GIS-basierte Standortanalyse für Biogasanlagen am Beispiel der Vorderpfalz


Diplomarbeit, 2010

124 Seiten, Note: 1,3


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Danksagung

Zusammenfassung

1 Einleitung
1.1 Fragestellung und Zielsetzung
1.2 Aufbau und Gliederung

2 Energie aus Biomasse - Grundlagen der Biogaserzeugung
2.1 Vorteile der Biogaserzeugung und Anlagenbestand
2.2 Entstehung von Biogas
2.3 Geeignete Substrate
2.4 Biogasanlagen - Verfahren
2.4.1 Substrathandling und Biogasgewinnung
2.4.2 Biogas- und Gärrestverwertung

3 Rechtliche und wirtschaftliche Rahmenbedingungen
3.1 Standortrelevante Rechtsnormen für Biogasanlagen
3.1.1 Immissionsschutzrecht
3.1.2 Bauplanungsrechtliche Zulässigkeit
3.1.3 Wasserrecht
3.2 Standortrelevante Faktoren der Wirtschaftlichkeit

4 Material und Methoden
4.1 Geographische Informationssysteme
4.2 Daten
4.2.1 Darstellung von Geodaten im Vektor- und Rastermodell
4.2.2 Geobasisdaten und amtliche Datensysteme
4.3 Methoden
4.3.1 Multikriterienanalyse
4.3.2 Analytic Hierarchy Process 32

5 Der Untersuchungsraum Vorderpfalz
5.1 Abgrenzung
5.2 Relief und Klima
5.3 Landschaftsnutzung und Bevölkerung

6 Multikriterienanalyse
6.1 Kriterienfestlegung
6.1.1 Restriktive Standortfaktoren
6.1.2 Selektive Standortfaktoren
6.2 Ausschlusskarte
6.3 Faktorbezogene Eignungskarte
6.3.1 Benachteiligende selektive Standortfaktoren
6.3.2 Begünstigende selektive Standortfaktoren (Gunstfaktoren)
6.3.3 Faktorengewichtung mittels AHP
6.4 Gesamteignungskarte

7 Auswertung
7.1 Globale Standortanalyse
7.2 Zonale Standortanalyse am Beispiel der Landkreise
7.3 Beispielkalkulation für geeignete Flächen

8 Diskussion
8.1 Methodenkritik
8.2 Vergleich mit weiteren Studien
8.3 Möglichkeiten der Ergebnisfortführung

9 Fazit und Ausblick

Literaturverzeichnis

Rechtsquellenverzeichnis

Anhang

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Energiebereitstellung aus erneuerbaren Energien in Deutschland 2008

Abb. 2: Stromerzeugung aus Biomasse in Deutschland 2008

Abb. 3: Entwicklung des Biogasanlagenbestands in Deutschland von 1999-2010

Abb. 4: Verteilung der Biogasanlagen in Rheinland-Pfalz

Abb. 5: Verfahrensablauf zur Biogasgewinnung und -nutzung

Abb. 6: Verteilung nach Art der Genehmigung für Biogasanlagen

Abb. 7: Ebenenprinzip eines GIS

Abb. 8: Land Suitability Model (LSM) zur Berechnung der Gesamteignungskarte

Abb. 9: Beispielhafte Hierarchiestruktur im AHP mit vier Ebenen

Abb. 10: Regionen in Rheinland-Pfalz

Abb. 11: Abgrenzung des Untersuchungsraums

Abb. 12: Nord-Süd Höhenprofil des Untersuchungsraums

Abb. 13: West-Ost Höhenprofil des Untersuchungsraums

Abb. 14: Landschaftsnutzung im Untersuchungsraum

Abb. 15: Karte der restriktiven Standortfaktoren und Ausschlusskarte

Abb. 16: Benachteiligende selektive Standortfaktoren in der Vorderpfalz

Abb. 17: Räumliche Verteilung der Gunstfaktoren

Abb. 18: Euklidische Distanzen der sechs Gunstfaktoren (Maßstab: 1 : 670.000)

Abb. 19: Klassifizierungsverteilung der beiden Szenarien

Abb. 20: Klassifizierte Gesamteignungskarte zu Anlagenszenario 1

Abb. 21: Klassifizierte Gesamteignungskarte zu Anlagenszenario 2

Abb. 22: Schwerpunktkarte mit Übergewichtsgraden

Abb. 23: Karte der Szenarienübergewichte

Abb. 24: Flächenanteile der Eignungsgrade des Szenarios 1 je Landkreis

Abb. 25: Flächenanteile der Eignungsgrade des Szenarios 2 je Landkreis

Abb. 26: Beispielhafte Anlagenverteilung anhand geeigneter Übergewichte

Abb. 27: Plausibilitätsprüfung anhand analysierter Restriktionsflächen und bestehender Anlagen

Abb. 28: Darstellung der Eignungsflächen für Vor-Ort-Verstromung im ArcReader .

Abb. 29: Darstellung der Eignungsflächen für Gaseinspeisung in Google Earth

Abb. 30: Darstellung der Eignungsflächen für Vor-Ort-Verstromung als Web-GIS

Tabellenverzeichnis

Tab. 1: Baurechtliche Zulässigkeiten von Biogasanlagen im Geltungsbereich eines Bebauungsplans

