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| Fachbeitrag | Mehr als nur Stromerzeuger: Mehrfachnutzung von Erneuerbare-Energien-Anlagen

© WestfalenWIND Strom GmbH
Dieses Carport schützt nicht nur vor Wind und Wetter, sondern erzeugt gleichzeitig Strom, der zum Aufladen der Elektroautos genutzt werden kann. © WestfalenWIND Strom GmbH

| Tomke Lisa Menger |

In Deutschland sind mittlerweile Millionen Erneuerbare-Energien-Anlagen installiert. Um jedoch eine vollständig erneuerbare Energieversorgung zu erreichen, muss über die nächsten Jahre noch mehr Leistung zugebaut werden. Dies erfordert Platz für die Installation neuer Anlagen. Doch gleichzeitig schränken Nutzungskonkurrenzen die Verfügbarkeit entsprechender Flächen ein. Andere Flächenkulissen finden bisher nur geringe Beachtung. Es ist daher von Vorteil, wenn verschiedene Nutzungen miteinander kombiniert werden können. In diesem Beitrag soll erläutert werden, welche Kombinationen von Energieerzeugung und anderen Nutzungen sich anbieten, welche rechtlichen Rahmenbedingungen beachtet werden müssen sowie Praxisbeispiele vorgestellt werden.

Ein starkes Beispiel für die Kombination verschiedener Nutzungen ist die klassische PV-Dachanlage. Die Grundfläche dient sowohl als Wohnfläche als auch zur Stromerzeugung. Das Dach erfüllt seine Schutzfunktionen und bietet gleichzeitig einen Untergrund für die Installation der PV-Anlagen. Gerade Photovoltaik-Anlagen lassen sich jedoch nicht nur auf Dächern, sondern auch auf anderen Konstruktionen installieren. Solarcarports beispielsweise spenden Schatten und Schutz für parkende Autos und erzeugen gleichzeitig Sonnenstrom. Doch auch weitere Technologien zur Erzeugung erneuerbarer Energien können mit anderen Nutzungen kombiniert werden. In einigen Fällen lassen sich so auch Synergien heben. Dagegen soll es in diesem Beitrag nicht um sogenannte Hybridkraftwerke gehen, die zum Beispiel Windenergie- und Photovoltaikanlagen miteinander kombinieren. Es sollen vor allem innovative Beispiele vorgestellt werden, die die Mehrfachnutzung der Flächen in verschiedenen Bereichen zeigen. Diese Sammlung hat jedoch nicht den Anspruch, vollständig zu sein. Gerade für PV gibt es sicher noch viele weitere Beispiele, denn die Module lassen sich mittlerweile sehr flexibel installieren.

Mehrfachnutzung als Lösung für das Flächenproblem?
In Szenarien zur Energiezukunft Deutschlands wird meist auch der Flächenbedarf bzw. das -potenzial der erneuerbaren Energien berechnet. Hat Deutschland genügend Raum, um sich vollständig mit erneuerbaren Energien versorgen zu können? Studien, unter anderem des WWF (2018) und der Agentur für Erneuerbare Energien (2015), kommen zwar zu einem positiven Ergebnis. Jedoch wird auch festgestellt, dass Flächen insbesondere für Windenergieanlagen und PV-Freiflächenanlagen durchaus begrenzt sind. Gerade wenn im Rahmen der Sektorenkopplung auch andere Bereiche elektrifiziert werden sollen, steigt der Strombedarf in Zukunft trotz Effizienzmaßnahmen. Der effektive Flächenbedarf kann reduziert werden, wenn verschiedene Nutzungen miteinander kombiniert werden. Dies geschieht zum einen bereits durch PV-Aufdachanlagen. Für die 100% Szenarien müsste am besten jedes Dach mit einer Solaranlage bestückt werden. Dieser Umsetzungsdruck kann ein wenig reduziert werden, wenn auch andere Konstruktionen – und die Kombination mit anderen erneuerbaren Energien – in den Blick genommen werden. Je mehr innovative Einsatzmöglichkeiten es gibt, desto höher die Chance, dass genügend Potenzial realisiert wird, um langfristig eine Vollversorgung mit erneuerbaren Energien zu gewährleisten.

