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Beiträge

Synergien sinnvoll nutzen: Windenergie- und PV-Freiflächenanlagen auf einer Fläche

© Lowres
So könnte das geplante Vollhybridkraftwerk Haringvliet von Vattenfall aussehen. Fotomontage © Lowres

| Steffen Kawohl |

Dem Platzbedarf für den Ausbau der erneuerbaren Energien steht das Ziel entgegen, künftig in Deutschland weniger neue Flächen zu bebauen. Eine Lösung wäre daher, Windenergie und PV auf einer gemeinsamen Fläche zu nutzen. Obwohl das technisch bereits machbar ist, existieren solche Anlagen bisher nur vereinzelt. Welche Vorteile so eine Anlagenkombination für die Netzstabilität hat und welche Hürden dafür auf planerischer Seite bestehen, erklärt dieser Beitrag.

Unsere Gesellschaft beansprucht für Arbeit und Produktion, Wohnen und für ihre Mobilität fortwährend neue Flächen. Täglich werden hierzulande rund 58 Hektar als Siedlungs- und Verkehrsflächen neu ausgewiesen, was einer Fläche von ca. 82 Fußballfeldern entspricht. Die Bundesregierung hat sich zum Ziel gesetzt, diesen Flächenbedarf bis zum Jahr 2020 auf 30 Hektar pro Tag zu reduzieren und bis zum Jahr 2050 schließlich auf Netto-Null zu senken. Gleichzeitig möchte die Bundesregierung den Anteil erneuerbarer Energien am Bruttostromverbrauch bis zum Jahr 2050 auf mindestens 80 Prozent erhöhen, wofür in den kommenden Jahren weitere Windenergie- und Photovoltaikanlagen errichtet werden müssen. Um diese beiden Ziele miteinander in Einklang zu bringen, müssen Wege und Lösungen gefunden werden, die den Flächenbedarf der erneuerbaren Energien verringern.

Formen der gemeinsamen Flächennutzung
Es gibt bereits erste Projekte, die eine Fläche doppelt nutzen: Zur Erzeugung von Solarstrom und für einen weiteren Zweck. Bei der Agrophotovoltaik zum Beispiel stehen Photovoltaik-Freiflächenanlagen auf hohen Stelzen über einer Ackerfläche. PV-Anlagen erzeugen dort nicht nur Solarstrom, sondern verbessern durch die Verschattung der Anbaufläche auch das Bodenklima (wir berichteten). Außerdem werden PV-Freiflächenanlagen bereits auf Deponieflächen oder auf Baggerseen (wir berichteten) betrieben. Eine Fläche kann neben der Solarstromproduktion jedoch auch dazu verwendet werden, um gleichzeitig darauf Windstrom zu erzeugen. Flächen, die in ihrer Funktion und ihrem Erscheinungsbild durch die Energieerzeugung bereits verändert sind, werden so noch intensiver genutzt, während andere Flächen gänzlich unberührt bleiben können.

Wind und PV ergänzen sich
Die Kombination ist naheliegend, da sich diese beiden Technologien aus energetischer Sicht prinzipiell sehr gut ergänzen. Weht an einem Standort starker Wind, kann die Windenergieanlage viel Strom erzeugen, während bei einer solchen Wetterlage die Sonneneinstrahlung meist gering ist, sodass die Photovoltaikanlage zu diesem Zeitpunkt nur wenig Strom produziert. Bei umgekehrten Wetterbedingungen verhält es sich ähnlich: Scheint die Sonne stark, liefert die Photovoltaikanlage viel Strom, während dann in der Regel schwacher Wind weht und die Windenergieanlage nur wenig Strom erzeugt. Dass sich Windenergie und Photovoltaik prinzipiell gut ergänzen, sieht auch der Deutsche Wetterdienst (DWD) so. In einer im März 2018 veröffentlichten Studie untersuchte der DWD, wie oft die mittlere Energieproduktion aus Wind und Sonne unter zehn Prozent der Nennleistung blieb. Die Forscher berücksichtigten alle Ereignisse ab einer Dauer von zwei Tagen. Das Ergebnis: Würden ausschließlich Windkraftanlagen den Strombedarf abdecken, würde die mittlere Energieproduktion 13 Mal in einem Jahr unter zehn Prozent der Nennleistung bleiben. Bei einer Kombination von Windenergieanlagen mit Photovoltaik sinkt diese Zahl auf lediglich zwei Fälle bundesweit. „Im Durchschnitt ergänzen sich Wind und Sonne gut. Das stabilisiert die Stromproduktion aus erneuerbaren Energien“, resümiert Paul Becker vom DWD.

Technisch ist eine solche Kombination auf einer Fläche machbar: Windenergie- und Photovoltaikanlagen, die in unmittelbarer räumlicher Nähe betrieben werden, können einen gemeinsamen Netzanschlusspunkt nutzen. Dies senkt die Kosten für die Anlagenbetreiber, da für zwei Anlagen nur ein Netzanschlusspunkt geschaffen werden muss.

