Frage kommende Gewässer vorab geprüft werden, ob die schwimmende PV-Anlage verankert werden kann, ob die verbleibende Wasserfläche und Randabstände zum Ufer ausreichen würden und ob die Sogwirkungen von Wasserentnahmen eine Nutzung von Floating-Solar-Anlagen zulassen. Da viele Gewässer der Freizeitnutzung offen stehen, müssen die Anlagen auch gegen mögliche Übergriffe von außen geschützt werden.

Photovoltaik an Staumauern
Ob sich eine Staumauer für PV-Module eignet, hängt von ihrer Statik und davon ab, wie sie ausgerichtet ist. Damit die PV-Module möglichst viel Strom erzeugen können, sollte die Fläche der Staumauer nach Süden ausgerichtet sein. Ist sie hingegen nach Osten oder Westen ausgerichtet, liefern die Module zwar zur Mittagszeit weniger Strom, erzeugen dafür aber morgens eher und abends mehr als bei einer südlichen Ausrichtung.

Planerische Anforderungen
Die momentan geltenden rechtlichen Rahmenbedingungen erlauben fast ausschließlich, Photovoltaikanlagen auf künstlichen und erheblich veränderten Gewässern zu realisieren. Das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) schreibt vor, dass eine schwimmende PV-Anlage keine schädlichen Veränderungen am Gewässer hervorrufen darf. Zusätzlich muss das jeweilige Landeswasserrecht maßgeblich berücksichtigt werden. Um in Nordrhein-Westfalen eine Floating-Solar-Anlage zu errichten, ist deshalb eine Genehmigung nach § 36 WHG in Verbindung mit § 22 Landeswassergesetz NRW (LWG) erforderlich. Die untere Wasserbehörde erteilt eine Genehmigung nach § 22 Landeswassergesetz NRW, die eine Baugenehmigung gemäß § 61 Absatz 1 Nr. 1 Landesbauordnung (BauO NRW) 2018 mit einschließt. Über diese Anforderungen hinaus muss der Betreiber einer Floating-Solar-Anlage auch die Eigentumsverhältnisse sowie die Nutzungsrechte am Gewässer (z. B. Fischfangrechte) berücksichtigen.

Vereinzelte Projekte vereinen bereits PV und Wasserkraft
In Deutschland wird Photovoltaik vereinzelt schon an Wasserkraftwerken umgesetzt. Der Energiekonzern Vattenfall zum Beispiel setzt auf die Erzeugung von Solarstrom an bereits für die Wasserkraftnutzung erschlossenen Standorten. Im Zuge des Projektes „pv@hydro“ errichtet das Unternehmen an zwei Pumpspeicherkraftwerken Photovoltaikanlagen. Am Standort Markersbach im Erzgebirge werden rund 11.000 PV-Module mit einer Leistung von 4,3 Megawatt am Damm des Oberbeckens installiert. Dabei soll die PV-Anlage so platziert werden, dass sie von umliegenden Aussichtspunkten möglichst wenig gesehen werden kann. Außerdem sollen die Dachflächen des Pumpspeicherkraftwerks für Photovoltaik genutzt werden. Vattenfall geht davon aus, dass die dort jährlich erzeugte Strommenge ausreicht, um den Bedarf von bis zu 1.500 Durchschnittshaushalten in Deutschland zu decken. Im schleswig-holsteinischen Geesthacht sollen zusätzlich zur bereits am Pumpspeicherkraftwerk bestehenden Photovoltaikanlage Solarmodule mit einer Leistung von 2,4 Megawatt installiert werden. Insgesamt schafft der Energiekonzern mit dem Projekt an beiden Wasserkraftwerken mehr als 7 Megawatt neuer Photovoltaik-Leistung.

Auch wenn die räumliche Kombination der Photovoltaik und Wasserkraft derzeit mit verschiedenen Herausforderungen verbunden ist, kann sie mit ihren Vorteilen zu einer klimafreundlichen Energieversorgung beitragen. Es lohnt sich daher, diese Variante künftig auch beim weiteren Ausbau der Photovoltaik mitzudenken.