Tab. 2: Substratkategorien und ihre ökonomische Transportentfernung

Tab. 3: Gegenüberstellung von Vektor- und Rastermodell

Tab. 4: 9-Punkte-Skala für den Paarvergleich im AHP

Tab. 5: Beispiel einer Eigenvektorberechnung mittels Näherungsverfahren

Tab. 6: Durchschnittlicher Konsistenzindex

Tab. 7: Klimakennwerte vier beispielhafter Klimastationen

Tab. 8: Wohnfläche und Bevölkerung des Untersuchungsraums im Landesvergleich

Tab. 9: Restriktive Standortfaktoren

Tab. 10: Hangneigung in der Vorderpfalz

Tab. 11: Selektive Standortfaktoren

Tab. 12: Gunstfaktoren

Tab. 13: Gewichtungsmatrix der Gunstfaktoren für Szenario 1

Tab. 14: Gewichtungsmatrix der Gunstfaktoren für Szenario 2

Tab. 15: Gewichtungsmatrix der nachteiligen selektiven Faktoren

Tab. 16: Lageparameter beider Szenarien vor und nach der Normierung

Tab. 17: Flächenanteile der Eignungsgrade je Szenario

Tab. 18: Potenziell und bestehende Biogasanlagen in der Vorderpfalz

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Danksagung

Sehr gerne möchte ich an dieser Stelle all denen danken, die mir diese Arbeit ermög- licht und die zu ihrem Gelingen beigetragen haben. Denn sie ist kein Produkt ver- zweifelter Themensuche nach Abschluss eines Studiums, sondern wurde von mir mit Freude aufgrund der mich interessierenden Thematik ausgewählt. Zunächst gilt mein Dank Dr. Matthias Trapp und Dipl.-Ing. Thorsten Pollatz, die mir von Beginn an ihr Vertrauen für die Umsetzung des Themas ausgesprochen haben und mir stets mit Rat und Tat zur Seite standen. Ganz besonders möchte ich Herrn Trapp erwähnen, der trotz ernster Erkrankung die Betreuung meiner Arbeit fortführen wollte.

Gleichermaßen bedanken möchte ich mich bei meinem Erstgutachter PD. Dr. Dirk Schäfer, der sich sofort von dem Thema begeistert zeigte und mit anregenden Diskussionen den Werdensprozess förderte.

Mein Dank gilt auch der RLP AgroScience besonders in Person von Prof. Dr. Roland Kubiak, der mir einen GIS-Arbeitsplatz zur Verfügung stellte. An dieser Stelle möchte ich mich auch beim Landesamt für Vermessung und Geobasisinformationen (LVermGeo) Rheinland-Pfalz bedanken, welches die Nutzung seiner Geodaten für solche Arbeiten unterstützt.

Daneben standen mir für konstruktive Kritiken, fachliche und nicht-fachliche Ratschläge zum einen die GIS-Truppe der RLP AgroScience mit Djamal, Gregor, Kai und Tanja sowie den „Stroffstromern“ um Heidi, Philipp, Sandra, Tobias und Zbigniew stets aufgeschlossen und nett zur Seite.

Natürlich sei auch allen Vorablesern für ihre „Einsatzbereitschaft“ gedankt.

Weitere große Beiträge für das Gelingen meiner Arbeit hatten meine Freunde, die mich während der gesamten Studienzeit durch zünftige Unternehmungen bei gesunder Laune hielten und stets - mal mehr, mal weniger freiwillig - meinen Berichten über den Arbeitsfortschritt lauschten: Heike, Heiko, Johanna, Jule, Christian K., Christian S., Max, Meike, Petra, Johannes, Tobias, Thomas und Vero.

Last but not least bedanke ich mich herzlichst bei meinen Eltern und Brüdern, die mir alleine durch ihre Geduld behilflich waren, und ganz besonders bei meiner großarti- gen Jessi.

Zusammenfassung

Die Nutzung von Biomasse zur Biogaserzeugung erfährt seit dem Beginn des 21. Jahrhunderts einen erheblichen Bedeutungsgewinn in Deutschland. In der vorliegenden Arbeit werden nach einer Abgrenzung der Biogaserzeugung im Rahmen des Themenkomplexes der erneuerbaren Energien aufgezeigt, wie mit Hilfe von Geographischen Informationssystemen (GIS) ein Beitrag zum Klimaschutz ge- leistet werden kann. Hierbei wird am Beispiel der Vorderpfalz eine Methode zur Standortanalyse von Biogasanlagen ausgearbeitet, um deren heterogene Standort- faktoren (ökologische, ökonomische und soziale) anhand einer Multikriterienanalyse dezidiert auszuwerten. Durch die Zusammenarbeit mit der RLP AgroScience kann dies auf der Basis von aktuellen standardisierten (Geo-)Daten erfolgen. Um den hervorragenden Verwertungsmöglichkeiten von Biogas gerecht zu werden, werden Standorteignungsgrade in der Vorderpfalz für die beiden bedeutendsten Nut- zungswege von Biogas, die Vor-Ort-Verstromung und die Gaseinspeisung in das öf- fentliche Erdgasnetz, berechnet.

Abschließend wird beispielhaft dargelegt, welche interaktiven und auch GIS- basierten Möglichkeiten zur adäquaten Ergebnisfortführung dieser Standortanalyse geeignet sind.

1 Einleitung

Vor dem Hintergrund knapper werdender Rohstoffe, der ökologischen Notwendigkeit und der Versorgungssicherheit ist die Suche nach alternativen Energiequellen im Rahmen der allgemeinen Klimadebatten von aktueller Bedeutung. Dies zeigt sich unter anderem anhand des sprachlichen Jahresrückblicks „Wort des Jahres“ der Ge- sellschaft für deutsche Sprache: Danach war „Klimakatastrophe“ das Wort des Jah- res 2007, und 2009 lag das Wort „Weltklimagipfel“ auf Rang 5 (vgl. GdfS 2010).

Da die Verfügbarkeit erneuerbarer Energiequellen nahezu unbegrenzt ist und aus ihnen Energie CO2-neutral produziert und damit ein Beitrag zur Nachhaltigkeit geleis- tet werden kann, nimmt deren Bedeutung besonders zur Senkung des Treibhausef- fekts kontinuierlich zu. Angeheizt durch die andauernde öffentliche Präsenz wurde und wird besonders die Politik zum Handeln aufgefordert, sodass heute mit dem Er- neuerbare-Energien-Gesetz (EEG) ein wichtiges Instrument des Klimaschutzes in Deutschland zur Verfügung steht (vgl. BMU 2009a: 31). Nun dient es vielerlei Staa- ten als Vorbild, weil die darin enthaltenen innovativen staatlichen Förderungen von erneuerbaren Energien sehr erfolgreich waren. Zusammen mit der Wind- und Solar- technik ist das EEG selbst zu einem Exportschlager geworden, wodurch die Vorrei- terrolle Deutschlands in Sachen erneuerbarer Energien untermauert wird (vgl. ebd.: 32).