Es handelt sich auch um eine Frage gesellschaftlicher Akzeptanz: Wie viel Fläche sind wir bereit, für die Energieversorgung bereitzustellen? Die Dezentralisierung der Energieinfrastruktur bietet zwar Vorteile wie eine Demokratisierung der Energieversorgung, benötigt jedoch auch mehr Fläche. Um den Flächenverbrauch möglichst gering zu halten, kann neben Effizienz- und Suffizienzanstrengungen auch die Kombination von Nutzungen zumindest eine Teillösung darstellen.

Das Fraunhofer ISE hat das technische Potenzial der sogenannten „integrierten Photovoltaik“, die in andere Strukturen integriert wird, berechnet und ist zu dem Ergebnis gekommen, dass 3.400 GWp Leistung durch die Integration von PV in Gebäudehüllen, Verkehrsflächen und Fahrzeuge sowie durch die Errichtung auf Flächen zur landwirtschaftlichen Produktion, versiegelten Siedlungsflächen und gefluteten Tagebauen installiert werden könnte. Selbst wenn nicht das gesamte technische Potenzial ausgereizt wird, könnte so ein Teil der laut Fraunhofer ISE bis zu 500 GWp im Rahmen der Energiewende benötigten Leistung umgesetzt werden.

Windenergieanlagen haben ein weitgehend konfliktfreies Verhältnis zu Landwirtschaft. Die Flächen um die Türme können weiterhin weitgehend problemlos bewirtschaftet werden. Da jedoch viele – Studien sprechen von 37.000 bis zu 65.000 – Anlagen benötigt werden, lohnt es sich auch hier über eine kluge Kombination mit anderen Nutzungen nachzudenken.

Auch für Wasserkraftanlagen lassen sich Beispiele finden, die über die bekannten Laufwasser- und Speicherkraftwerke hinausgehen. Zudem kann das Aufstauen von Fließgewässern nicht nur die Erzeugung von Strom sondern auch andere Nutzungen möglich machen.

Biogasanlagen lassen sich mit anderen Nutzungen dagegen eher eingeschränkt kombinieren, da es sich hauptsächlich um Betriebsgebäude handelt. Allerdings lässt sich die Biogasproduktion gut mit landwirtschaftlicher Tierhaltung verbinden. Der anfallende Wirtschaftsdünger (z. B. Gülle und Festmist) kann als Substrat zur Vergärung eingesetzt werden. Durch die räumliche Nähe von Tierhaltung und Biogasanlagen können die Transportwege kurz gehalten werden. Der Flächenbedarf für den Biomasseanbau kann zudem zum Beispiel mit Freizeitnutzungen kombiniert werden.

Planungs- und Förderrecht muss beachtet werden
Je nachdem welche Nutzungen kombiniert werden, gibt es einige rechtliche Aspekte zu beachten. Diese betreffen zum einen das Förderrecht nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG). Für die Förderung durch das EEG müssen die gesetzlichen Rahmenbedingungen erfüllt werden. Dies betrifft insbesondere Solaranlagen, die mit anderen Konstruktionen kombiniert werden. Hier stellt sich die Frage, ob es sich um PV-Anlagen an Gebäuden, auf Freiflächen oder auf sonstigen baulichen Anlagen laut EEG (§ 37 Abs. 1, § 48 EEG) handelt. Dies hat Auswirkungen auf die Vergütungshöhe. Diese ist im ersten Fall höher als für Freiflächenanlagen und die Installation auf sonstigen baulichen Anlagen. Ob eine Anlage als Gebäudeanlage eingestuft wird, hängt vor allem davon ab, ob der Hauptzweck in der Erzeugung von Strom oder in der Gebäudenutzung liegt. Wenn die PV-Anlage auf einem schon vorhandenen Gebäude errichtet wird, ist sie in der Regel eine Gebäudeanlage. Wenn die Konstruktion hauptsächlich für die PV-Anlage errichtet worden ist, ist sie als Freiflächenanlage einzustufen. In diesem Fall ist nach dem EEG ein entsprechender Bebauungsplan nötig.