Beispiel: Haringvliet Hybridkraftwerk in Südholland
Ein Projekt, bei dem die Vorteile einer Kombination aus Wind- und Solarenergie auf einer Fläche genutzt werden sollen, entsteht gerade in den Niederlanden. Der Energiekonzern Vattenfall baut in der Provinz Südholland ein Vollhybridkraftwerk, das aus Windenergie- und PV-Freiflächenanlagen besteht. Das Kraftwerk Haringvliet besteht aus einem Windpark mit sechs Windenergieanlagen mit einer Gesamtleistung von 22 MW sowie einer 30 Hektar großen Photovoltaik-Freiflächenanlage mit einer Leistungskapazität von 38 MW. „Die sich gut ergänzenden Erzeugungsprofile von Wind und Solar verringern die Belastung des Stromnetzes gegenüber einer einzigen Erzeugungstechnologie“, erklärt Claus Wattendrup von Vattenfall. „Hybrid-Anlagen sorgen für weniger ausgeprägte Spitzen und wir sehen insgesamt weniger Zeiten ohne Erzeugung.“ Dies führe zu einer effizienteren Nutzung der Netzinfrastruktur und darüber hinaus würden sich die Kosten für den Netzanschluss im Vergleich zu sogenannten Stand-alone-Anlagen deutlich verringern. „Damit sinken die Kosten für erneuerbaren Strom und davon profitieren am Ende die Kunden“, so Wattendrup. Zusätzlich wird das Hybridkraftwerk mit einem 12 MW-Großspeicher kombiniert, der in zwölf handelsüblichen Seecontainern untergebracht ist. Vattenfall rechnet damit, das gesamte Kraftwerk in der zweiten Jahreshälfte 2020 in Betrieb nehmen zu können.

Obwohl alle technischen Komponenten dafür heute bereits vorhanden sind, und sich Windenergie- und PV-Anlagen auf der gleichen Fläche in vielen Regionen realisieren lassen, existieren solche Kombi-Anlagen weltweit bisher jedoch nur vereinzelt. Sieht man vom geplanten Haringvliet Hybridkraftwerk einmal ab, werden Windenergie und Solarenergie bis heute fast ausschließlich separat genutzt und durchaus sogar als Konkurrenz zueinander gesehen.

Gute Planung ist entscheidend
Die technische Kombination der beiden Technologien steigert die Komplexität solcher Konzepte. Etwaige Effizienzverluste, die bei der Solarstromerzeugung durch den Schattenwurf der Windenergieanlagen entstehen könnten, lassen sich schon durch eine ganzheitliche Anlagenplanung vermeiden. Auch das Risiko, die PV-Module durch Eiswurf von den Rotorblättern der Windenergieanlagen zu beschädigen, kann durch entsprechende technische Vorkehrungen an den Windenergieanlagen inzwischen weitgehend ausgeschlossen werden.

„Wir sammeln wichtige Erfahrungen, die wir auch hierzulande nutzen wollen“, so Wattendrup. Denn während Vattenfall in den Niederlanden gerade ein solches Hybridkraftwerk errichtet, gibt es in Deutschland noch kein derartiges Projekt. Das liegt auch an der Rechtslage, die eine Realisierung solcher Vorhaben vor einige Hürden stellt.

Unterschiedliche planerische Anforderungen an Wind und PV
Die Vorschriften des EEG sowie die Bedingungen des Genehmigungsverfahrens schaffen für Windenergie- und PV-Anlagen unterschiedliche Voraussetzungen und Verfahrenswege. Nach dem EEG müssen Windenergieanlagen an Land und PV-Freiflächenanlagen ab einer installierten Leistung von 750 kW an Ausschreibungen für eine finanzielle Förderung teilnehmen. Bei einem kombinierten Projekt aus Windenergie und PV müssen beide Technologien daher separat an der Ausschreibung teilnehmen und einen Zuschlag erhalten.

Hinzu kommt, dass Windenergieanlagen im Außenbereich einer Gemeinde privilegiert sind, während dies für PV-Freiflächenanlagen nicht gilt. Um PV-Freiflächenanlagen errichten zu dürfen, müssen ein Flächennutzungsplan sowie ein Bebauungsplan vorliegen, in dem ein Sondergebiet für Photovoltaik nach § 11 Abs. 2 BauNVO ausgewiesen wurde. Durch ein solches Sondergebiet im Bebauungsplan wird das entsprechende Baurecht geschaffen. Für bestimmte Flächen, wie zum Beispiel Deponien, kann alternativ auch ein Plangenehmigungs- oder Planfeststellungsverfahren durchgeführt werden. Bebauungspläne, die nach dem 1. September 2009 aufgestellt wurden, bringen darüber hinaus die Besonderheit mit sich, dass PV-Freiflächenanlagen nur auf bestimmten Flächen errichtet werden dürfen. Dies sind zum einen Flächen, die sich in einem Abstand von bis zu 110 Metern zu Autobahnen oder Schienenwegen befinden. Zum anderen geht es dabei um Flächen, die bereits versiegelt sind, Deponien und Konversions- bzw. Brachflächen aus wirtschaftlicher, verkehrlicher, wohnungsbaulicher oder militärischer Nutzung. Anders als bei vielen anderen Zulassungsverfahren haben Gemeinden die volle Entscheidungsfreiheit, ob und wie ein Bebauungsplan zur Realisierung einer PV-Freiflächenanlage aufgestellt werden soll. Der Projektierer hat gemäß § 1 Abs. 3 S. 2 BauGB keinen Rechtsanspruch darauf.

Bei Vattenfall ist man davon überzeugt, dass das niederländische Pilotprojekt auch hierzulande beispielgebend sein kann, um den Ausbau der erneuerbaren Energien zur Erreichung der deutschen Klimaziele technisch effizient zu gestalten. „Wir glauben, dass sich Skaleneffekte, über die wir in diesem Zusammenhang reden, sehr positiv auf die Wirtschaftlichkeit solcher Anlagen auswirken“, sagt Wattendrup. Würden sich große Solar-, Wind- und Hybridkraftwerke künftig ohne Förderung in Deutschland realisieren lassen, böte dies neue Perspektiven für die Nach- und Mehrfachnutzung knapper Flächen zur systemdienlichen Solar- und Windstromerzeugung.