Mit Hilfe des EEG konnten innerhalb Deutschlands bereits erhebliche Beiträge zum Klimaschutz geleistet werden: Im Jahr 2008 wurde durch den Einsatz erneuerbarer Energien der Ausstoß von rund 112 Mio. Tonnen CO2 verhindert, was 15% der jährlichen CO2-Emission Deutschlands entspricht. Dass die Bundesregierung auch weiterhin auf erneuerbare Energien setzt, zeigt sich anhand des ambitionierten Ziels bis zum Jahr 2050 den Anteil der erneuerbaren Energien an der gesamten Energieversorgung auf 50% heben zu wollen (vgl. BMU 2009a: 42 f.).

Neben dem erheblichen Beitrag zum Klimaschutz weisen erneuerbare Energien wei- tere positive Merkmale auf. Dazu zählt die sicherheitspolitische Bedeutung, da die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen sinkt und so Rohstoffkonflikte vermieden wer- den. Auch wirtschaftliche Nutzen gehen mit der Verwendung erneuerbarer Energien einher: Sie schützen vor Kostensteigerungen, die gerade bei knapper werdenden fossilen Ressourcen entstehen. Da erneuerbare Energien häufig heimische Energie- träger sind, wird zugleich die regionale Wertschöpfung gefördert und Arbeitsplätze gesichert. Dadurch können ebenfalls Ungunsträume von der Nutzung erneuerbarer Energien profitieren, wie beispielsweise der ländliche Raum (vgl. BMU 2009a: 18). Letztgenannter kommt weiterhin seiner ursprünglichen Versorgungsfunktion für städ- tische Räume nach, allerdings in verlagerter Form: Während zunächst die Produktion von Nahrungsmitteln im Mittelpunkt stand, gewinnt besonders die Funktion der Roh- stofferzeugung (v.a. Energiepflanzen) an Bedeutung (vgl. HENKEL 2004: 178). In die- sem Kontext wird in der Literatur vom Wandel des Landwirts zum Energiewirt ge- sprochen, der sich neben der Nahrungsmittelproduktion die Biomasseproduktion zur Energiegewinnung als zweites Standbein eröffnen kann (vgl. JÄGER et al. 2009: 166). Mit dem „Strategiepapier für die Entwicklung der ländlichen Räume“ verdeutlicht auch das Land Rheinland-Pfalz die Förderung der bedeutsamen Biomassenutzung, neben der Absicht an geeigneten Standorten auch Geothermie und Windkraftanla- gen zu fördern (vgl. MWVLW 2008: 32 f.).

Die Biomasse ist schon jetzt der bedeutendste erneuerbare Energieträger in Deutschland und „wird auch in absehbarer Zukunft der wichtigste […] bleiben“ (BMU 2008: 3). Ein enormer Vorteil der Energiegewinnung aus Biomasse ist die Möglich- keit sowohl Strom, Wärme als auch Kraftstoff CO2-neutral zu erzeugen, während bei- spielsweise Windräder oder Solarkollektoren ausschließlich Strom erzeugen können. Trotzdem steht die Biomassenutzung zur Gewinnung von Biokraftstoffen unter dem Slogan „Tank oder Teller“ in der Kritik: Unbestritten ist, dass einerseits durch den gezielten Anbau von nachwachsenden Rohstoffen (z.B. Palmölplantagen in Brasi- lien) wertvolle Natur wie z.B. Regenwald zerstört wurde, und andererseits auf beste- henden Agrarflächen eine unmittelbare Flächenkonkurrenz zur Nahrungsmittelpro- duktion besteht. Allerdings widerlegt eine aktuelle Studie des BMU jedoch den unmit- telbaren Zusammenhang zwischen der gestiegenen Anbaufläche nachwachsender Rohstoffe und gestiegenen Nahrungsmittelpreisen, sodass der Vorwurf der verstärk- ten Verarmung von Entwicklungsländern hinfällig ist (vgl. BMU 2009a: 116). Zudem tragen neue Zertifizierungssysteme für die nachhaltige Herstellung und Lieferung von Biomasse dazu bei, deren Umweltverträglichkeit zu fördern (vgl. BLE 2010: 13).

Um den Übergang von fossilen Energieträgern hin zu erneuerbaren zu schaffen, werden besonders hohe Erwartungen auf Erdgas als „Übergangsrohstoff“ gesetzt. Rund ein Fünftel der weltweit verbrauchten Endenergie stammt aus Erdgas. Es ist umweltfreundlicher als andere fossile Energieträger, weil es rußfrei verbrennt und weniger CO2 emittiert. In Deutschland hat sich der Bedarf an Erdgas in den letzten zwanzig Jahren um ein Drittel erhöht und deckt rund ein Viertel des Primärenergie- bedarfs. Doch nicht erst seit den russischen Gaslieferengpässen Anfang 2009 drängt die Frage nach Alternativen. Nach Einschätzung vieler Experten ist auch beim Erd- gas der Förderungspeak bereits erreicht (vgl. SELTMANN & ZITTEL 2009: 12 ff.).

Demzufolge ist die Verwertung von Biomasse zu Biogas im besonderen Interesse der Bundesregierung, weil CO2-neutral erzeugtes Bioerdgas importiertes Erdgas sub- stituieren kann. Dieser Nutzungspfad von Biomasse zeichnet sich besonders durch die überragende Eigenschaft der kontinuierlichen Produktion aller Sekundärenergie- träger in Form von Strom, Wärme und Kraftstoff aus. Daneben bietet die Biomasse- nutzung zur Biogaserzeugung weniger Angriffsfläche für die oben benannte Kritik: Sie ist nicht auf den Anbau nachwachsender Rohstoffe angewiesen, sondern kann auch Reststoffe der Landwirtschaft oder organische Abfälle der Agroindustrie nach- haltig verwerten.