Was das Baurecht angeht, so sind PV-Anlagen auf Gebäuden in der Regel genehmigungsfrei. Handelt es sich dagegen nicht um Gebäudeanlagen, ist meist eine Baugenehmigung notwendig. Generell sollte bei der Planung einer kombinierten Erneuerbare-Energien-Anlage möglichst frühzeitig Kontakt mit der Baugenehmigungsbehörde gesucht werden. So kann zum einen für die Erneuerbare-Energien-Anlage, aber auch für die kombinierte zweite Nutzung eine Baugenehmigung nötig sein.

Welche rechtlichen Aspekte bei einer Kombination von erneuerbaren Energien mit anderen Nutzungen beachtet werden müssen, ist einzelfallabhängig und sollte im Vorhinein mit den entsprechenden Stellen abgeklärt werden.

Von PV auf Parkplätzen und an Fenstern…
Die Möglichkeiten, erneuerbare Energien mit anderen Nutzungen zu kombinieren sind vielfältig, das zeigen auch die vielen Praxisfälle, wo dies schon heute umgesetzt wird.

Die oben erwähnten Solarcarports sind mittlerweile recht weit verbreitet. Hier werden die Solarmodule auf Carports montiert oder direkt als Dach eingesetzt und bieten so parkenden Autos Schutz vor Sonne und Verschmutzung. Solarcarports lassen sich sowohl für die private Einfahrt als auch für große Parkflächen realisieren. Zudem kann der Carport mit der Möglichkeit kombiniert werden, den Sonnenstrom zur Ladung eines E-Autos zu verwenden. Die Module werden entweder aufgeständert auf das Flachdach des Carports angebracht oder das Dach geneigt. Wie bei einer Dachanlage auf einem Haus ist auch hier die Ausrichtung der Module wichtig. Werden die Module direkt als Dachplatten verwendet, so müssen sie baulichen Vorschriften genügen. Hier bietet sich die Verwendung von Glas-Glas-Modulen mit Sicherheitsglas an. Generell sind die Bauauflagen für Carports jedoch einfacher als für Garagen. Daher ist eine solche Kombination relativ einfach umzusetzen. Auch für große Parkplätze bietet sich das Konzept an. Soll der Parkplatz sowieso zumindest teilweise überdacht werden, kann die Installation von PV-Modulen direkt mitgedacht werden. Firmen und Geschäfte können den Solarstrom zudem ihren Kunden und Mitarbeitern anbieten, was einen Imagegewinn bedeuten kann.

Auch Solar-Jalousien machen sich die Eigenschaft der Photovoltaik zu Nutze, Sonnenlicht zu absorbieren. Ihre Lamellen bestehen aus kleinen PV-Modulen. Bei Sonnenschein spenden sie zum einen Schatten für die Räume eines Gebäudes und produzieren zudem Strom. Sie richten sich zudem automatisch so aus, dass die Sonne in einem optimalen Winkel auf die kleinen Module scheint. Praktischer Zusatzeffekt: Sie isolieren zudem das Gebäude, indem sie eine Barriere zwischen der Außen- und Innentemperatur bilden.

Fenster und Glasscheiben bilden eine riesige Fläche, vor allem in Städten. Diese können nicht nur durch Solarjalousien energetisch genutzt werden, sondern auch selbst als Solarfenster einen Beitrag zum Strombedarf der Gebäude leisten. Um die Sonnenstrahlung, die auf die Fensterflächen trifft, energetisch zu nutzen, gibt es zwei Möglichkeiten: Auf dem Markt erhältliche Solarfenster bestehen aus zwei Scheiben, zwischen denen Querstreifen aus Acrylglas liegen. Diese Streifen sind am unteren Rand mit kleinen Solarzellen ausgestattet. Dadurch wird die Sicht zwar etwas eingeschränkt, aber sie übernehmen ebenfalls eine Isolierfunktion. Bei der zweiten Möglichkeit handelt es sich um transparente Solarzellen, die als Folie auf die Fenster aufgetragen werden. Es wird nur das für Menschen nicht sichtbare Lichtspektrum in elektrische Energie umgewandelt, sodass weiterhin Licht durch die Fenster fällt. Allerdings ist der Wirkungsgrad bisher so gering, dass sie noch nicht wirtschaftlich eingesetzt werden können. An dieser Möglichkeit wird daher weiter geforscht.