1.1 Fragestellung und Zielsetzung

Um Biogas möglichst effizient und das Klima begünstigend produzieren zu können, stellt sich die Frage nach optimalen Produktionsbedingungen bzw. Standortvoraus- setzungen von Biogasanlagen. Die grundlegende Intention dieser Arbeit ist es, ge- nau dieser Fragestellung nachzugehen. Am Beispiel der Biomasseverwertung zu Biogas soll damit ein Beitrag zur Förderung erneuerbarer Energien geleistet werden. Als übergeordnetes Ziel soll am Beispiel der Region Vorderpfalz ein Instrument zur Standortanalyse für Biogasanlagen konzipiert und angewendet werden, um die Standortsuche zu vereinfachen und ökologische wie auch ökonomische Fehlplanun- gen auszuschließen. Gleichzeitig werden Standorte bestehender Biogasanlagen be- wertet, sodass auf Optimierungspotenziale aufmerksam gemacht wird.

Da für Biogasanlagen unterschiedlichste Standortfaktoren von Belang sind, dient eine Multikriterienanalyse als methodisches Grundgerüst. Letztendlich kommt die Methode einem Bewertungsverfahren bzw. einem Entscheidungsassistenten zur Standorteignung von Biogasanlagen gleich. Um dabei ein möglichst optimales Resultat zu erzielen, werden bestehende methodische Ansätze kritisch hinterfragt. So soll aus deren Mängeln gelernt werden.

Die Vorderpfalz wurde als Untersuchungsraum ausgewählt, da mit dem Rebentrester eine sehr interessante Biomasse verfügbar ist und sie hinsichtlich der Biogasnutzung kaum erschlossen ist (vgl. DLR Eifel 2008: 6 ff.). Dazu wird anhand des Analyseer- gebnisses eine Hochrechnung von CO2-Einsparpotenzialen angeführt, um die Frage nach dem Ausmaß des ökologischen Nutzens in der Vorderpfalz zu klären.

Bei einer Standortanalyse für Biogasanlagen wird die Verknüpfung und Verarbeitung zahlreicher Standortfaktoren notwendig. Um diese komplexe räumliche Abfrage für einen Untersuchungsraum mit der Größe der Vorderpfalz und mit der Vielzahl der benötigten Analyseschritte durchführen zu können, werden in der vorliegenden Arbeit die umfassenden räumlichen Analysefunktionen Geographischer Informationssyste- me (GIS) eingesetzt. Mit der Möglichkeit der Kombination unterschiedlicher Fachdis- ziplinen und Herangehensweisen ist GIS hier die zentrale Komponente. Eine Grenze von GIS gibt es dabei zu bedenken: Während alle Parameter mit Raumbezug einfach erfasst und verarbeitet werden können (z.B. Ackerflächen oder Straßen), ist dies vor allem für nicht zu verortende weiche Einflussfaktoren (z.B. soziale Indifferenzen zwi- schen Bauherr und Grundstücksbesitzer) nur schwer oder überhaupt nicht möglich. Dennoch eignen sich GIS gerade in Verbindung mit entscheidungsunterstützenden Systemen (DSS) für transparente und intersubjektiv nachvollziehbare Bewertungs- verfahren, weshalb sie ein breit eingesetztes Instrument der Planung darstellen (vgl. BLASCHKE & LANG 2007: 292).

Zuletzt wird in der vorliegenden Arbeit Wert darauf gelegt, die Ergebnisse auf ihre Fortführbarkeit zu prüfen. Auch hierzu stehen in GIS Werkzeuge mit umfassenden Möglichkeiten der Datenausgabe und -präsentation zur Verfügung: Der ArcReader ist eine freie Software, mit der digitale Karten in interaktiver Form weitergegeben werden können (vgl. ESRI o.J.). Die der vorliegenden Arbeit zugehörige Daten-CD enthält solche interaktiven Ergebnisdaten bzw. Karten. Damit wird die Standorteignung für Biogasanlagen in der Vorderpfalz für alle Interessenten verfügbar gemacht und kann beispielsweise potenziellen Investoren als Planungsgrundlage dienen. Darüber hinaus sind dynamische Web-GIS Applikationen denkbar.

1.2 Aufbau und Gliederung

Zuletzt wird in diesem einleitenden Teil der Arbeit deren Aufbau dargelegt. Daran wird mit Kapitel 2 bis 4 der Theorieteil angeschlossen, in dem in Kapitel 2 zunächst die Grundlagen der Biogasherstellung erörtert und aktuelle Entwicklungen der deut- schen Biogasbranche aufgezeigt werden. Da für die Errichtungen von Biogasanlan- gen zahlreiche rechtliche und wirtschaftliche Rahmenbedingungen zu beachten sind, wird deren Erläuterung im Kapitel 3 angeschlossen. Das Kapitel 4 stellt mit der Be- nennung und Begründung von angewandtem Material und angewandten Methoden den Abschluss des Theorieteils dar.

In Kapitel 5 wird der Untersuchungsraum vorgestellt und besonders hinsichtlich sei- nes Biomassepotenzials untersucht. Einerseits stellt dies ein Grundlagenkapitel dar, andererseits kommen dabei bereits GIS-Funktionen zur Anwendung. Deshalb wird es zwischen dem Theorieteil und dem Analyse- bzw. Hauptteil dieser Arbeit ange- führt.

Der umfangreichste Teil der Arbeit ist Kapitel 6, in dem zur Standorteignung für Bio- gasanlagen in der Vorderpfalz die Multikriterienanalyse als zugrunde gelegte Metho- de durchgeführt wird. Dies erfolgt anhand eines festgelegten Ablaufschemas, das zunächst die Festlegung der Kriterien vorsieht. Danach wird auf Basis von restrikti- ven Faktoren eine Ausschlusskarte bestimmt, bevor in einem nächsten Schritt die Berechnung von faktorbezogenen Eignungskarten angeschlossen wird. Abschlie- ßend erfolgt die Synthese der zuvor errechneten Karten zu einer Gesamteignungs- karte. Somit stellt die Gesamteignungskarte das Endergebnis der Multikriterienanaly- se dar, das in Kapitel 7 in zwei unterschiedlichen Raumbezugsebenen ausgewertet wird. Zudem erfolgt dort die Hochrechnung der Einsparpotenziale von CO2.

Um die in dieser Arbeit entwickelte Methode konstruktiv bewerten und Stärken und Optimierungspotenziale aufdecken zu können, wird in Kapitel 8 eine Diskussion bzw. kritische Auseinandersetzung mit den gewonnenen Ergebnissen und der Vergleich mit bestehenden Ansätzen anderer Autoren durchgeführt.

Letztendlich dient Kapitel 9 der Zusammenfassung der vorliegenden Arbeit, das mit einem Ausblick die gewonnenen Erkenntnisse abrundet.

2 Energie aus Biomasse - Grundlagen der Biogaserzeu- gung

In diesem Grundlagenkapitel wird zum einen die Bedeutung der Biogaserzeugung innerhalb der Möglichkeiten zur Energiegewinnung aus Biomasse herausgestellt. Zum anderen wird erläutert, wie Biogas entsteht und wie man dessen Gewinnung und Nutzung unter Berücksichtigung von wirtschaftlichen und rechtlichen Rahmenbedingungen bewerkstelligt.

Gerade nach den Klimaschutzdebatten der vergangenen Jahre sind die erneuerba- ren Energien als alternative Energiequellen in den Fokus des öffentlichen Interesses gerückt. Im Jahr 2008 wurde etwa die Hälfte der Energiebereitstellung aus erneuer- baren Energien durch Biomasse, bzw. rund 70% durch Bioenergie abgedeckt (vgl. Abb. 1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Energiebereitstellung aus erneuerbaren Energien in Deutschland 2008 Quelle: eigene Darstellung, nach BMU 2009b: 14

Mit allen anderen erneuerbaren Energien hat die energetische Biomasseverwertung (inklusive der Biogaserzeugung) ein Merkmal der Nachhaltigkeit, nämlich der annä- hernden CO2-Neutralität gemeinsam. Das bedeutet, dass bei dieser Energieprodukti- on in etwa soviel CO2 aufgewendet bzw. emittiert wird, wie vorher beim Wachstum der Biomasse der Atmosphäre entzogen wurde. Mit einer zeitnahen Nutzung der Biomasse wird so ein wesentlicher und sofortiger Beitrag zum Klimaschutz geleistet, da nicht wie bei der energetischen Verwertung von fossilen Energieträgern wie Braunkohle oder Erdgas zusätzliches klimawirksames CO2 frei wird (vgl. KALTSCHMITT 2001: 27). Darüber hinaus bietet die Biomassenutzung den Vorteil, dass Biomasse als einziger regenerativer Energieträger speicherbar ist, während für andere regene- rative Energien Angebotsschwankungen typisch sind, wie z.B. die von der Windstär- ke abhängigen Windenergieanlagen oder die von der Sonneneinstrahlung abhängige solare Energiegewinnung (vgl. ebd.: 2). So kann die aus Biomasse gewonnene E- nergie kontinuierlich und bedarfsgerecht erzeugt werden und die Biomasse erfüllt damit die Voraussetzungen für einen grundlastfähigen Energieträger.

Bei der Erzeugung von Energie aus Biomasse gibt es eine Vielzahl von Nutzungswegen (vgl. Anlage 1). Dem Titel der vorliegenden Arbeit folgend, wird nachstehend ausschließlich die Biogasnutzung erläutert. Wie die Verteilung der deutschen Stromerzeugung aus Biomasse des Jahres 2008 darlegt, hat Biogas mit rund 27% den zweitgrößten Anteil daran (vgl. Abb. 2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Stromerzeugung aus Biomasse in Deutschland 2008

Quelle: eigene Darstellung, nach BMU 2009, http://www.bio- energie.de/daten-und-fakten/bioenergie/strom.html (28.02.2010)

Die Landesregierung des Bundeslandes Rheinland-Pfalz hat sich zum Ziel gesetzt, den Anteil der erneuerbaren Energien am Stromverbrauch von 12,6% im Jahr 2007 auf mindestens 30% bis zum Jahr 2020 zu erhöhen (vgl. MUFV 2009: VI).

2.1 Vorteile der Biogaserzeugung und Anlagenbestand

Neben den angeführten Vorzügen der Biomassenutzung hebt sich wie eingangs er- wähnt die Erzeugung von Biogas durch die variable Produktion aller Sekundärener- gieträger ab (vgl. Kap. 2.4.2). Des Weiteren wird durch die kontrollierte Vergärung von Wirtschaftsdüngern1 in Biogasanlagen die Emittierung des klimawirksamen Me- thangases verringert, das „wesentlich klimaschädlicher ist als CO2 und dessen Be- deutung für den Klimaschutz in etwa gleichzusetzen ist mit der Minderung der CO2- Emissionen durch die Energieerzeugung“ (FNR 2009: 16). Ein weiterer positiver Ne- beneffekt ist die Reduzierung der Geruchsstoffe und Krankheitserreger von Wirt- schaftsdüngern, da bei dem unter Luftabschluss stattfindenden Gärungsprozess (vgl. Kap. 2.2) selbige abgebaut werden. Entsprechend verbessernd wirkt sich dies auf die Qualität der Gärreste aus, deren Nährstoffe noch besser pflanzenverfügbar sind und die einen adäquaten Ersatz für Mineraldünger darstellen (vgl. ebd.). Wie ein- gangs erläutert ist außerdem positiv, dass die Wertschöpfung im vom Strukturwandel der Landwirtschaft betroffenen ländlichen Raum bleibt.

Da die Biogasnutzung diese zahlreichen Vorteile beinhaltet, die Technologie dazu mittlerweile ausgereift ist (vgl. KLINSKI 2007: 16) und Rechtsnormen insbesondere durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) einen förderlichen Rahmen bereitstellen, ist der Entwicklung des Biogasanlagenbestandes der letzten Jahre ein erheblicher Bedeutungszuwachs zu entnehmen (vgl. Abb. 3).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Entwicklung des Biogasanlagenbestands in Deutschland von 1999-2010 Quelle: FNR 2009, http://www.bio-energie.de/biogas.html (21.01.2010)

Der gravierendste Faktor dabei war die Verabschiedung des EEG im Jahr 2000 so- wie dessen Novellen 2004 und 2009, die zusammen einen Biogasboom verursacht haben. Besonders sprunghafte Anstiege von rund 700 Neubauten waren in den je- weiligen Jahren nach den beiden Novellen zu verzeichnen. Während in den ersten vier Jahren nach Einführung des EEG (2001-2004) der Anlagenbestand um rund 250 pro Jahr zugenommen hat, stieg dieser nach 2004 auf rund 500 pro Jahr an. So wird sich nach Prognosen des FNR der Anlagenbestand Deutschlands innerhalb der ver- gangenen fünf Jahre von 2690 auf 5300 in etwa verdoppeln. Gleichzeitig ist Abb. 3 der Anstieg der Anlagengröße bzw. der installierten elektrischen Leistung besonders zwischen den Jahren 2004 und 2007 von 123kW je Anlage auf 343kW je Anlage, was nahezu einer Verdreifachung entspricht. Ursachen dafür sind die Optimierung der Anlagentechnik bzw. des Wirkungsgrades, vor allem aber die technische Reife größerer Anlagen (vgl. EDER & SCHULZ 2007: 14).