… bis hin zur Kombination mit landwirtschaftlicher Produktion
Eine große Konkurrenz herrscht zwischen PV-Freiflächenanlagen und der landwirtschaftlichen Nutzung dieser Flächen. Die sogenannte Agriphotovoltaik möchte beide Nutzungen vereinen. Dafür gibt es zwei Möglichkeiten. Derzeit werden PV-Module getestet, die so hoch aufgeständert sind, dass der Landwirt die Fläche darunter weiterhin bewirtschaften kann. Es zeichnet sich ab, dass es je nach Pflanzenart unterschiedliche Ernteeinbußen gibt, diese jedoch wirtschaftlich vertretbar sind. In Dürresommern könnten einige Feldfrüchte sogar bessere Erträge liefern, wenn sie durch die Module vor der größten Hitze geschützt werden. Eine zweite Möglichkeit besteht in der Verwendung von bifazialen Solarzäunen. Hier kann der Landwirt zwischen den vertikal montierten Modulreihen anbauen und ernten. Bisher werden diese Streifen vor allem für Grünfutter und Silage genutzt. Eine Aufstellung in Ost-West-Richtung sorgt dafür, dass gerade dann viel Solarstrom produziert wird, wenn es keine Erzeugungsspitze gibt.

Eine interessante Abwandlung der Agriphotovoltaik testet ein Landwirt in den Niederlanden. Statt der üblichen Folienbogentunnel setzt er leicht schräg montierte PV-Module ein, um die Himbeerpflanzen vor heftigem Niederschlag zu schützen.

Ebenfalls ungewöhnlich ist die Idee, einen Solarzaun für ein Hühnergehege einzusetzen, der den Tieren Schutz vor Greifvögeln bietet. Der 360 Meter lange Zaun wurde auf einem Österreichischen Bio-Hühnerbetrieb errichtet. Neben den ca. 50.000 kWh, die der Zaun pro Jahr für den Betrieb produzieren wird, sorgt er dafür, dass Raubvögel die Hühner im Schatten der Module nur schwer erkennen können. Die senkrecht montierten Module sind bifazial, fangen also von beiden Seiten Sonnenlicht ein.

Verkehrsflächen und ausgediente Deponien bieten Platz für PV-Anlagen
Deutschland hat ein ausgebautes Verkehrsnetz. Insbesondere Straßen belegen eine riesige Fläche. Auch hier gibt es die Möglichkeit, diese Flächen gleichzeitig zur Erzeugung regenerativer Energie, vor allem von Solarstrom, zu nutzen. Die naheliegende Idee, PV-Module in den Straßenbelag einzulassen, ist jedoch noch in der Entwicklungs- bzw. Pilotphase. Der Belag muss nicht nur sehr widerstandsfähig sein, er muss den Verkehrsteilnehmern auch bei verschiedenen Wetterlagen einen sicheren Untergrund bieten. Erste Pilotprojekte gibt es, unter anderem eine 15 Meter lange Solarstraße auf dem Gelände der ehemaligen Steinkohle Zeche Westerholt in Herten. Aus technischer Sicht einfacher ist dagegen die Installation von Photovoltaik auf Lärmschutzwänden an Straßen oder Schienenwegen. Hier kann die Erzeugung von Solarstrom mit dem Lärmschutz verbunden werden. Die Module können entweder nachträglich auf bestehende Lärmschutzwände montiert oder bei neuen Wänden direkt in die Konstruktionen integriert werden. In diesem Fall übernehmen die Module selbst einen Teil der Lärmschutzwirkung. Da Lärmschutzwände oft in der Nähe von Wohngebieten stehen, kann der Strom in vielen Fällen vor Ort verbraucht werden. In der Gemeinde Neuötting zum Beispiel wurde die in einer neuen Lärmschutzwand integrierte PV-Anlage von einer Genossenschaft errichtet. Den Strom verbraucht die nahegelegene Montessori-Schule, auf deren Grundstück unter anderem der Wechselrichter installiert wurde. Die Ausschreibung der Lärmschutzwände sowie die Abstimmung zwischen den verschiedenen beteiligten Akteuren können Hürden darstellen, jedoch lassen sich durch die Zusammenlegung der Errichtung von Lärmschutzwand und PV-Anlage durchaus Kosten sparen. Es kann sinnvoll sein, Investoren mit ins Boot zu holen, die Erfahrungen mit PV-Anlagen haben und die Installationskosten übernehmen können.

In anderen Bereichen gibt es weitere Flächen, die für die Stromerzeugung genutzt werden können. Stillgelegte Deponien bieten viel Fläche, die meist höchstens für Erholungszwecke genutzt werden. Die beiden ehemaligen Deponien Dörentrup und Hellsiek im Kreis Lippe zeigen, dass diese Flächen auch für die Erzeugung von Solarstrom genutzt werden können und sich damit sogar noch ein weiterer ökologischer Vorteil ergibt: Die Abdeckung, auf denen die PV-Module montiert sind, fangen das Regenwasser auf und vermeiden so, dass es als Sickerwasser aufwendig gereinigt werden muss.

Türme von Windenergieanlagen für Serverschränke oder Sendemasten nutzbar
Die Windenergie hält ebenfalls einige interessante Beispiele bereit. So wurde die Möglichkeit entwickelt, Serverschränke direkt in den Türmen von Windenergieanlagen zu installieren. In jeder Windenergieanlage können ca. vier IT-Sicherheitsschränke installiert werden. Dies bringt mehrere Vorteile: Die Betriebskosten sind niedriger, da der von den Windenergieanlagen erzeugte Strom direkt vor Ort verbraucht wird und daher günstiger an den Nutzer abgegeben werden kann. Da die Windenergieanlagen zudem sowieso mit Glasfaseranschlüssen ausgestattet sind, ist die schnelle Datenübertragung kein Problem. Der Zugang zu den Türmen ist gesichert. Daher ist auch die Zugangsüberwachung für das Rechenzentrum vorhanden. Die Kombination von Windenergie- und IT-Infrastruktur spart also sowohl die Netzübertragung des erzeugten Stroms ein als auch die Ressourcen für extra zu errichtende Gebäude für Rechenknoten und Datenspeicher.

Schon älter ist die Idee, Windenergieanlagen und Sendemasten zu kombinieren. Da beide von einer großen Höhe profitieren, ist dieser Gedanke naheliegend. Es besteht die Möglichkeit, Sendemasten, beispielsweise für Mobilfunk, an den Türmen der Windenergieanlagen anzubringen. Bei Mobilfunkmasten muss allerdings beachtet werden, dass diese nur einen begrenzten Radius abdecken können und daher relativ nah an der Bebauung stehen müssen. Umgekehrt gibt es auch die Möglichkeit, Mobilfunkmasten mit kleinen Windenergieanlagen auszurüsten, um sie mit Strom zu versorgen. Ein entsprechendes Pilotprojekt wurde in Mecklenburg-Vorpommern errichtet: Auf einem Mobilfunkmast wurden vier kleine Windturbinen aufgestellt, die einen Teil der Stromversorgung der Station übernehmen sollen.