Im Hinblick auf die in dieser Arbeit untersuchte Region Vorderpfalz wird nun die Lo- kalisierung der in Rheinland-Pfalz betriebenen Biogasanlagen erläutert. Grundlage hierfür bildet die Studie „Biogasanlagen in Rheinland-Pfalz 2007“ des DLR Eifel, aus welcher die Abb. 4 entnommen ist. Darin ist zu erkennen, dass die 84 sich im Januar 2008 am Netz befindenden Biogasanlagen zu einem Großteil in der Eifel lokalisiert sind (vgl. DLR Eifel 2008: 4). Die Ursache dafür ist die viehwirtschaftlich geprägte Landwirtschaft, in der entsprechend viel Wirtschaftsdünger anfällt, der zur Biogas- verwertung geeignet ist (vgl. Kap. 2.3). Für die Rheinebene (Vorderpfalz und Rhein- hessen) und das Naheland legt die Karte aus Abb. 4 offen, dass bislang kaum Bio- gas gewonnen wird. Grund dafür ist vor allem der hier kaum vorzufindende Wirt- schaftsdünger. Da durch den bereits angesprochenen Fortschritt der Technik nun auch agroindustrielle Reststoffe in standardisierten Verfahren gezielt zu Biogas ver- goren werden können, werden diese Gebiete - so auch die Vorderpfalz - mit bisher offensichtlich kaum erschlossenen Potenzialen zunehmend interessant.

Wie im weiteren Verlauf dieses Kapitels detaillierter herausgearbeitet wird, kommt der Biogasnutzung eine große ökologische und ökonomische Bedeutung zu.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4: Verteilung der Biogasanlagen in Rheinland-Pfalz Quelle: DLR Eifel 2008: 6

2.2 Entstehung von Biogas

„Ob in Sümpfen und Mooren oder im Verdauungstrakt von Wiederkäuern: Biogas bildet sich überall dort, wo organisches Material in feuchter Umgebung unter Licht- und Luftabschluss abgebaut wird.“ (FNR 2007: 20). Anaerobe Mikroorganismen sor- gen dabei in unterschiedlichen biochemischen Zersetzungsstufen für die Entstehung des „Bio“-Gases, das hierbei als Stoffwechselprodukt anfällt. Dieser Prozess wird auch als (Methan-)Gärung bezeichnet, da unter anderem das energiereiche und deshalb hochwertige Abbauprodukt Methan entsteht. Da Methan mit einem Anteil von rund zwei Dritteln der Hauptbestandteil von Biogas ist, wird dieses im Gesamten zu einem sehr geeigneten Brennstoff (vgl. SCHOLWIN et al. 2009: 853). Der zweitgröß- te Bestandteil von Biogas ist Kohlendioxid mit rund einem Drittel. Daneben sind mit geringen Anteilen diverse Spurengase in Biogas enthalten (vgl. Anlage 2). Die Gas- zusammensetzung stellt sich je nach verwendeter Biomasse bzw. organischem Sub- strat leicht verändert dar, da sich die jeweiligen Substrate aufgrund ihrer organischen Zusammensetzung unterschiedlich stark zersetzen. Entsprechend treten spezifische Gaserträge und -qualitäten auf, die im unmittelbaren Zusammenhang mit dem Me- thananteil stehen.

2.3 Geeignete Substrate

In der einschlägigen Literatur werden die Substrate meist in drei Hauptgruppen unterteilt: landwirtschaftliche, industrielle und kommunale Reststoffe bzw. Abfälle organischer Herkunft.

Für den anaeroben Abbau sind Wirtschaftsdünger aus landwirtschaftlichen Betrie- ben, wie Rindermist oder Schweinegülle, besonders gut geeignet, die aufgrund ihrer Feuchte und des bereits verstoffwechselten Zustandes „aus technischer Sicht relativ einfach zu vergären sind“ (THRÄN et al. 2009: 159). Dies trägt in Verbindung mit dem großen Potenzial, das zugleich kostenlos zur Verfügung steht, zu einem entspre- chend hohen Anteil von Wirtschaftsdünger in den in Deutschland bereits bestehen- den Anlagen bei: Nach Angaben des FNR (2008: 7) machen tierische Exkremente rund die Hälfte aller eingesetzten Substrate aus. Und in über 90% aller landwirt- schaftlichen Biogasanlagen werden sie als Basissubstrat eingesetzt (vgl. KALTSCHMITT et al. 2006: 224). Da beim Verdauungsvorgang des Viehs bereits Ver- gärungsprozesse stattfinden, können mit dem vorvergorenen Substrat Wirtschafts- dünger nur niedrige Gaserträge von unter 30 m³/ t FM bei Gülle oder zwischen 50-80 m³/ t FM bei Festmist erzielt werden (vgl. SCHATTAUER & WEILAND 2006: 86 f.).

Deshalb werden in der Regel zusätzliche Substrate beigemischt (sog. Kosubstrate), um durch die Vereinheitlichung der Nährstoffzusammensetzung Synergieeffekte zu erzeugen, welche den spezifischen Gasertrag steigern (vgl. DANIEL & VOGT 2008: 30). „Am häufigsten werden Energiepflanzen bzw. nachwachsende Rohstoffe2 (Silo- mais, Grassilage u.a.), Ernterückstände, Rasenschnitt, Fettabscheiderfette, Speise- abfälle sowie Bioabfall aus industriellen und kommunalen Quellen eingesetzt“ (KALTSCHMITT et al. 2006: 224). Die höchsten spezifischen Biogaserträge mit NaWaRo von rund 200 m³/ t FM sind mit siliertem Mais zu erzielen (vgl. SCHATTAUER & WEILAND 2006: 87 f.).

Grundlegend bleibt festzuhalten, dass diverse Potenzialstudien signifikante und e- nergiewirtschaftlich relevante Biomassepotenziale in Deutschland aufzeigen (vgl. Wuppertal Institut 2005: 52). Zudem ist die Biomassevergärung ein geeigneter Ab- bauweg für die Verwertung von heterogenen und feuchten Abfällen organischer Her- kunft. Demgegenüber ist holzartige Biomasse aufgrund des Bestandteils von anae- rob nicht abbaubarem Lignin ungeeignet. Sie wird vorrangig zur thermochemischen Energieerzeugung (Vergasung, Verbrennung) eingesetzt (vgl. KALTSCHMITT et al. 2009: 135).

2.4 Biogasanlagen - Verfahren

In Biogasanlagen können die oben erläuterten Gärungs- und Fäulnisprozesse durch variabel gestaltbare Milieubedingungen für die Mikroorganismen kontrolliert werden. Das Ziel dabei ist die systematische Gewinnung von Biogas, um es schließlich ener- getisch und profitbringend nutzen zu können (vgl. SCHOLWIN et al. 2009: 853). Obwohl mittlerweile verschiedenste Technologien zur Biogaserzeugung Stand der Technik sind, ist der verfahrenstechnische Aufbau von Biogasanlagen grundsätzlich ähnlich, und wird in vier Verfahrensschritte unterteilt (vgl. Abb. 5). Hierbei wird aus- schließlich das geläufigste Verfahren der Nassvergärung berücksichtigt.

2.4.1 Substrathandling und Biogasgewinnung

Im ersten Schritt, dem sogenannten Substrathandling, wird neben der Substratbe- schaffung auch dessen Lagerung und Aufbereitung zusammengefasst. Letztere sind abhängig vom Substrat optional durchzuführen. Die Anlieferung und die Lagerung sollten so aufeinander abgestimmt sein, dass das Substrat kontinuierlich und in glei- chen Tagesmengen der Biogasanlage zugegeben werden kann. Um Schwankungen der Anlieferung auszugleichen, wird beispielsweise bei NaWaRo, die gewöhnlich nur ein- oder zweimal im Jahr geerntet werden, eine Lagermöglichkeit benötigt (vgl. KLINSKI 2007: 18). Die Aufbereitung bzw. Vorbehandlung von Substraten wird dann notwendig, wenn die Substrate für die Vergärung in ihrem Anlieferzustand ungeeig- net sind. Darunter fällt beispielsweise die Zerkleinerung von zu grob strukturierten Substraten (v.a. Feststoffe wie z.B. Hackfrüchte) oder die Hygienisierung der nach EU-Hygieneverordnung Nr. 1774 seuchenhygienisch bedenklichen Stoffgruppen, wie beispielsweise Schlachtabfälle oder Speisereste (vgl. EDER & SCHULZ 2007: 189 f.). Im zweiten Verfahrensschritt erfolgt die biochemische Umwandlung (Vergärung) der zuvor eingebrachten Substrate im Gärbehälter, dem sogenannten Fermenter. Dieser ist das Kernstück einer Biogasanlage, in dem die zu Beginn dieses Kapitels erläuter- ten biochemischen Reaktionen vonstattengehen und das entstehende Biogas aufge- fangen wird (vgl. KLINSKI 2007: 21).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5: Verfahrensablauf zur Biogasgewinnung und -nutzung

Quelle: eigene Darstellung, nach SCHOLWIN et al. 2006: 44 und EDER & SCHULZ 2007: 155

2.4.2 Biogas- und Gärrestverwertung

Die Verfahrensschritte drei und vier laufen parallel zueinander ab, da bei der Biogas- gewinnung gleichzeitig Biogas entsteht und Gärreste anfallen (vgl. Abb. 5). Der dritte Schritt, die Biogasnutzung, beinhaltet neben der notwendigen Gasaufberei- tung zur Entfernung korrosiver Verunreinigungen (v.a. Schwefelwasserstoff und Ammoniak) die Verwertungsmöglichkeiten von Biogas. Der am meisten verbreitete, da durch die festgeschriebenen Vergütungssätze im EEG wirtschaftlichste Nut- zungsweg, ist die Direktverstromung des Biogases zur gekoppelten Gewinnung von Strom und Wärme (KWK) in einem lokalen BHKW mit anschließender Stromeinspei- sung in das öffentliche Versorgungsnetz (vgl. SCHOLWIN & EDELMANN 2009: 916). Da- bei wird jedoch in den seltensten Fällen die anfallende Wärme angemessen genutzt, wodurch sowohl der ökologische Nutzen der Biogasverwertung in Frage gestellt wer- den kann, als auch der ökonomische Erfolg noch steigerbar ist. Diese Problematik ergibt sich beim Nutzungsweg der Einspeisung des Biogases ins Erdgasnetz nicht. Denn durch das öffentliche Gasnetz gelangt das Gas unmittelbar an den Ort des Verbrauchs und kann neben der KWK-Verstromung auch als Kraftstoff (z.B. in Erd- gastankstellen) genutzt werden (vgl. KLINSKI 2007: 15). Ursächlich für den bisher niedrigen Bestand von Einspeiseanlagen waren hauptsächlich wirtschaftliche Grün- de. Zum einen wird ein zusätzliches und teures Gasaufbereitungsverfahren notwen- dig, um das Biogas auf Erdgasqualität anzureichern. Zum anderen muss eine eben- falls kostenintensive Gasanschlussleitung zum nächsten Einspeisepunkt gelegt wer- den. Dennoch haben durch fortschreitende Optimierungen und technische Weiter- entwicklungen einige Verfahren zur Biogasaufbereitung Marktreife erlangt, wodurch diesem Nutzungsweg zukünftig gute Perspektiven zugesprochen werden (vgl. EDER & SCHULZ 2007: 128 f.).

Der vierte Verfahrensschritt der Biogasgewinnung ist die Verwertung der Gärreste (vgl. Abb. 5). Vorausgesetzt das vergorene Material ist nicht mit Schadstoffen belastet, wird es üblicherweise als Dünger auf landwirtschaftlichen Flächen genutzt. Denn bei der Vergärung gehen kaum Nährstoffe verloren, sodass der Gärrest als effektives Substitut von Mineraldüngern eingesetzt und dadurch wiederum Energie bei der energieintensiven Mineraldüngerproduktion eingespart werden kann (vgl. SCHOLWIN & EDELMANN 2009: 918).

3 Rechtliche und wirtschaftliche Rahmenbedingungen

Die Errichtung von Biogasanlagen hängt maßgeblich von zwei Faktoren ab: Ist die rechtliche Zulässigkeit und die Wirtschaftlichkeit gewährleistet? Deshalb werden in diesem Kapitel die relevanten Rechtsvorschriften und Wirtschaftlichkeitskriterien erläutert, die beide standortbezogene Merkmale enthalten und somit für die zugrunde liegende Fragestellungen der Standortanalyse relevant sind. Unter anderem sind „beim Bau und Betrieb von Biogasanlagen (…) Konflikte mit den Zielen des Naturund Umweltschutzes möglich. Diese Auswirkungen gilt es einerseits im Rahmen der Anlagenplanung durch eine geeignete Standortwahl sowie durch bauliche und technische Optimierungen zu vermeiden und zu mindern“ (PETERS et al. 2008: 203). In dieser Arbeit bilden alle hier aufgearbeiteten Standortbedingungen und -faktoren die Grundlage für die in Kapitel 6 folgende Standortanalyse.

Für die Errichtungen von Biogasanlangen sind zahlreiche rechtliche Rahmenbedin- gungen von Belang (vgl. Anlage 3), die KLINSKI (2008: 169) als „außerordentlich un- übersichtlich“ beurteilt. Das folgende Kapitel 3.1 dient der Erläuterung der besonders für die Genehmigung und Errichtung von Biogasanlagen greifenden Rechtsvorschrif- ten. Anschließend wird in Kapitel 3.2 aufgezeigt, welche Faktoren die Wirtschaftlich- keit von Biogasanlagen und damit auf die Standortentscheidung beeinflussen.

Der Name, Stand und Internetfundort der verwendeten Normen sind am Schluss der Arbeit im Kapitel „Rechtsquellen“ angeführt.

3.1 Standortrelevante Rechtsnormen für Biogasanlagen

Wie alle anderen baulichen Anlagen sind auch Biogasanlagen einem rechtlichen Ge- nehmigungsverfahren zu unterziehen. Für die Errichtung von Biogasanlagen sind zunächst Genehmigungskriterien nach dem Bau- oder Immissionsschutzrecht anzu- wenden. „Ob eine Anlage nach dem Baurecht oder der BImSchG genehmigt wird, liegt zunächst mal an der Art und Menge der Substrate, die vergoren werden“ (EDER & SCHULZ 2007: 149).

Ein entscheidendes Kriterium dabei ist die täglich durchgesetzte Substratmenge, die schon bei mehr als 10t pro Tag ein deutlich aufwändigeres, dafür mit höherer Rechtssicherheit verbundenes Genehmigungsverfahren nach dem BImSchG nach sich zieht. Dieses wiederum unterscheidet bei einem Tagesdurchsatz von unter 50t ein vereinfachtes Verfahren und bei über 50t ein Verfahren mit Öffentlichkeitsbeteili- gung. Für alle kleinen Anlagen unter 10t Tagesdurchsatz genügt ein Baugenehmi- gungsverfahren nach der Landesbauordnung (LBauO). Heute werden überwiegend größere Biogasanlagen errichtet, was durch den Trend des Monitorings zur Wirkung des EEG auf die Entwicklung der Stromerzeugung aus Biomasse bestätigt wird: Während im Jahr 2007 die bundesweite Umfrage von Anlagenbetreibern noch eine Verteilung der Genehmigungsverfahren von 55% nach BImSchG und 44% nach Bau- recht auswies (vgl. PETERS et al 2008: 208), gab es im Jahr 2009 mehr Genehmi- gungen nach BImSchG (vgl. Abb. 6). Um dieser Verteilung gerecht zu werden, wird dem ab Kapitel 6 folgenden Analyseteil dieser Arbeit die ausführlichere Prüfung nach BImSchG zugrunde gelegt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 6: Verteilung nach Art der Genehmigung für Biogasanlagen (Betreiberumfrage 2008/2009)

Quelle: eigene Darstellung, nach DBFZ 2009: 27

Hat eine Anlagengenehmigung nach dem BImSchG zu erfolgen, darf sie gemäß § 6 BImSchG nur dann erteilt werden, wenn auch andere öffentlich-rechtliche Vorschriften geprüft werden. Im juristischen Fachjargon wird dieses als Genehmigungsverfahren mit Konzentrationswirkung bezeichnet und beinhaltet umfassende Prüfungen der jeweils zuständigen Fachbehörden des

- Arbeits- und Immissionsschutzrechts,
- Bauplanungs- und Bauordnungsrechts,
- Abfallrechts,
- Wasserrechts,
- Düngemittel- und Hygienerechts und
- der Sicherheitstechnik (vgl. MUFV 2007: 18).

[...]

Ende der Leseprobe aus 124 Seiten

Details

Titel
GIS-basierte Standortanalyse für Biogasanlagen am Beispiel der Vorderpfalz
Hochschule
Johannes Gutenberg-Universität Mainz  (Geographisches Institut)
Note
1,3
Autor
Jahr
2010
Seiten
124
Katalognummer
V191367
ISBN (eBook)
9783656174202
Dateigröße
7904 KB
Sprache
Deutsch
Anmerkungen
Schlagworte
GIS, Standortanalyse, Biogasanlage, Vorderpfalz, Erneuerbare Energien, EEG
Arbeit zitieren
Dipl.-Geogr. Mark Deubert (Autor), 2010, GIS-basierte Standortanalyse für Biogasanlagen am Beispiel der Vorderpfalz, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/191367

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