Auch Wasserkraft kann flexibel eingesetzt werden
Ein Leuchtturm-Beispiel für die Kombination von Wasserkraft mit anderen Nutzungen befindet sich in Nordrhein-Westfalen, genauer an der Großen Dhünn-Talsperre. Hier wird Trinkwasser für das Umland entnommen. Der Entnahmeturm verfügt seit 2015 über einen sogenannten Thermorüssel. Vorher wurde das kalte Wasser aus der Tiefe der Talsperre per Grundablass in den Lauf der Dhünn gegeben und damit eine gerade im Sommer unnatürlich kalte Wassertemperatur erzeugt, die für viele Flussbewohner keine guten Lebensbedingungen bot. Der bewegliche Thermorüssel saugt nun wärmeres Oberflächenwasser an, um durch die Mischung mit dem Grundablass eine der Jahreszeit entsprechende Wassertemperatur in der Dhünn zu halten. Bei dem Einbau des Thermorüssels wurden auch zwei 280kW-Durchströmturbinen installiert, die die Fließenergie des Wassers in Strom umwandeln, bevor dieses auf den Grundablass trifft. Die Turbinen liefern etwa eine Million Kilowattstunden pro Jahr. Generell können Synergien durch das Aufstauen in Talsperren oder Wehren entstehen. Diese werden hauptsächlich für die Trink- und Brauchwasserspeicherung genutzt, können aber auch der Freizeitnutzung und dem Tourismus dienen. Wie bei der Großen Dhünntalsperre hat Wasserkraft hier oft eher eine untergeordnete Funktion. Es gibt zudem weitere Fälle, bei denen Wasserentnahme oder -durchleitung, vor allem für die Trinkwasserversorgung, mit der Erzeugung von Strom kombiniert werden. So kann beispielsweise auch das Gefälle in Trinkwasserleitungen energetisch genutzt werden.

Klassische mechanische Wassermühlen, die zum Beispiel zum Mahlen von Getreide, für die industrielle Produktion oder als Sägemühle eingesetzt werden bzw. wurden, können mit der Stromerzeugung gekoppelt werden. In der historischen Grewen Mühle in Meschede-Calle wird beispielsweise die Wasserkraftanlage zur Stromerzeugung genutzt, wenn sie gerade nicht zu Vorführzwecken mechanisch betrieben wird. Wasserkraft wurde außerdem häufig in größeren Fabriken eingesetzt. Heutzutage werden einige dieser Fabrikhallen zum Beispiel als Garagen, Lagerhallen oder durch Handwerksbetriebe genutzt, während die Wasserkraftanlage weiterhin Strom produziert, der vor Ort verbraucht oder ins öffentliche Netz eingespeist wird.

Mehrfachnutzung mit Vorteilen, allerdings oft Nischenlösungen
Die vielen Beispiele zeigen, dass die Erzeugung erneuerbarer Energien kreativ gedacht werden kann und sollte. Die Verbindung mit anderen Nutzungen bietet Vorteile wie die Flächeneinsparung, Ressourcenschonung durch die Einsparung von Baumaterialien und eine Entlastung des Stromnetzes durch den Stromverbrauch direkt vor Ort. Um die Energiewende erfolgreich umzusetzen und eine vollständig erneuerbare Energieversorgung zu erreichen, braucht es innovative Ideen und die Nutzung aller Potenziale. Jedoch muss natürlich stets das deutsche Planungs- und Förderrecht beachtet werden. Obwohl die Kombinationen unterschiedlicher Nutzungen oft nur Nischenlösungen sind, können sie dennoch dazu beitragen, verborgene Potenziale zu heben.

Kreative Lösungen können zudem dazu beitragen, dass erneuerbare Energien immer mehr Teil des täglichen Lebens werden. Dies trägt nicht nur zur Akzeptanz der Energiewende bei, sondern kann auch dazu führen, dass Architekten, Planer und Privatleute diese Technologien vermehrt mitdenken, wenn sie neue Projekte anstoßen. Hilfreich ist es, die Nutzungskombinationen publik zu machen. So können sich andere Vorhabenträger zu ähnlichen Projekten inspirieren lassen. Grundlage für gute Projekte sind dabei stets individuelle Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen.